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UAV高光谱影像联合SULOV_XGBoost算法的柑橘果树精细分类方法

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光谱学与光谱分析 2024年第2期44卷 548-557页

作者：肖斌何宏昌窦世卿范冬林付波霖张洁熊远康史今科桂林理工大学测绘地理信息学院广西桂林541006 珠江水利委员会珠江水利科学研究院广东广州510610

精准、动态监测经济作物种植信息是农业精细化管理面临的迫切需求。为实现不同果树品种的精细分类,以桂林市六塘默科特柑橘试验基地为研究区,获取机载高光谱影像数据,深度挖掘不同柑橘果树品种的光谱信息,构建多维数据集,提出一种利用SU... 详细信息

精准、动态监测经济作物种植信息是农业精细化管理面临的迫切需求。为实现不同果树品种的精细分类,以桂林市六塘默科特柑橘试验基地为研究区,获取机载高光谱影像数据,深度挖掘不同柑橘果树品种的光谱信息,构建多维数据集,提出一种利用SULOV结合极端梯度提升(eXtreme gradient boosting,XGBoost)算法进行优选特征,并采用XGBoost分类算法进行柑橘果树品种精细分类的方法,最后,与随机森林(random forest,RF)和支持向量机(support vector machine,SVM)的分类结果的精度进行对比分析。结果发现:(1)所提的SULOV结合XGBoost算法(SULOV_XGBoost)柑橘果树精细分类算法能够有效进行特征差距较小场景的果树作物不同品种间的精细分类,算法整体分类效果优于传统的常用机器学习方法(RF与SVM);(2)一阶微分拐点处值与原始波段值的融合特征对提升精细分类精度具有极大作用;另外加入不同波长范围波段组合也能够显著提高柑橘果树精细分类结果;(3)SVM在地物可辨性较高的条件下其分类性能更佳,且抗干扰能力强。研究成果可为同一物种不同品种作物的精细分类提供新的思路和方法,亦可为作物种植信息精准普查、精细化管理以及农业产业结构布局、调整和动态监测等提供参考。

关键词：柑橘果树无人机高光谱 SULOV_XGBoost 精细分类

基于Landsat 8影像的Himawari-8叶绿素a空间降尺度研究

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中国环境科学 2022年第11期42卷 5341-5350页

作者：熊远康范冬林何宏昌史今科张洁肖斌付波霖桂林理工大学测绘地理信息学院广西桂林541000

新型地球静止气象卫星Himawari-8由于空间分辨率较低,其叶绿素a产品难以满足空间异质性高的近岸海域水质监测要求.为了克服这个限制,基于非线性的随机森林算法,利用陆地资源卫星Landsat8的波段反射率数据和Himawari-8的叶绿素a产品,通... 详细信息

新型地球静止气象卫星Himawari-8由于空间分辨率较低,其叶绿素a产品难以满足空间异质性高的近岸海域水质监测要求.为了克服这个限制,基于非线性的随机森林算法,利用陆地资源卫星Landsat8的波段反射率数据和Himawari-8的叶绿素a产品,通过构建降尺度模型,以提高Himawari-8的叶绿素a数据的空间分辨率.结果表明,2个秋季模型和2个冬季模型的模型决定系数(R^(2))分别达到0.6、0.72、0.71和0.85;均方根误差(RMSE)为别为1.47,1.05,1.89,0.76mg/m^(3).通过实测站点数据对比分析表明,降尺度模型生成的叶绿素a与葵花叶绿素a数据具有较高的一致性,R 2达到了0.81,能较好的反映近岸海域叶绿素a浓度的空间变化特征.

关键词：降尺度叶绿素a 随机森林 Himawari-8 Landsat 8

Himawari-8卫星云下海表温度反演的机器学习方法比较研究

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遥感信息 2023年第5期38卷 39-48页

作者：范冬林杨鑫曾优何宏昌付波霖桂林理工大学测绘地理信息学院广西桂林541006 桂林理工大学生态时空大数据感知服务重点实验室广西桂林541006

针对Himawari-8卫星因云层覆盖导致云下位置海表温度缺失或者反演精度下降的问题,利用近红外波段瑞利校正后阈值递增方法,建立6种无云-有云混合的遥感-实测样本数据集,评估了3种机器学习算法多层感知机(multi-layer perceptron,MLP)、... 详细信息

