類喻俊+李曉敏+張權(quán)+侍昊++薛建輝+褚軍

摘要：湖濱帶是湖泊生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的連接樞紐，對(duì)陸地生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定有著積極的作用，利用植被高光譜特征識(shí)別湖濱帶植被生長(zhǎng)與分布狀況對(duì)濱岸生態(tài)系統(tǒng)的管理和研究具有十分重要的意義。以太湖湖濱帶（宜興段）為研究區(qū)域，利用FieldSpec3 Hi-Res便攜式地物光譜儀測(cè)量5類典型植被冠層光譜；在利用S Golay濾波對(duì)異常光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除的基礎(chǔ)上，采用光譜微分法與植被指數(shù)法構(gòu)建光譜特征；應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法結(jié)合因子分析法對(duì)典型植被進(jìn)行分類提取。結(jié)果表明：（1）利用S Golay濾波方法能夠較好地平滑噪聲，保留其真實(shí)光譜特征；（2）在利用原始反射率、植被指數(shù)、一階光譜微分、二階光譜微分的4種分類組合中，二階微分?jǐn)?shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類精度最高，原始分辨率分類精度最低；（3）在不同植被類型的分類中，4類分類組合方法對(duì)夾竹桃的分類效果最好，對(duì)柳杉的分類效果最差。

關(guān)鍵詞：高光譜；光譜特征變換；因子分析；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；湖濱帶；植被分類

中圖分類號(hào)： S184；S127文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）05-0240-05

高光譜遙感技術(shù)始于20世紀(jì)80年代，依靠連續(xù)分布的窄波段描述地物的光譜特征，識(shí)別與診斷不同的植被類型[1]。高光譜遙感有波段多、信息量大的特點(diǎn)，依靠連續(xù)分布的納米級(jí)波段對(duì)植被進(jìn)行光譜反射率描述，能最大信息化地反映同類型植被不同生長(zhǎng)狀況和不同植被之間的差別，為精確地進(jìn)行植被分類提供依據(jù)。與傳統(tǒng)的寬波段遙感數(shù)據(jù)相比，高光譜數(shù)據(jù)不限于一般性的紅光吸收特征和近紅外的反射特征以及中紅外的水吸收特征，不受到波段寬度、波段數(shù)的限制，對(duì)土地覆蓋類型識(shí)別和植被長(zhǎng)勢(shì)等反應(yīng)較為敏感[2]。

近年來(lái)，一些學(xué)者通過(guò)采集植被光譜，分析不同植被的光譜特征差異，探索用于植被分類的方法，并獲得了一些高光譜植被分類的成果。如萬(wàn)余慶等以延河流域優(yōu)勢(shì)物種為研究對(duì)象，描述了優(yōu)勢(shì)物種的光譜特征，總結(jié)出了用于識(shí)別優(yōu)勢(shì)物種的光譜鑒別方法[3]；范文義等對(duì)內(nèi)蒙古科爾沁沙地地區(qū)地物光譜信息進(jìn)行采集，通過(guò)對(duì)光譜微分和歸一化處理對(duì)地物光譜進(jìn)行分析[4]；王志輝等利用高光譜技術(shù)，通過(guò)分析樹(shù)種一階微分、二階微分曲線，對(duì)南方4種常見(jiàn)樹(shù)木進(jìn)行分類，并選擇出差異較大的1 657～1 666 nm、1 868～1 877 nm作為識(shí)別樹(shù)種的敏感波段[5]；李娜等采用因子分析方法對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，解決了高光譜數(shù)據(jù)波段多、波段間相關(guān)性大的問(wèn)題，并采用航空推掃型成像光譜儀（PHI）數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，表明因子分析不僅能有最大程度保留波段原始信息，而且能有效消除波段間的相關(guān)性，增強(qiáng)類別可分性[6]。

