基于GEE与随机森林的象山港互花米草动态监测.pdf
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1、No.3FORESTRESOURCESMANACEMENT第3期June20232023年6 月林业资源管理基于GEE与随机森林的象山港互花米草动态监测梁立成,傅晓强,张滨,程谷枸,李佐晖(1.浙江省林业勘测规划设计有限公司,杭州31 0 0 2 0;2.浙江省森林资源监测中心,杭州31 0 0 2 0)摘要:互花米草的大量入侵已危害到我国沿海海滨的生态安全,研究快捷、准确的互花米草识别算法,对于实现区域内互花米草动态监测尤为重要。利用谷歌地球引擎平台,以象山港为研究区,将1 51 个互花米草和1 40 个非互花米草的图斑作为训练数据集,从Sentinel-2遥感影像信息中提取NDVI,EVI
2、,ND WI 和BSI指数,将这些指数叠加到遥感影像数据中,利用支持向量机和随机森林等机器学习方法进行识别分类。通过对2 0 1 7 一2 0 2 2 年Sentinel-2遥感影像进行逐年识别分类,实现研究区内的互花米草动态监测。研究结果表明:相比支持向量机算法,随机森林算法对互花米草具有较高的识别精度,2 0 2 2 年的识别总体精度达到9 9.0 3%,Kappa系数0.9 7 8 7;同时,自2 0 1 7 年以来,象山港的互花米草面积逐渐减少,说明这期间采取的人为干预措施非常有效。象山港互花米草的动态监测和现状分析为互花米草的治理提供了定量的科学数据,对制定相关的防治措施具有重要的参
3、考价值。关键词:互花米草;GoogleEarthEngine;支持向量机;随机森林;遥感影像中图分类号:S45文献标识码:A文章编号:1 0 0 2-6 6 2 2(2 0 2 3)0 3-0 0 38-0 8D0I:10.13466/ki.lyzygl.2023.03.006Dynamic Monitoring of Spartina alterniflora in XiangshanHarbor Based on GEE and Random ForestLIANG Licheng,FU Xiaoqiang,ZHANG Bin,CHENG Guxun,LI Zuohui?(1.Zhejia
4、ng Forestry Survey Planning and Design Co.,Lid,Hangzhou 310020,China;2.Zhejiang Provincial Forest Resources MonitoringCenter,Hangzhou310020,China)Abstract:The large-scale invasion of Spartina alterniflora has endangered the ecological security ofChinas coastal area.Therefore,studying a fast and accu
5、rate algorithm for identifying Spartina alterniflorais particularly important for achieving dynamic monitoring within the region.Taking Xiangshan harbor as aresearch zone in this study,151 Spartina alterniflora and 140 non-Spartina alterniflora land patches wereused as the training data set on the G
6、EE platform.The index of NDVI,EVI,NDWI and BSI were extractedfrom the Sentinel-2 remote sensing image band information,and these indices were added to the remotesensing image data.Machine learning methods such as Support Vector Machines and Random Forests wereused for identification and classificati
7、on.By identifying and classifying Sentinel-2 remote sensing imagesfrom 2017 to 2022,dynamic monitoring of Spartina alterniflora within the study area was achieved.Theresearch results showed that compared with SVM,the RF method had higher recognition accuracy for收稿日期:2 0 2 3-0 3-1 2;修回日期:2 0 2 3-0 51
8、 3作者简介:梁立成(1 9 9 2-),男,浙江杭州人,工程师,主要从事湿地资源监测工作。Email:49 2 9 1 9 41 3 q q.c o m通讯作者:李佐晖(1 9 8 3),男,浙江杭州人,高级工程师,主要从事林业调查规划设计工作。Email:675309800 39梁立成等:基于CEE与随机森林的象山港互花米草动态监测第3期identifying Spartina alterniflora,and the overall recognition accuracy in 2022 reached 99.03%with aKappa coefficient of 0.978 7.
