楊紅艷 杜健民 王 圓 張燕斌 張錫鵬 康擁朝

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院， 呼和浩特 010018； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院， 呼和浩特 010051)

0 引言

草原是重要的地球生態(tài)系統(tǒng)，在全球氣候變化和全球生態(tài)平衡中起著關(guān)鍵作用[1]。草原退化導(dǎo)致土地退化、沙化，沙塵暴等自然災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)平衡[2]。草原退化的一個顯著特征是優(yōu)勢物種的改變，即在群落中可食、多年生的物種比例減少，不可食、一年生的物種比例增加[3]。研究表明，某些物種對草原退化具有重要的指示意義。例如，中國內(nèi)蒙古東部典型草原的主要類型為針茅草原、克氏針茅草原和羊草草原，在過度放牧下出現(xiàn)不同程度的退化，最終趨向于以冷蒿為主的草原。中國內(nèi)蒙古西部荒漠草原的主要類型為針茅草原和短花針茅草原，在過度放牧和干旱的共同作用下，冷蒿和無芒隱子成為群落中的優(yōu)勢物種。在退化程度更高的地區(qū)，豬毛菜和櫛葉蒿等一年生物種逐漸在群落中占據(jù)優(yōu)勢[3-5]。雖然經(jīng)過幾十年的生態(tài)治理，草原生態(tài)環(huán)境已得到一定改善，但草原生態(tài)恢復(fù)仍任重道遠(yuǎn)。在草原退化程度加劇之前通過指示物種的監(jiān)測發(fā)出預(yù)警，為草原生態(tài)環(huán)境管理提供動態(tài)和定量的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有重要意義。

遙感方法適用于大面積動態(tài)監(jiān)測。多光譜遙感技術(shù)已實現(xiàn)草原植被群落水平的分類[6]，然而，群落水平的分類只能反映草原退化的現(xiàn)狀，不能反映與退化程度密切相關(guān)的物種構(gòu)成，因而難以對草原生態(tài)的進(jìn)一步惡化發(fā)出預(yù)警。高光譜遙感的光譜分辨率達(dá)1～10 nm，許多在多光譜遙感中無法探測的物質(zhì)，在高光譜遙感中能被探測到，并能對相似地物利用連續(xù)的光譜數(shù)據(jù)尋找光譜差異進(jìn)行區(qū)分。利用高光譜遙感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測和生化參數(shù)估算已取得一定研究成果[7-9]，但由于衛(wèi)星遙感空間分辨率的限制和草原物種結(jié)構(gòu)低矮、細(xì)小和混雜生長的特性，使衛(wèi)星高光譜遙感在草原監(jiān)測方面難以實現(xiàn)物種水平的分類。

無人機遙感技術(shù)具有時間、空間分辨率高的優(yōu)點，與高光譜遙感技術(shù)結(jié)合，克服了衛(wèi)星高光譜遙感的缺點，在精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境研究等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[10-15]。如CAO等[16]采用多旋翼無人機搭載高光譜成像傳感器獲取遙感圖像，鑒別了紅樹林物種。在草原監(jiān)測方面，SCHMIDT等[17]實現(xiàn)了利用無人機高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測草原矮化灌木的分布。LU等[18]使用多旋翼無人機搭載數(shù)碼相機，獲得加拿大安大略南部科夫勒科學(xué)保護(hù)區(qū)的厘米級空間分辨率的遙感圖像，識別出影響北美帝王蝶數(shù)量的乳草屬植物。然而，對于草原優(yōu)勢物種、建群物種等物種水平的遙感監(jiān)測，還未見報道。

高光譜成像的復(fù)雜過程導(dǎo)致數(shù)據(jù)非線性，使高光譜遙感圖像分類仍較困難。深度學(xué)習(xí)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自主學(xué)習(xí)能力，善于處理復(fù)雜的多維非線性問題，能夠自動分層次地提取特征，在圖像分類中表現(xiàn)出更高有效性和更強魯棒性。在遙感圖像分類領(lǐng)域，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也顯示出巨大潛力[19-20]。KUSSUL等[21]利用Landsat-8和Sentinel-1A衛(wèi)星遙感圖像對異質(zhì)環(huán)境中的農(nóng)作物(小麥、玉米、向日葵、大豆和甜菜)進(jìn)行分類，通過對比卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、全連接的多層感知器和隨機森林分類方法，發(fā)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類精度最高，作物的分類精度均超過85%。CHEN等[22]利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了在不同高光譜數(shù)據(jù)集(Indian Pines data set、University of Pavia data set和KSC data set)的地物分類，證實卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在高光譜圖像領(lǐng)域的普遍適用性。