目前，已有學(xué)者利用多光譜遙感技術(shù)對(duì)湖濱帶植被信息進(jìn)行提取，但是利用植被高光譜特征對(duì)湖濱帶植被進(jìn)行分類鮮有報(bào)道。此外，與傳統(tǒng)多光譜相比，高光譜多波段、高信息量在湖濱帶植被分類研究上的優(yōu)勢(shì)也需要進(jìn)一步探討。因此，本研究以太湖湖濱帶（宜興段）為研究區(qū)，采集區(qū)域內(nèi)5種典型植被高光譜數(shù)據(jù)，在利用光譜微分法與植被指數(shù)法進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的基礎(chǔ)上，運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行植被分類，并比較識(shí)別湖濱帶不同植被，獲取分類結(jié)果，以期為太湖湖濱帶植被的分類與監(jiān)測(cè)研究提供有效的技術(shù)方法補(bǔ)充。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

太湖位于江蘇省南部，南鄰浙江省湖州市，橫跨蘇州市、無(wú)錫市、常州市與宜興市4市域，全部水域位于江蘇省境內(nèi)，是我國(guó)五大淡水湖之一。本研究所選湖濱帶研究區(qū)位于宜興市境內(nèi)，宜興市地理位置為31°07′～31°37′N，119°31′～120°03′E，地區(qū)內(nèi)氣候常年溫暖濕潤(rùn)，年均氣溫15.7 ℃，降水量 1 177 mm，全年平均降水日136.6 d，地面與地下水含量非常豐富。

20世紀(jì)以來(lái)，太湖流域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，造成農(nóng)田、濕地和林地被建設(shè)用地大量侵占，尤其是太湖湖濱植被帶被逐步蠶食。由于缺少完整的植被緩沖帶，導(dǎo)致湖面的富營(yíng)養(yǎng)化明顯高于其他區(qū)域。因此，從2009年初開(kāi)始，各級(jí)林業(yè)以及環(huán)保部門建立了環(huán)太湖的生態(tài)防護(hù)林及植被恢復(fù)林帶，當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境開(kāi)始得到改善。本研究選擇的湖濱帶主要植被有水杉、蘆葦、香樟、重陽(yáng)木、夾竹桃、柳杉等，并按照離湖堤的近遠(yuǎn)呈現(xiàn)水杉—蘆葦—灌木—小喬—農(nóng)田的分布結(jié)構(gòu)。區(qū)域內(nèi)喬木一般高度為4～5 m，樹(shù)齡為5～10年，研究區(qū)位置見(jiàn)圖1。

[FK（W12][TPYJ11.tif][FK）]

1.2研究方法

1.2.1高光譜數(shù)據(jù)采集依據(jù)均勻布點(diǎn)原則，在研究區(qū)內(nèi)（主要距太湖大堤500 m范圍內(nèi)）設(shè)置100個(gè)調(diào)查樣方（大小為10 m×10 m），開(kāi)展光譜數(shù)據(jù)采樣工作。依據(jù)植被分布狀況，在距離大堤50～100 m范圍主要采集蘆葦光譜；距離大堤100～500 m范圍內(nèi)采集小喬木、灌木光譜數(shù)據(jù)。植被光譜采集在無(wú)風(fēng)晴朗天氣進(jìn)行，為了達(dá)到較好的光照度，采樣時(shí)間定為每天10：00—15：00。為了降低光譜采集過(guò)程中人體光照反射對(duì)植被光譜采集的影響，所有采集光譜人員均著深色服裝，站立于植被和太陽(yáng)連線之間。每個(gè)樣方在植被向陽(yáng)冠層面采集3～5株同類型植被，每次采集10條光譜。為了使光譜儀視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)唯一，置光譜探頭于目標(biāo)頂部1.3 m處。采集的植物屬性如表1所示。采樣設(shè)備選用美國(guó)ASD公司FieldSpec3 Hi-Res便攜式地物光譜儀，該光譜儀采用512陣元陣列PDA探測(cè)器和2個(gè)獨(dú)立的InGaAs探測(cè)器，具有高信噪比、高可靠性、高重復(fù)性的特征。其中350～1 000 nm光譜分別率為3 nm，光譜采樣間隔為1.377 nm；1 000～2 500 nm 光譜分辨率為10 nm，光譜采樣間隔為2 nm；最快可以得到10條/s光譜曲線的速度。