9、At the same time,the experimental results showed that the area of Spartinaalterniflora in Xiangshan harbor has gradually decreased since 2017,indicating that the artificialintervention measures taken during this period were very effective.The dynamic monitoring and statusanalysis of Spartina alterni
10、flora in Xiangshan harbor provided quantitative scientific data for themanagement of Spartina alterniflora,and have important reference value for formulating relevantprevention and control measures.Key words:Spartina alterniflora;Google Earth Engine;support vector machines;random forests;remotesensi
11、ng image互花米草(Spartinaalterniflora)的人侵对滨海湿地生物多样性和原始生境系统造成了巨大的危害,已成为国内外海滨生态环境研究的热点问题。互花米草具有耐盐、耐淹、耐淤埋、繁殖能力强等特点,最早于1 9 7 9 年从美国东海岸引人到我国 2 。目前,在我国东部沿海和内陆湿地等都有广泛分布,对本土植被构成了威胁,严重挤压本土其他植物的生存空间,已造成严重的生态问题。2003年,互花米草已被原国家环境保护总局和中国科学院列为中国第一批外来人侵物种名单 3。其中,浙江象山港是国内受到互花米草人侵和破坏较为严重的地区之一,该物种的人侵不仅造成港口河道阻塞导致海运不畅,还给近海
12、养殖带来了诸多问题。早在2 0 1 4年象山港就有1200hm滩涂被互花米草侵占,不仅严重破坏了当地近海生物栖息环境,还严重影响到当地渔民的养殖业,因其疯长而堵塞航道,影响海水交换,已在沿海地区酿成了一场生态灾难 4。因此,象山港互花米草的入侵问题呕需人为积极干预,对其进行管理控制,以修复当地受到严重威胁的生境系统。为更好地了解互花米草的入侵情况,国内外研究人员开展了基于遥感影像的互花米草识别分类与监测研究。陶艳成等 5 利用高分1 号遥感影像对广西2 0 1 6 年互花米草的分布与扩散状况进行监测;费鲜芸等 6 利用高分1 号遥感影像对临洪河口湿地进行了地物分类;郑浩等 7 基于谷歌地球引擎
13、(G o o g l e Ea r t h En g i n e,G EE)平台采用基于像元的随机森林方法,从Sentinel-2遥感影像中提取互花米草的空间分布;刘瑞清等 8 基于Sentinel-2遥感时间序列植被物候特征,用随机森林方法对盐城滨海湿地植被进行分类;李京等 9 提出面向对象-支持向量机方法提取互花米草。但是,以上研究都未能提出一种快速、准确的方法对互花米草的空间分布情况进行监测。相关资料表明,2 0 1 4年象山港的互花米草人侵已经相当严重 4,尽管当地政府和渔民也采取了一些治理措施,但目前暂未查阅到与该区域相关的互花米草数据动态监测研究和定量分析成果。本研究以象山港为例,
14、利用随机森林算法,通过对2 0 1 7 2 0 2 2 年间6 期Sentinel-2遥感影像的互花米草进行自动识别,绘制互花米草的空间分布图,统计各年份的互花米草面积,实现了互花米草的动态监测。研究结果表明,近6 年,象山港互花米草的面积不断减少,目前所开展的互花米草治理措施是行之有效的,有必要持续加强人为干预以应对互花米草人侵问题。1研究区概况与数据来源1.1研究区概况象山港(2 9 2 4 2 9 46 N,1212512200E)地处浙江省北部沿海地带(图1),是浙江省三大内湾之一,北面紧邻杭州湾,南邻三门湾,东侧为舟山群岛,通过青龙门、双屿门和牛鼻山水道与外海相连,是一个由宁波东部沿
15、海至西南向内陆深入的纵长约为6 2.8 km的狭长型半封闭海湾 1 0 。作为国内及浙江省重要的渔港、重点口岸之一,象山港渔业资源丰富,渔业产值居全国前列。近年来,象山港互花米草人侵问题尤为突出,逐渐引起社会各界人士的关注。40第3期林业资源管理121300E121400E121500E12200EN051020km图1象山港示意图Fig.1 Sketch map of the Xiangshan harbor1.2数据来源本研究数据包括2 0 1 7 2 0 2 2 年间6 期Senti-nel-2遥感影像,该影像是GEE平台上的Level-1C级遥感影像(https:/,访问日期:2 0