根據(jù)荒漠草原物種水平分類的需求，本文運用無人機高光譜遙感技術(shù)，采集荒漠草原植被高光譜圖像，建立一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的荒漠草原物種水平遙感分類的計算方法，以期實現(xiàn)荒漠草原重要生態(tài)物種分類，確定各物種的最佳識別物候期，為荒漠草原的退化監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學(xué)院四子王旗基地(41°46′43.6″N，111°53′41.7″E)開展，如圖1所示。基地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗中南部的格根塔拉草原，該地區(qū)屬于典型的中溫帶大陸性氣候，年平均降水量280 mm，其中5—9月(植被生長季)的降水量約占年總降水量的80%以上。年平均溫度3.4℃，其中6—8月平均氣溫最高[23]。格根塔拉草原屬于荒漠草原，植被低矮、稀疏，平均高度為8 cm，覆蓋率僅為12%～25%，主要由20多種植物組成。建群種為短花針茅，優(yōu)勢種為冷蒿和無芒隱子草，伴生種包括豬毛菜、櫛葉蒿、銀灰旋花、阿爾泰狗娃花、羊草等[24]。

圖1 研究區(qū)衛(wèi)星圖像Fig.1 Google satellite image of study site

1.2 無人機高光譜遙感圖像采集系統(tǒng)

使用深圳大疆技術(shù)有限公司的Matrice 600Pro型六旋翼無人機。該機的最大有效載荷為6 kg，滿載時的飛行持續(xù)時間為16 min。采用專業(yè)級A3Pro飛行控制系統(tǒng)，配有3套慣性測量單元和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)模塊，用于精確定位和飛行姿態(tài)調(diào)整。使用成都四川雙利合譜技術(shù)有限公司的GaiaSky-mini型高光譜成像儀，其光譜波長范圍為400～1 000 nm，有256個光譜通道，光譜分辨率為3.5 nm。鏡頭焦距為17 mm，橫向視場角為29.6°，空間維圖像為696像素×700像素。光譜儀質(zhì)量1.3 kg，用于控制飛行中圖像采集和存儲的采集控制器質(zhì)量0.65 kg。無人機和高光譜成像儀如圖2所示。

圖2 無人機和高光譜遙感圖像采集系統(tǒng)Fig.2 UAV and hyperspectral imaging system

1.3 無人機遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及野外調(diào)查

短花針茅是中國荒漠草原的主要牧草，在蒙古和俄羅斯也有少量分布。冷蒿是一種耐牧、抗旱的牧草，具有北溫帶草原種的特性，在中國典型草原和荒漠草原均有分布，在退化的荒漠草原上成為優(yōu)勢物種[25]。短花針茅和冷蒿在群落中數(shù)量的增減對于判斷荒漠草原退化程度具有重要意義。由于過度放牧和干旱的作用，近幾年豬毛菜的數(shù)量在格根塔拉荒漠草原有明顯增多的趨勢，對荒漠草原退化進(jìn)程的判斷具有一定的指導(dǎo)意義。因此，本研究選擇格根塔拉荒漠草原的建群種短花針茅、優(yōu)勢種冷蒿和伴生種豬毛菜作為研究對象。研究區(qū)(圖1中黑色框區(qū)域)占地面積4.61 hm2，從2002年開始禁牧。在研究區(qū)內(nèi),設(shè)置150個樣方，按10 m間隔等距分布，共15行10列。單個樣方面積1 m×1 m。選擇短花針茅樣方45個，冷蒿樣方45個，豬毛菜樣方45個作為數(shù)據(jù)采集對象。樣方的類別由樣方內(nèi)大于草總量90%的草的類別來確定，樣方內(nèi)其余10%的草為混雜生長的其他牧草。

