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Resonon | Pika L高光譜成像在亞熱帶闊葉森林單木分割和樹種分類上的應用

日期: 2022-11-14
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Resonon | Pika L高光譜成像在亞熱帶闊葉森林單木分割和樹種分類上的應用

了解亞熱帶森林樹種的準確信息對于森林可持續管理、生態系統服務評估、生物多樣性監測以及生態環境保護至關重要。因此,亟待快速有效的方法對單個樹種進行分類。傳統的樹種地面調查費事、費力、成本高,難以大面積實施。而遙感可以獲取較大區域的特征信息。許多遙感數據,如超高分辨率RGB、機載高光譜和雷達數據,已廣泛應用于單木分割和樹種分類。然而以往都是利用其中一種或兩種類型的數據進行研究,綜合這三種遙感數據進行樹種分類的研究十分有限。

基于此,為填補研究空白, 研究者們于2019年8月在中國南方深圳的亞熱帶闊葉林聚龍山公園(114°23′28′′E,22°43′50′′N)基于UAV LiDAR,高光譜(Resonon Pika L高光譜成像儀)、超高分辨率RGB數據以及地面數據進行單個樹種的分類。作者首次開發了watershed-spectral-textural-controlled normalized cut(WST-Ncut)算法進行單木分割。然后整合UAV LiDAR(提取結構特征),高光譜(提取光譜特征)和超高分辨率RGB數據(提取紋理特征)進行分類。最后通過總體精度(OA)和kappa系數(k)評估分類精度。主要研究目標為:(1)評估所提出的WST-Ncut算法在亞熱帶闊葉森林進行單木分割的準確性;(2)與單獨使用這些數據相比,評估UAV LiDAR,高光譜和超高分辨率RGB數據相融合進行亞熱帶闊葉樹種分類的有效性和改進以及(3)探索單木分割的準確性和樹種數量對樹種分類精度的影響。

Resonon | Pika L高光譜成像在亞熱帶闊葉森林單木分割和樹種分類上的應用

研究區位置

【結果】

Resonon | Pika L高光譜成像在亞熱帶闊葉森林單木分割和樹種分類上的應用

18個樹種在383-1020 nm波長下的反射率平均值和±標準差。

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18個樹種在383-1020 nm波長下的平均光譜反射率。

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Resonon | Pika L高光譜成像在亞熱帶闊葉森林單木分割和樹種分類上的應用

七種特征組合得到的樹種分布圖。

Resonon | Pika L高光譜成像在亞熱帶闊葉森林單木分割和樹種分類上的應用

使用所有特征時獲得的總體分類精度與樹種數量之間的關系。

【結論】

在本研究中,作者利用UAV LiDAR,高光譜和超高分辨率RGB數據在亞熱帶闊葉森林樹木尺度上進行18個樹種的分類。作者首次提出了watershed-spectral-textural-controlled normalized cut(WST-Ncut)算法來描述單木。結果表明,WST-Ncut算法適合描述亞熱帶闊葉森林單木(Recall=0.95,Precision=0.86,F-score=0.90),可以減少過度分割。LiDAR獲取的垂直結構特征,高光譜獲取的光譜特征以及超高分辨率RGB數據獲取的紋理特征在樹種分類上相互補充。分類結果表明這三個數據集相結合可以有效區分18個樹種,獲得最高的分類精度(總體精度=91.8%,Kappa=0.910),比單獨利用光譜特征,結構特征和紋理特征分別高10.2%,13.6%和19.0%。此外,結果表明,單木分割越好,樹種分類越準確,樹種數量增加將會導致分類精度下降。

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