针对Himawari-8卫星因云层覆盖导致云下位置海表温度缺失或者反演精度下降的问题,利用近红外波段瑞利校正后阈值递增方法,建立6种无云-有云混合的遥感-实测样本数据集,评估了3种机器学习算法多层感知机(multi-layer perceptron,MLP)、随机森林回归(random forest regression,RFR)和支持向量回归(support vector regression,SVR)的云下海表温度反演的性能。实验结果表明,当阈值为0.125(无云)时,R^(2)都超过了0.98;当阈值为0.4时,性能指标趋于平稳,MLP、RFR和SVR算法的R^(2)分别为0.80、0.81和0.76。通过阈值递增方式构建的阈值模型对无云区域的海表温度影响较小,能够确保无云区域的反演精度。随着阈值的递增,模型对有云区域出现不同程度的低估和反演精度的下降,但在无云区域的制图效果与葵花卫星海表温度产品一致性较高。该方法可以显著提高海表温度反演结果的空间覆盖率,使得研究区空间覆盖率从75%提高到99%。

关键词：卫星遥感海表温度云下海表温度机器学习 Himawari-8卫星瑞利校正

湿地“淹埋深-历时-频率”阈值研究的理论和方法

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水科学进展 2016年第3期27卷 476-484页

作者：殷书柏沈方付波霖唐山师范学院河北唐山063000 中国科学院东北地理与农业生态研究所吉林长春130102 中国科学院大学北京100049

针对"淹埋深-历时-频率"(S,D,F)阈值研究存在的问题,根据土壤学、植物生态学、系统论、地理系统学说以及反演理论等的相关原理,系统分析了湿地(S,D,F)阈值确定的理论和方法。结果表明:在正常情况下,水饱和至地表的最大地下水埋深、湿地... 详细信息

针对"淹埋深-历时-频率"(S,D,F)阈值研究存在的问题,根据土壤学、植物生态学、系统论、地理系统学说以及反演理论等的相关原理,系统分析了湿地(S,D,F)阈值确定的理论和方法。结果表明:在正常情况下,水饱和至地表的最大地下水埋深、湿地植物主要根系分布层下限和沉水植物分布下界淹水深分别是湿地土壤上界、湿地植被上界和湿地下界的S阈值;D阈值只能通过湿地土壤或湿地植被边界界定在水位过程线上反演,稳定湿地边界的D阈值应取与50%频率值对应的D值或D值的多年平均值,波动湿地边界的D阈值是常数;"非正常情况下"湿地的D阈值应参照湿地水文地貌分类的同一区域子类中"正常情况下"的湿地的D阈值;检验D阈值科学性的标准是利用D阈值确定的湿地水文边界必须与湿地土壤边界或湿地植被边界耦合。

关键词： “淹埋深-历时-频率”阈值反演正常值非正常情况

基于GEE的2011—2021年广西林火碳排放格局时空变化

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无线电工程 2023年第11期53卷 2529-2539页

作者：梁天龙何宏昌范冬林曾优付波霖桂林理工大学测绘地理信息学院广西桂林541006 生态时空大数据感知服务重点实验室广西桂林541006

森林火灾对中国碳循环及“碳达峰”进程造成的影响重大。利用2011—2021年广西MCD64A1、MCD12Q1和MOD17A3数据集,基于GEE平台,通过可燃物载量模型和碳排放因子法,估算了广西林火的可燃物载量、碳排放量和主要含碳气体排放量(CO_(2)、CO... 详细信息

森林火灾对中国碳循环及“碳达峰”进程造成的影响重大。利用2011—2021年广西MCD64A1、MCD12Q1和MOD17A3数据集,基于GEE平台,通过可燃物载量模型和碳排放因子法,估算了广西林火的可燃物载量、碳排放量和主要含碳气体排放量(CO_(2)、CO和CH_(4)),利用线性回归法和归一化手段等,从年尺度和月尺度上分析了广西森林过火因子及其NPP总量的时间统计量以及空间分布,以及林火碳排放量和林火主要含碳气体排放量的时空变化特征,结果表明:①2011—2021年广西森林总可燃物载量为2.78×10^(5)t,其中林草地和混交林可燃物载量最高,分别为2.71×10^(5)、4.31×10^(3)t,稀树草原和落叶阔叶林最少,分别为146、74 t;②2011—2021年广西碳排放量密度与林火点密度的空间分布基本一致,呈现不均匀分布,且主要集中在百色、河池及百色与贵州的交界区域,表明上述区域需要重点防控;③2011—2021年广西主要含碳气体总排放量为3.59×10^(5)t,其中CO_(2)排放总量为3.27×10^(5)t,CO排放总量为3.08×10^(4)t,CH_(4)为1.55×10^(3)t,占比分别为90.98%、8.59%和0.43%,总体分布规律与碳排放量一致,但与过火面积分布规律存在差异,主要原因是构成林火的植被类型不同;④2011—2021年广西主要含碳气体排放呈下降趋势的城市有百色、南宁、柳州和桂林,呈上升趋势的有梧州、北海、防城港、钦州、贵港、玉林、贺州、河池、来宾和崇左,表明百色、南宁、柳州和桂林这4个城市林火防控有所改善,其余10个城市应对林火防控工作提高重视。