16、2 3年1 月2 1 日)。Sentinel-2是欧洲空间局(Eu r o p e a n Sp a c e?A g e n c y)于2 0 1 5年发射的一组用于地球观测的多光谱卫星遥感系统,旨在为全球提供免费的高分辨率(1 0 6 0 m)遥感图像数据。该系统由一对星座组成,每个星座有两颗卫星,共有4颗卫星,分别为Sentinel-2A,Sentinel-2B,Sentinel-2C和Sentinel-2D。Se n t i n e l-2 卫星具有高空间分辨率和高重访问频率,能够提供地表从可见光到近红外波段范围内的多光谱图像,Level-1C级影像是Senti-nel-2原始遥感影像经
17、过了辐射校正、大气校正和几何校正后的数据产品,本研究使用的Sentinel-2波段参数如表1 所示 互花米草是一种多年生草本植物,在春夏季生长最旺盛,因此主要选取每年4月1 日至1 0 月31 期间云量少于1 0%的影像,利用遥感数据集中的Median方法选取质量最好的Sentinel-2遥感影像。由于不同波段的空间分辨率并不相同,因此在预处理阶段还需要将使用到的波段遥感数据重采样到同一空间分辨率,本研究采用1 0 m空间分辨率进行重采样 1 2 。为比较不同遥感数据源对互花米草识别精度的影响,本研究也对2 0 2 2 年Landsat-8遥感影像进行了识别分类。Landsat-8是美国国家航
18、空航天局(NA SA)和美国地质调查局(USGS)于2 0 1 3年联合发射升空的一颗遥感卫星,具有较高的空间分辨率和光谱分辨率,其遥感影像被广泛应用于自然资源调查、环境监测、城市规划、农业等领域。为更好地定量分析遥感影像数据,消除大气吸收和散射引起的影响,本研究直接选用GEE平台上由Landsat-8遥感影像经过辐射校正、大气校正后得到的大气表观反射率(Top of Atmosphere,T O A)影像(访问时间:2 0 2 3年1 月2 1 日),选择2 0 2 2 年4月1 日至10月31 日之间云量少于1 0%的Landsat-8遥感影像,并将各波段的遥感影像数据重采样到1 5m空间
19、分辨率。Landsat-8的波段参数如表2 所示。表1 Sentinel-2波段参数Tab.1 The bands parameters of Sentinel-2Sentinel-2波段波长/m分辨率/mBand 1:coastal aerosol0.44360Band 2:blue0.49010Band 3:green0.56010Band 4:red0.66510Band 5:vegetation red edge0.70520Band6:vegetation red edge0.74020Band 7:vegetation red edge0.78320Band 8:NIR0.8421
20、0Band 8A:vegetation red edge0.86520Band 9:water vapor0.94560Band 10:SWIR-cirrus1.37560Band 1l:SWIR1.61020Band12:SWIR2.19020表2 Landsat-8波段参数Tab.2 The bands parameters of Landsat-8Landsat-8波段波长/um分辨率/mBand 1:Coastal aerosol0.430.4530Band 2:Blue0.450.5130Band 3:Green0.53 0.5930Band 4:Red0.64 0.6730Band
21、 5:Near infrared0.850.8830Band6:Shortwaveinfrared11.571.6530Band7:Shortwaveinfrared12.11 2.2930Band 8:Panchromatic0.520.9015Band 9:Cirrus1.36 1.3815Band 10:Thermal infrared 110.60 11.1930Band 11:Thermal infrared 211.50 12.5130BQA:Landsat Collection 1 QA Bitmask3041梁立成等:基于GEE与随机森林的象山港互花米草动态监测第3期2研究方法
22、2.1样本选取在遥感影像的有监督分类中,训练样本点的选取尤为重要,它将直接影响到分类结果的准确性。在选取训练样本点时,应能提供足够的信息以区分不同地类并克服偶然因素的影响,一般采用“小区域连续采集,全局均匀分布”的采集策略,并且使不同地类训练样本点的数量总体相当。本研究结合野外实地调查和遥感影像目视解译的方法选取样本点。现地调查按照3km3km网格在研究区沿岸均匀布设调查样点,使用大疆Phantom4RTK无人机采集样本点的正射影像,结合地面调查结果提取现状地类样本图斑。共选取1 51 个互花米草图斑和1 40 个非互花米草图斑,非互花米草图斑包含林地、水域、沙地、建筑和裸地等5种地类,并确保
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