無人機高光譜數(shù)據(jù)采集于研究對象的開花期(2017年6月17—24日)、結(jié)實期(2017年7月17—24日)和黃枯期(2017年9月17—24日)，2017年8月，由于當(dāng)?shù)乜沼蛳拗?，無法進(jìn)行采集。無人機高光譜成像系統(tǒng)采用無人機懸停、光譜儀內(nèi)置推掃采集圖像的工作方式。無人機飛行高度30 m，圖像空間分辨率約2.3 cm。選擇無風(fēng)或風(fēng)力小于2級，晴朗無云或云量小于2的氣象條件，在10：00—14:00之間飛行采集數(shù)據(jù)。無人機每個架次飛行前后均進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)參考白板校正。

野外地面調(diào)查包括樣方植被組成、植被覆蓋度和植被冠層圖像采集。試驗的前一年(2016年)降水充足，主要集中在6月和7月，6月的日最大降水量達(dá)到38 mm。整個植被生長季的累積降水量達(dá)到332.9 mm，高于多年平均降水量(280 mm)，屬于豐水年，植被生長狀況非常好，特別是6月的降水使得豬毛菜的生長非常旺盛。試驗?zāi)?2017年)降水量較少，主要集中在8月和9月，日最大降水量為13.6 mm。整個植被生長季累積降水量僅為153 mm，低于多年平均降水量(280 mm)，屬于干旱年[23]。野外調(diào)查和無人機高光譜數(shù)據(jù)采集同時開展，野外調(diào)查樣方類別作為無人機采集圖像物種分類結(jié)果驗證的真值。

1.4 無人機采集圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先通過人工目視檢查圖像質(zhì)量，去除因陣風(fēng)引起的變形圖像；其次使用SpecView軟件進(jìn)行圖像輻射校正，消除數(shù)據(jù)獲取和傳輸過程產(chǎn)生的輻射失真或畸變，得到地物真實的反射率數(shù)據(jù)；最后采用線性平滑高斯濾波法進(jìn)行圖像降噪。

2 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的荒漠草原物種分類

2.1 荒漠草原物種特征波段選擇

高光譜數(shù)據(jù)有上百個波段，波段間距窄，提供了豐富的地物光譜信息。但波段越多，波段間的相關(guān)性就越大，數(shù)據(jù)的冗余度也越大，同時也帶來了海量數(shù)據(jù)存儲和處理的技術(shù)難題[26]。特征波段選擇用于從原始波段中提取能夠有效代表地物特征、信息量大、相關(guān)性小且地物可分離性大的波段子集，本文通過分步法來尋找滿足上述要求的波段組合。

因高光譜相鄰波段間相關(guān)性大，距離遠(yuǎn)的波段間相關(guān)性小，但距離遠(yuǎn)的波段組合，其信息量可能并不大。為避免此類情況，首先將所有波段按其相關(guān)性分為6個相關(guān)性較弱的子集，在各子集內(nèi)尋找特征波段(如反射率光譜曲線的極值點、拐點等)即信息量大的波段作為子集的代表波段。在選出的6個代表波段中，以任意3個波段為1組，計算20組波段組合的最佳指數(shù)因子(Optimal index factor, OIF)。將20組波段組合分別合成假彩色圖像，用Jeffreys Matusita(JM)距離計算各類地物(短花針茅、冷蒿、豬毛菜、裸土、樣方框)的可分性，最后選擇OIF值最大且JM值大于等于1.8、相關(guān)系數(shù)小于等于0.3的一組波段作為最佳特征波段組合。

最佳指數(shù)因子的原理是：波段間相關(guān)性越小，波段的標(biāo)準(zhǔn)差越大，波段組合的信息量就越大。OIF計算公式為[27-28]

(1)

式中O——最佳指數(shù)因子

Si——第i個波段的標(biāo)準(zhǔn)差

Rij——第i波段和第j波段的相關(guān)系數(shù)

n——在所有波段中要選取的波段數(shù)

OIF值越大，所選擇波段的結(jié)果越優(yōu)。JM距離是基于條件概率理論的光譜可分性指標(biāo),其計算公式為[29]

