基于決策樹分析的水邊線信息提取

基于決策樹分析的水邊線信息提取

0潮灘的監(jiān)測方法藍(lán)水海岸的潮平面是寬的，水平面變化頻繁，給以往的專業(yè)調(diào)查和觀測帶來了很大困難，研究水平相對較低。遙感與地面調(diào)查方法相結(jié)合被認(rèn)為是監(jiān)測潮灘的一種有效手段。遙感影像上陸地和水體的邊界線被定義為水邊線(Waterline),利用水邊線方法可以很容易地監(jiān)測海岸帶潮灘的動態(tài)變化,也可以利用不同時相的水邊線信息構(gòu)建潮灘的三維地形模型,為淤泥質(zhì)潮灘剖面的研究提供重要的數(shù)據(jù)保證。因此水邊線方法仍然是目前衛(wèi)星遙感監(jiān)測潮灘環(huán)境的有效方法之一。1提取水體范圍及方法水體因?qū)θ肷淠芰?太陽光)具有強(qiáng)吸收性,所以在大部分遙感傳感器的波長范圍內(nèi),總體上呈現(xiàn)較弱的反射率,并具有隨著波長的增加而進(jìn)一步減弱的趨勢。水體在近紅外及隨后的中紅外波段范圍內(nèi)(740~2500nm)具有強(qiáng)吸收的特點(diǎn),導(dǎo)致了清澈水在這一波長范圍內(nèi)幾乎無反射率,因此,此波長范圍常被用來研究水陸分界、圈定水體范圍。但是隨著水體渾濁度(各種有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)濃度)的增加,水體的反射率會有所變化,如水體泥沙含量的增加會導(dǎo)致反射率的提高,并使光譜曲線的反射峰往長波方向移動;另外,在比較淺的潮灘區(qū),由于漲落潮的影響,灘面往往有大量的殘余水體存在。高濁度的懸沙和表層殘余水體一直是影響水邊線提取的重要因素。利用遙感信息提取水邊線信息的方法一般可分為單波段法和多波段法。單波段法主要選取遙感影像中的近紅外波段并輔于閾值來提取水體;多波段法則主要利用多波段的優(yōu)勢綜合提取水體信息,可分為比值法和譜間關(guān)系閾值法。比值法根據(jù)不同地類在不同波段中的波譜特征,利用比值計算快速提取水邊線信息;譜間關(guān)系閾值法通過分析水體與背景地物的波譜曲線特征,找出它們之間的變化規(guī)律,進(jìn)而根據(jù)光譜特征知識和空間關(guān)系知識,建立基于知識的遙感信息提取模型。此方法具有靈活、直觀和運(yùn)算效率高等特點(diǎn),在遙感影像分類和專題信息提取中被廣泛應(yīng)用。2水邊線幾何精校正根據(jù)衛(wèi)星過境時刻的潮位資料,本次研究選取了5景TM影像,分別是:1999年9月24日10時01分影像,潮高3.88m;2000年5月21日10時00分影像,潮高1.63m;2001年11月16日10時04分影像,潮高4.12m;2002年3月8日10時02分影像,潮高2.31m;2004年2月26日10時03分影像,潮高1.55m。以上潮位數(shù)據(jù)為長江口區(qū)佘山潮位站(122°14′18″E,31°25′12″N)資料。為保證水邊線提取的空間精度,對選取的影像根據(jù)2004年1︰5萬地形圖及實(shí)測GCP點(diǎn)進(jìn)行幾何精校正,最終誤差控制在0.5個像元以內(nèi)。研究區(qū)范圍不大,在無云的情況下,可以認(rèn)為各點(diǎn)受到的大氣輻射影響基本一致。因此,采用了較為常用的最暗像元法(DarkObjectSubtraction,DOS)進(jìn)行大氣輻射校正。為了分析不同類型地物與水體在光譜特征上的差別,把長江口區(qū)可能與水體交界的地物按其特征分為低潮出露的沙體、長期出露的沙體和受表層殘余水體影響最大的崇明東灘等3種主要地物類型。同時,根據(jù)對含沙量最敏感的TM4波段,把整個長江口區(qū)分為8個不同的泥沙濃度帶。