1.2.4植被信息提取

1.2.4.1光譜數(shù)據(jù)降維高光譜數(shù)據(jù)波段多、數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)間易形成較大的冗余，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理有利于不同植被的辨識(shí)分類[18]。因子分析模型是1種基于降維的數(shù)據(jù)分析方法，它將變量群中有共性的變量進(jìn)行分析，找出隱藏在眾多數(shù)據(jù)中具有代表性的因子，將同質(zhì)性的因子歸為1類，使同組內(nèi)的變量之間相關(guān)性較高，不同組間的相關(guān)性較低，以較少的新變量來(lái)代替之前繁多的變量，以起到降維的作用[19]。本研究采用植被原始反射率350～1 349、1 451～1 799、2 001～2 349 nm波段作為因子分析變量，植被一階微分采用500～1 000 nm波段為輸入變量進(jìn)行因子分析，植被二階微分采用500～800 nm波段為輸入變量進(jìn)行因子分析，23種植被指數(shù)不作因子分析。對(duì)3種光譜數(shù)據(jù)作因子分析，得到各自方差解釋以及方差最大化正交因子旋轉(zhuǎn)后的貢獻(xiàn)度。

1.2.4.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通過(guò)模擬大量相互連接的簡(jiǎn)單處理單元工作，將處理單元按層排列。一般在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中通常有3個(gè)部分：1個(gè)輸入層（input layer），1個(gè)或者更多的隱藏層（hidden layers），1個(gè)輸出層（output layer）。這些單元間通過(guò)不斷變化的連接強(qiáng)度或權(quán)值連接[20]。本研究利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)夾竹桃、柳杉、蘆葦、香樟、重陽(yáng)木5類植被進(jìn)行分類，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層由植被反射率光譜、一階微分光譜、二階微分光譜因子分析得到的主因子以及23種植被指數(shù)組成；隱藏層在模型訓(xùn)練過(guò)程開(kāi)始前給予默認(rèn)起始數(shù)值，在訓(xùn)練過(guò)程中再對(duì)其進(jìn)行調(diào)整；輸出層由植被類型1（夾竹桃）、2（柳杉）、3（蘆葦）、4（香樟）、5（重陽(yáng)木）組成。

在因子分析的基礎(chǔ)上，將提取的因子變量作為輸入層導(dǎo)入Clementine數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)中并讀取數(shù)據(jù)；將5類植被類型（1，夾竹桃；2，柳杉；3，蘆葦；4，香樟；5，重陽(yáng)木）作為輸出層；為了確保分類的準(zhǔn)確性將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)處理，50%用于訓(xùn)練模型，50%用于模型驗(yàn)證，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。采用動(dòng)態(tài)方法進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練，為了使分類訓(xùn)練達(dá)到最優(yōu)模式，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行多次試驗(yàn)。為保證模型的精確再現(xiàn)性，設(shè)置隨機(jī)種子為1。選用Accuracy（99.8%）作為訓(xùn)練停止標(biāo)志，以保證每次訓(xùn)練模型網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最佳狀態(tài)。選取67條光譜作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，30條光譜作為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

2結(jié)果與分析

2.1典型植被光譜濾波分析

利用S Golay濾波方法對(duì)原始的高光譜曲線進(jìn)行去噪處理，植被光譜反射率濾波前后的變化見(jiàn)圖2。S-G濾波結(jié)果表明，在750～1 000 nm之間存在的較大噪聲被有效地平滑了，基本保留了其真實(shí)光譜特征。