(2)

式中J——JM距離X——像元

ωi、ωj——類別號

p(X/ωi)、p(X/ωj)——類條件概率密度，即第i、j個像元屬于第ωi、ωj個類別的幾率

JM值在0～2之間,其值越大代表像元的可分性越大[30]。

分步法特征波段選擇的流程如圖3所示。

圖3 分步法特征波段選擇流程圖Fig.3 Flow chart of feature bands selection by step-by-step method

2.2 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類

基于無人機平臺的低空高光譜圖像采集方法，使得到的高光譜圖像的空間分辨率增高，細(xì)小地物構(gòu)成的組合圖案的紋理結(jié)構(gòu)增強。經(jīng)特征波段合成的假彩色圖像的色彩差別增強。紋理結(jié)構(gòu)和色彩差別的增強使得從航空影像上對荒漠草原物種分類成為可能。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過模仿人類視覺逐層認(rèn)知物體的方式，很適合圖像分類。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由卷積層、池化層和全連接層組成。卷積層與池化層配合，組成多個卷積組，逐層提取圖像特征。網(wǎng)絡(luò)底層識別圖像邊緣，上層識別特定形狀，再高層識別特征[31]。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過卷積的權(quán)值共享及池化降低網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的數(shù)量，使需要訓(xùn)練的參數(shù)數(shù)量大大減少，在缺乏大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的高光譜圖像領(lǐng)域中具有極大優(yōu)勢[22]。

隨機生成卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的初始參數(shù)，使用梯度下降法使損失函數(shù)(交叉熵代價函數(shù))最小化來逐層反向調(diào)節(jié)所有參數(shù)，通過多次迭代不斷提高模型的精度，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到的特征結(jié)合Softmax回歸分類器實現(xiàn)圖像分類。輸入圖像為特征波段選擇后的3波段100像素×100像素的像元鄰域，經(jīng)過4層卷積和4層池化后，輸入圖像變?yōu)?28維的矢量輸入全連接層，經(jīng)2層全連接層后輸出，輸出為樣本的類別標(biāo)簽。訓(xùn)練過程中，使用小批量反向傳播方法，每一批樣本數(shù)為10，學(xué)習(xí)速率設(shè)為0.001，迭代次數(shù)為30，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如表1所示，表中C表示卷積層，P表示池化層，F(xiàn)表示全連接層。

表1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Tab.1 CNN structure

由于多層卷積和池化能夠提取對多種變形具有高度不變性的非線性特征，故可以通過對原始圖像的拉伸、旋轉(zhuǎn)來增加樣本數(shù)量。本文100像素×100像素×3原始假彩色圖像405個，其中測試集180個，其余圖像通過拉伸、旋轉(zhuǎn)增加至864個作為訓(xùn)練集和驗證集，訓(xùn)練集、驗證集樣本數(shù)之比為4∶1。

3 分類結(jié)果與討論

3.1 分類結(jié)果

采用分步法得到的特征波段如表2所示。

基于無人機高光譜遙感技術(shù)與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的

表2 荒漠草原物種光譜特征波段選擇結(jié)果Tab.2 Bands selection results for desert grassland species

荒漠草原物種分類結(jié)果如表3所示。將野外調(diào)查樣方的實測類別作為分類真實值，對采用上述特征波段選擇與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法分類結(jié)果進(jìn)行精度評價，不同物候期的整體分類準(zhǔn)確率平均值為94%，Kappa系數(shù)平均值為0.91。

表3 基于特征波段與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類的混淆矩陣Tab.3 Confusion matrix based on feature bands and CNN classification

草原不同植物物種有著各自不同的生、繁、衰、枯的物候節(jié)律，在其光譜和圖像上也有體現(xiàn)，結(jié)合光譜和物候特征，可提高相似物種的分類精度[32]。從物候角度來看，影響分類結(jié)果的因素如下：