結(jié)合遙感影像目視解譯選出各類有代表性的感興趣區(qū)域,共81個,分別統(tǒng)計其光譜特征。對所有地物類型分別計算它們在不同波段的最大值、最小值、均值和方差,如圖1所示。由圖1可得出以下結(jié)論:①TM1、2波段對區(qū)分水體不夠明顯;②在區(qū)分長期出露沙體與水體時,TM5、7和TM6是有效波段,其區(qū)分度依次降低;③TM3波段比其它波段更能區(qū)分低潮出露沙體與水體;④崇明東灘區(qū)由于受表層殘余水的影響,除TM6波段外,其它任何波段都不能很好的把兩者區(qū)分開來;⑤TM4波段雖然低潮出露沙體的灰度值均值比長期出露沙體和崇明東灘的都低,但是由于其含沙量的巨大差異,也很難將其與水體區(qū)分開來。3基于決策樹模型和分類的節(jié)點(diǎn)閾值配置3.1背景信息的提取水體光譜特征分析結(jié)果表明,單純依靠某一個波段很難進(jìn)行水邊線的提取,多波段比值分析方法雖然能在一定程度上抑制噪聲突出水體信息,但是它無法徹底抑制與水體無關(guān)的背景信息,特別是當(dāng)背景地物發(fā)生改變時,其水體信息的提取很不成功。決策樹是遙感圖像分類中的一種分層處理結(jié)構(gòu),其基本思想是通過一些判斷條件對原始數(shù)據(jù)集逐步進(jìn)行二分和細(xì)化。其中,每一個分叉點(diǎn)代表一個決策判斷條件,每個分叉點(diǎn)下有兩個葉節(jié)點(diǎn),分別代表滿足和不滿足條件的類別。這種方法不僅不需要依賴任何先驗(yàn)的統(tǒng)計假設(shè)條件,而且可以方便地利用除光譜值以外的其它知識,所以在遙感影像分類和專題信息提取中已被廣泛應(yīng)用。3.2tm3、tm7波長的閾值計算及分類節(jié)點(diǎn)的確定為了能夠很好地區(qū)分水體及其背景地物,以便更精確地提取水邊線信息,必須合理計算各個波段的分類閾值。曹凱等曾利用相同波段不同地物光譜最大值及最小值之間的關(guān)系來計算閾值。本文從統(tǒng)計學(xué)角度綜合考慮均值和方差對分類結(jié)果的影響,按照式(1)計算各個波段的分類閾值,即T=xˉmin+σmin+xˉmax?σmax?(xˉmin+σmin)2=xˉmax?σmax+xˉmin+σmin2(1)Τ=xˉmin+σmin+xˉmax-σmax-(xˉmin+σmin)2=xˉmax-σmax+xˉmin+σmin2(1)式中,xˉxˉmin、σmin分別為某一波段水體和背景地物樣本統(tǒng)計均值最小地物類型的均值和方差;xˉxˉmax、σmax分別為某一波段水體和背景地物樣本統(tǒng)計均值最大地物類型的均值和方差。按照公式(1)分別計算TM3、5~7波段的閾值,計算結(jié)果如表1所示。根據(jù)以上的統(tǒng)計分析結(jié)果,長期出露的沙體與水體在TM5及TM7波段波譜特征差異顯著,兩者的統(tǒng)計均值在這兩個波段分別相差53和28,因此,首先選擇TM5及TM7波段為判別條件,設(shè)立第一層分類節(jié)點(diǎn),使長期出露沙體首先被分離,即長期出露沙體應(yīng)滿足下列2個條件:①DNTM5>47;②DNTM7>22。同理,第二層分類節(jié)點(diǎn)選擇TM3波段,將低潮時出露的沙體與水體區(qū)分開來,即滿足條件DNTM3<63的地物為低潮時出露的沙體。對于崇明東灘地區(qū),按照前面的分析結(jié)果,由于大量表層殘余水體的存在,除TM6波段外的任何其它波段很難將其分離出來,因此,在第三層分類節(jié)點(diǎn)選擇TM6波段,即DNTM6>96。4基于dtm的水線信息提取4.1增加地形節(jié)點(diǎn)閾值由以上提取結(jié)果可知,TM6波段是提取水邊線的有效波段,但是由于水邊線附近受陸地較熱水體注入的影響,水陸邊界變得模糊。