2.2典型植被高光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)數(shù)變換

對(duì)香樟光譜做一階微分、二階微分變換，得到剔除水汽波段的光譜微分曲線（圖3），植被光譜特征變化被很清晰地展示出來(lái)。植被一階微分光譜中，在520、570 nm附近出現(xiàn)明顯的波峰、波谷；在680～750 nm范圍內(nèi)出現(xiàn)極為明顯的峰值，最大值達(dá)到0.007（圖3-a）。植被二階微分光譜中，在 510 nm 附近出現(xiàn)第1個(gè)明顯峰值，在690 nm附近值最大（圖3-b）。

2.3典型植被光譜反射率分析

湖濱帶5種典型植被高光譜特征見(jiàn)圖4，其光譜曲線反映不同植被獨(dú)特的生理特性：在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)（380～760 nm），各種色素支配著植物的光譜響應(yīng)，其中葉綠素所起的作用最重要[21]；在中心波長(zhǎng)450 nm（藍(lán)色）、650 nm（紅色）的2個(gè)譜帶內(nèi)，葉綠素吸收大部分入射能量，導(dǎo)致該段光譜反射率較低；在540 nm（綠色）附近植被吸收作用較小，該處光譜曲線形成1個(gè)反射峰；在可見(jiàn)光波段和近紅外波段之間760 nm附近光譜反射率急劇上升，從而形成了植被光譜最顯著的特征，稱為“紅邊”現(xiàn)象；在光譜中紅外波段，植被光譜曲線受到體內(nèi)水分含量影響，于1 650、2 000 nm附近形成反射峰（圖4）。

在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，水體反射光譜特征主要受到水體表面、水體懸浮物、水底部物質(zhì)和水體葉綠素濃度的影響[22]。在近紅外與中紅外波段范圍內(nèi)，水體幾乎能夠完全吸收入射的電磁波能量，使光譜反射率接近零。瀝青路的光譜反射特征主要受石子尺寸、瀝青及混合比例的影響[23]，瀝青路光譜反射率始終低于0.1，基本不隨著波長(zhǎng)變化而波動(dòng)。土壤是種復(fù)雜的混合物，由物理、化學(xué)性質(zhì)不同的各種物質(zhì)組成，這些物質(zhì)將影響土壤光譜反射特征。有關(guān)研究表明，土壤光譜特征主要受到土壤礦物、有機(jī)質(zhì)、含水量和質(zhì)地的影響[24]。此外，裸土的光譜反射率與波長(zhǎng)呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，而這與土壤中的水分、有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。[FL）]

對(duì)濱岸帶5類典型植被光譜進(jìn)行因子分析表明，旋轉(zhuǎn)后3類因子累積貢獻(xiàn)度，植被原始反射率光譜11個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)度已經(jīng)達(dá)到99%，植被500～1 000 nm光譜一階微分7個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)度達(dá)到93%，植被500～800 nm光譜二階微分10個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)度達(dá)到86%。該3類數(shù)據(jù)處理方法所得公共因子均能有效描述植被信息。

[HTK]2.5典型植被神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類分析

2.5.1不同光譜特征的分類方法結(jié)果分析采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分別對(duì)以上3類光譜處理方法提取的公共因子和23種植被指數(shù)進(jìn)行分類。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種光譜處理法、植被指數(shù)法對(duì)于湖濱帶典型植被分類效果并不一致（表3）。采用植被光譜原始反射率并不能對(duì)5類植被進(jìn)行準(zhǔn)確分類，5類均出現(xiàn)了錯(cuò)分現(xiàn)象。對(duì)典型植被原始光譜所得公共因子進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類訓(xùn)練，結(jié)果表明，訓(xùn)練精度達(dá)到99.8%，利用預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行模型驗(yàn)證，驗(yàn)證分類精度為70%。原始反射率光譜用于柳杉、蘆葦、香樟三者間的分類出現(xiàn)較大偏差。值得注意的是，通過(guò)光譜曲線分布可以清晰地發(fā)現(xiàn)柳杉光譜反射率曲線整體低于蘆葦、香樟；蘆葦光譜反射率曲線分布范圍與香樟相似，且最大反射率曲線均大于柳杉最大者，并且最小反射率曲線均小于柳杉最小者，三者原始光譜可分性不強(qiáng)。