(1)開花期指短花針茅處于開花期，此時冷蒿處于營養(yǎng)期，豬毛菜處于萌芽期。短花針茅圓錐花序狹窄，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從遙感圖像上很難捕捉到此特征，可能是這一時期冷蒿和短花針茅圖像相近的原因。一年生物種豬毛菜受降雨影響大，此時豬毛菜以枯枝(2016年生長的豬毛菜植株枯萎后的枯枝)為主，其反射率光譜、圖像紋理和色彩與短花針茅、冷蒿區(qū)別大，容易區(qū)分。圖4為不同物候期物種的特征波段合成的假彩色圖像，圖中開花期的紅色代表綠色植被，白色代表豬毛菜枯枝。

(2)結(jié)實期指短花針茅處于結(jié)實期，此時冷蒿、豬毛菜處于營養(yǎng)期。隨著氣溫升高及幾次降雨，各牧草生長迅速,覆蓋度增大。豬毛菜對水分供應(yīng)高度敏感且對水資源利用效率高而生長最迅速，植株高度和地面覆蓋度都超過了短花針茅和冷蒿。在紋理上形成大片叢生密集的形態(tài)結(jié)構(gòu)；在色彩上和短花針茅、冷蒿有了明顯區(qū)別。此時，冷蒿和豬毛菜相比，植株小且呈半匍匐狀形態(tài)，從圖4中可以看到，冷蒿的紋理為均勻分布的小顆粒狀。圖4中結(jié)實期的紅色代表綠色植被，綠色代表裸土。

(3)黃枯期指短花針茅處于黃枯期,此時冷蒿處于結(jié)實期，豬毛菜處于黃枯期。此時豬毛菜莖稈的紫紅色條紋愈加顯著，與其它兩種植被有明顯的差異；短花針茅葉片逐漸開始枯黃；冷蒿的衰退最晚，從圖像上看與上一時期相差不大。圖4中黃枯期的紫色代表綠色植被。

圖4 特征波段合成的假彩色圖像Fig.4 False color images synthesized by feature bands

本研究中，豬毛菜在開花期、結(jié)實期的分類精度均較高，結(jié)實期的豬毛菜生長旺盛，是分類的最好時期；冷蒿在結(jié)實期的分類精度較高，此時冷蒿釋放的強烈揮發(fā)性氣味導(dǎo)致家畜不喜采食[33-34]，因而是獲得冷蒿分布的最佳時期；短花針茅在黃枯期的分類精度較高，此時適于遙感監(jiān)測其分布。

3.2 討論

圖5 短花針茅、冷蒿、豬毛菜在4層卷積、池化后的權(quán)重可視化Fig.5 Visualization of weights after four convolution and pooling layers

由表3分類結(jié)果可知，本文提出的基于特征波段的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的分類精度較高。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類精度高的原因有以下幾方面。

對于高光譜數(shù)據(jù)的非線性，通過在每個卷積層后連接非線性激活函數(shù)ReLU來增加網(wǎng)絡(luò)的非線性能力，從而較好地擬合非線性過程。此外，ReLU函數(shù)在一定程度上能夠防止梯度消失，函數(shù)的單側(cè)抑制性使得卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元具有了稀疏激活性[35]。

由于高光譜圖像難以獲得大量訓(xùn)練樣本，常常在訓(xùn)練樣本上能得到很好的分類結(jié)果，但在測試樣本上的分類結(jié)果卻不好，也即出現(xiàn)了過擬合。本研究通過在網(wǎng)絡(luò)最后幾層全連接層的損失函數(shù)后增加L2正則化項，使權(quán)重衰減來避免過擬合。此外，Dropout策略也被用來防止過擬合，即在模型訓(xùn)練過程中設(shè)置一定比例的隱藏層節(jié)點，使其暫時不參與訓(xùn)練[36]。

高光譜圖像數(shù)據(jù)特征的提取與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重密切相關(guān)，通過可視化可以觀察權(quán)重在特征提取中如何起作用，圖5為開花期荒漠草原物種的遙感圖像經(jīng)過4層卷積、池化的一個特征圖權(quán)重的變化。圖中顏色越淺，表明該點權(quán)重利用率越高。初始權(quán)重看起來雜亂無序，學(xué)習(xí)后的權(quán)重開始出現(xiàn)連續(xù)性和相關(guān)性。經(jīng)過卷積后的圖像對原圖像有特征增強和降低噪聲的效果；池化層利用圖像的局部相關(guān)性，在保留有用信息的同時，使原圖像的長和寬減半，減小數(shù)據(jù)量。