為了消除上述影響,假定在坡度較大的區(qū)域不存在表層殘余水體的影響,TM6波段提取的水邊線外移完全是由于陸地?zé)崴⑷胍?此時可把TM5波段提取的水邊線作為真實(shí)的水邊線。這是因?yàn)?在岸邊一定的范圍內(nèi),如果水深發(fā)生較大的變化,說明該地區(qū)水底地形坡度變化較大,可以看成是長期出露沙體與水體的邊界,TM5波段可以很好地反映這時的水邊線信息?；谝陨现R,在分類器節(jié)點(diǎn)可增加地形信息,以消除較熱水體對水邊線的影響。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn),分類器的地形節(jié)點(diǎn)閾值設(shè)在5m比較合適。利用水深節(jié)點(diǎn)前后的提取結(jié)果對比如圖2(左)、2(中)所示。4.2潮灘剖面位置的確定上述操作雖然減少了深水區(qū)熱源污染對水邊線信息提取的影響,但是在水深比較淺的區(qū)域,也就是表層殘余水體大量存在的區(qū)域,殘余水體對水邊線信息的影響加大。崇明東灘區(qū)在落潮時刻由于表層殘余水的影響,TM6波段提取的水邊線要比TM5波段提取結(jié)果偏向海的一側(cè)近500m,嚴(yán)重影響了水邊線的提取精度。為了解決上述問題,本文采用了另一種方法:首先,假定潮灘剖面在一個較短的時間段內(nèi)穩(wěn)定,同時水邊線是一條水平線的情況下,根據(jù)不同年份提取的水邊線信息和實(shí)測的斷面高程信息,內(nèi)插出灘涂的數(shù)字地形模型(DTM)作為參考DTM(由于此種情況只把水邊線作為一種數(shù)據(jù)插值的基線,不同波段提取結(jié)果的偏差不會影響參考DTM的精度);然后,根據(jù)參考DTM與衛(wèi)星過境時的實(shí)測潮位信息,在參考DTM上提取與潮位等值的高程點(diǎn)并連接,最終得到水邊線信息(圖3)。由于參考DTM可以利用數(shù)學(xué)曲面模擬其分布及變化,據(jù)此,水邊線的位置可由下面的2次趨勢面模型公式給出H=a0+a1x+a2y+a3xy+a4x2+a5y2(2)Η=a0+a1x+a2y+a3xy+a4x2+a5y2(2)式中,H為潮位面高程;a0、a1、…、a5為待定系數(shù);x、y為地理坐標(biāo)。4.3提取結(jié)果的精度評價4.3.1水邊線見表1文中,用來進(jìn)行誤差檢驗(yàn)的圖像同時參與了參考DTM的創(chuàng)建,因此,這里采用統(tǒng)計學(xué)中的自身一致性檢驗(yàn)(Self-consistency)來對提取結(jié)果進(jìn)行精度評價。此外,由于不同水邊線提取結(jié)果的形狀差異較大,本文構(gòu)造了平均偏移指數(shù)(MeanOffset,MO)來評價提取結(jié)果,即MO=±AWLreal+WLtraced2(3)ΜΟ=±AWLreal+WLtraced2(3)式中,A為真實(shí)水邊線與提取水邊線所圍的面積;WLreal、WLtraced為真實(shí)水邊線與提取水邊線長度;+號表示向海的一側(cè)偏移,-號表示向陸地一側(cè)偏移。從一致性檢驗(yàn)結(jié)果(表2)可以得出:如果選用TM5波段水邊線建立參考DTM,一致性檢驗(yàn)結(jié)果為-103.3m;如果選擇TM6波段,一致性檢驗(yàn)結(jié)果則為184.1m。用參考DTM方法提取的水邊線介于TM5波段和TM6波段提取的水邊線之間。檢驗(yàn)結(jié)果也表明,由于表層殘余水體的存在,僅用TM5波段提取的水邊線比實(shí)際水邊線偏向陸地一側(cè);TM6波段提取的水邊線則偏向海的一側(cè)。另外,依據(jù)不同潮情,不同波段水邊線提取結(jié)果的偏移程度也存在著差異。4.3.2dtm插值及誤差提取水邊線提取