對(duì)23種植被指數(shù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類訓(xùn)練，結(jié)果表明，訓(xùn)練精度達(dá)到99.9%，利用預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行模型驗(yàn)證，結(jié)果表明[CM（25]，驗(yàn)證精度達(dá)到83.33%。23種植被指數(shù)只能將夾竹桃正

光譜一階微分法對(duì)夾竹桃、蘆葦能有效區(qū)分，準(zhǔn)確度達(dá)到100%；柳杉、香樟、重陽(yáng)木間出現(xiàn)錯(cuò)分現(xiàn)象。對(duì)典型植被光譜二階微分法所得公共因子進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類訓(xùn)練，訓(xùn)練精度達(dá)到99.8%，利用預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行模型驗(yàn)證，驗(yàn)證精度達(dá)到93.3%。光譜二階微分法對(duì)于夾竹桃、柳杉、蘆葦三種植被間能有效的區(qū)分，沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)分現(xiàn)象；香樟與重陽(yáng)木間出現(xiàn)錯(cuò)分現(xiàn)象。

2.5.2不同光譜特征的植被類型分類結(jié)果比較5類典型植被分類結(jié)果中，對(duì)于夾竹桃的分類預(yù)測(cè)，除了利用原始光譜反射率，植被指數(shù)、一階微分、二階微分均能100%正確地進(jìn)行分類。對(duì)于柳杉的分類預(yù)測(cè)，只有二階微分能實(shí)現(xiàn)100%的精度分類。對(duì)于蘆葦?shù)姆诸愵A(yù)測(cè)，一階微分、二階微分能實(shí)現(xiàn)100%精度的分類。對(duì)于香樟的分類預(yù)測(cè)，只有原始光譜反射率實(shí)現(xiàn)了100%精度的分類。對(duì)于重陽(yáng)木的分類預(yù)測(cè)，4類處理方法得出的分類精度均為87.5%，都未實(shí)現(xiàn)100%分類精度。4類研究方法對(duì)于夾竹桃的分類效果最好，對(duì)柳杉的分類效果最差。

光譜二階微分法植被分類Kappa系數(shù)達(dá)到0.92；原始光譜分類Kappa系數(shù)0.62。綜合分析可知，二階微分法對(duì)于5類典型植被的分類效果最好，原始光譜反射率的分類效果最差。

3結(jié)論

基于實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)對(duì)太湖湖濱帶典型植被開(kāi)展遙感分類研究，不僅能有效地克服傳統(tǒng)遙感影像基于像元分類帶來(lái)的“同譜異物”“同物異譜”現(xiàn)象，而且能夠精確地區(qū)分不同地物類型，描繪出地區(qū)植被分布狀況，為精確地分析與評(píng)價(jià)湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。研究結(jié)果表明：（1）采集的湖濱帶5種典型植被中，通過(guò)S Golay濾波方法，較好地平滑了光譜中的噪聲，保留了其真實(shí)光譜特征；（2）在利用原始反射率、植被指數(shù)、一階光譜微分和二階光譜微分的4種分類組合中，二階微分?jǐn)?shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類精度最高，原始分辨率分類精度最低；（3）在不同植被類型的分類中，4類研究組合的預(yù)測(cè)分類結(jié)果略有差異，其中對(duì)夾竹桃的分類效果最好，對(duì)柳杉的分類效果最差。

盡管本研究對(duì)太湖湖濱帶典型植被分類開(kāi)展了較為詳細(xì)的研究，但以下幾個(gè)方面還需要在后續(xù)研究中進(jìn)一步探討：（1）本研究中的喬木冠層光譜采樣是否規(guī)范，是否最真實(shí)地反映植被光譜；（2）湖濱帶5種典型植被的分類所采用的數(shù)據(jù)處理模式是否具有較好的普適性，是否適用于其他地區(qū)。

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