為進(jìn)一步探索本文提出方法的適用性，比較了3種分類方法：基于主成分分析的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PCA_CNN)、基于徑向基核函數(shù)的支持向量機(SVM)、本文提出的基于特征波段選擇的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BS_CNN)。在PCA_CNN中提取前3個主成分，合成3波段假彩色圖像作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。在SVM中，參數(shù)C和γ采用網(wǎng)格搜索在C為1×103、5×103、1×104、5×104、1×105和γ為0.000 1、0.000 5、0.001、0.005、0.01、0.1的范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選。3種方法的分類精度對比如圖6所示。

圖6 3種分類方法的分類精度比較Fig.6 Classification accuracy comparison of three classification methods

由圖6可知，基于特征波段選擇的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類在總體分類精度、平均分類精度和Kappa系數(shù)3種評價方式下均得到最好結(jié)果。以開花期為例，BS_CNN比SVM的總體分類精度、平均分類精度和Kappa系數(shù)分別提高了9.73、9.48、14.55個百分點，比PCA_CNN的總體分類精度、平均分類精度和Kappa系數(shù)分別提高了10、10、15個百分點。

分析3種分類方法，SVM處理小規(guī)模樣本效果較好，在處理如高光譜圖像的大規(guī)模高維數(shù)據(jù)時，效果稍差。對非線性問題，核函數(shù)的選擇更困難。使用CNN的兩種方法中，PCA_CNN通過多維正交線性變換，將主要信息集中在前幾個波段上。雖然保留了數(shù)據(jù)的主要信息，但保留的不一定是利于物體分類的特征。BS_CNN是根據(jù)分類對象的可分離性和波段的相關(guān)性選擇的波段，因而保證了所選波段信息量大且利于物體分類，使其分類精度較高。

本文提出的基于特征波段選擇的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法，適用于大樣本、高維、非線性數(shù)據(jù)的特征提取，應(yīng)用于無人機高光譜低空遙感獲得的高空間分辨率和高光譜分辨率的數(shù)據(jù)，能夠?qū)Σ菰瓋?yōu)勢物種、伴生種(具有一定的聚集數(shù)量)進(jìn)行分類識別，結(jié)合植物物種的物候，將有效提高其分類精度。草原物種分類的實現(xiàn)，為草原物種覆蓋度的估算提供了必要的基礎(chǔ)。在草原生態(tài)進(jìn)一步惡化前，根據(jù)毒雜草，一、兩年生適口性差的牧草的增加量及適口性好的優(yōu)良牧草的減少量，對退化程度做出正確判斷，及時采取有效措施，調(diào)整草原畜牧經(jīng)營模式，并為草原生態(tài)恢復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

(1)使用無人機搭載高光譜成像儀低空飛行采集圖像的手段，獲得了光譜、空間、時間分辨率均較高的遙感圖像，利用高光譜特征提取和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實現(xiàn)了對內(nèi)蒙古自治區(qū)格根塔拉荒漠草原退化指示物種的分類。

(2)充分利用植被的物候信息，有助于提高物種分類精度，尤其對于易混淆物種的區(qū)分。

(3)對比了BS_CNN、PCA_CNN和SVM 3種分類方法，其中BS_CNN分類精度最高。使用BS_CNN分類法，短花針茅在黃枯期分類精度最高，生產(chǎn)者精度95%，用戶精度100%；冷蒿在結(jié)實期分類精度最高，生產(chǎn)者精度100%，用戶精度95%；豬毛菜在結(jié)實期分類精度最高，生產(chǎn)者精度95%，用戶精度100%。

(4)高光譜特征波段選取了3個波段。波段選擇并不唯一，是在限定條件下的最優(yōu)化。當(dāng)采用更多波段作為特征時，可能會提高精度。但波段增加，波段間的相關(guān)性和運算復(fù)雜性將增大，最適宜的波段個數(shù)需要在進(jìn)一步的研究中分析確定。