中国经济迅速发展、人类活动范围扩大,导致内陆湖泊水库的污染、富营养化等问题不断加剧。水生植被能够对湖泊的水质、生物多样性以及生态环境等方面都有一定的调控能力,如稳定沉积物,减缓水流,净化水源,维持渔业生产,维持湿地生态系统的平衡。因此,水生植被分布情况、结构和演变趋势对湿地生态环境变化具有重要的指示意义和科学研究价值。本文通过研究现有机器学习模型和应用领域,将随机森林和u-net模型应用于水生植被提取。本文利用于桥水库Sentinel-2遥感数据进行分析,其中在基于特征优化的随机森林中使用的是2020年3月到10月数据,在基于特征优化的u-net模型中将2020年数据用于训练模型,为检验模型预测准确率,测试集选用2019年的于桥水库影像进行验证。具体研究内容如下:(1)针对水生植被提取精度较低问题,基于Sentinel-2遥感数据,综合应用光谱信息、水体植被指数、最佳指数法(Optimal Index Factory,OIF)计算的纹理特征,结合随机森林分类法,构建特征优化后的随机森林水生植被提取模型,对于桥水库进行水生植被提取。结果显示:该方法能有效的提取出水生植被,总体精度为93.22%,Kappa系数为0.91。进一步与最大似然和支持向量机(SVM)方法进行对比分析,结果表明本算法的总体精度分别提高了19.96%、8.53%,Kappa系数分别提高了0.25、0.11。基于水生植被全年提取结果,分析了于桥水库的水生植被年内变化,发现于桥水库水生植被在五月份最繁盛,随后逐渐消减,直至十月份基本消亡。实验表明:特征优化后的随机森林分类法在Sentinel-2影像水生植被提取中具有较好的适用性。(2)遥感影像光谱信息有限,增大了对光谱特征相似地物的分类难度。针对水生植被提取无法实现自动化的问题,使用于桥水库Sentinel-2遥感影像,通过将5种不同水体植被指数和深度学习u-net模型相结合自动提取水体、沉水植被、挺水植被、浮水植被和滩地五种地物覆被类型,分类总体精度和Kappa系数分别为94.12%和0.92,并与未进行特征优化的和随机森林的分类方法比较,u-net模型水生植被的提取结果总体精度分别提高了7.96%、1.56%,Kappa系数分别提高了0.10、0.01。结果表明:基于特征优化的u-net模型的水生植被提取效果较好,满足精度要求。实验表明,该方法可实现自动化提取,且精确性高和具有良好的泛化性。本论文主要应用了两种水生植被提取模型,利用u-net模型优秀的特征提取能力和深层网络的非线性表达能力提高模型预测精度。两种模型都能够准确地提取水生植被,在一定程度上提高了水生植被提取的准确率,可以应用于水生植被长时序遥感监测。研究表明机器学习技术在水生植被提取领域具有较好的可行性与优越性。
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