关键词：森林火灾碳排放时空变化 MODIS数据

基于多光谱影像和机器学习算法的红树林树种LAI估算

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农业工程学报 2022年第7期38卷 218-228页

作者：付波霖孙军李雨阳左萍萍邓腾芳何宏昌范冬林高二涛桂林理工大学测绘地理信息学院桂林541000

针对红树林叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)实地测量难度大、无法快速大范围LAI估算的问题。该研究以广西北部湾红树林为研究对象,以无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)和哨兵二号(Sentinel-2A,S2)多光谱影像为数据源,整合原始光谱... 详细信息

针对红树林叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)实地测量难度大、无法快速大范围LAI估算的问题。该研究以广西北部湾红树林为研究对象,以无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)和哨兵二号(Sentinel-2A,S2)多光谱影像为数据源,整合原始光谱波段、植被指数和组合植被指数构建高维数据集,并进行数据降维和特征优选。定量评估6种机器学习算法(XGBoost、前馈反向传播神经网络(Back Propagation,BP)、支持向量机(SVM)、岭回归(Ridge)、Lasso和弹性网络(ElasticNet))对不同红树林树种LAI的估算能力;探究UAV和Sentinel-2A影像对红树林树种LAI估算的精度差异。研究结果表明:1)基于XGBoost算法构建的模型实现了红树林LAI高精度估算,R^(2)均高于0.70,RMSE均低于0.349;2)在UAV和Sentinel-2A影像下,XGBoost模型对不同红树林树种LAI的估算精度(R^(2))比其他5种模型分别提高了0.105~0.365和0.283~0.540,RMSE降低了0.100~0.392和0.102~0.518;3)UAV影像数据与XGBoost算法构建的模型对海榄雌LAI的估算精度优于其他组合(R^(2)=0.821、RMSE=0.288),Sentinel-2A影像数据与XGBoost算法构建的模型对秋茄和桐花树LAI的估算精度优于其他组合(R^(2)=0.940~0.979、RMSE=0.142~0.104),不同红树林树种LAI的估算精度依次为桐花树>秋茄>海榄雌;4)SNAP-SL2P算法整体性低估红树林LAI值,UAV影像红树林树种LAI的平均估算精度(R^(2)=0.677~0.713)均优于Sentinel-2A影像,实现了不同红树林树种LAI的高精度估算。

关键词：遥感多光谱影像红树林叶面积指数数据降维和特征优选模型参数调优机器学习算法

基于多时相Sentinel-1A的沼泽湿地水面时空动态变化监测

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自然资源遥感 2022年第2期34卷 251-260页

作者：韦嫦付波霖覃娇玲王雅南陈智瀚刘兵桂林理工大学测绘地理信息学院桂林541000

水是形成和维系湿地生态系统的重要因子,监测湿地水面积变化对湿地保护研究具有重要意义。以2018—2019年逐月的Sentinel-1A卫星数据为数据源,计算扎龙湿地年内和年际的合成孔径雷达(synthetic aperture Radar,SAR)后向散射系数(σ^(0)... 详细信息

水是形成和维系湿地生态系统的重要因子,监测湿地水面积变化对湿地保护研究具有重要意义。以2018—2019年逐月的Sentinel-1A卫星数据为数据源,计算扎龙湿地年内和年际的合成孔径雷达(synthetic aperture Radar,SAR)后向散射系数(σ^(0))和相干系数(μ^(0))影像,根据彩色光学影像水体贴近程度赋予权重并构建提取湿地水面σ^(0)与μ^(0)的加权影像,通过阈值分割法、随机森林算法提取湿地水体,实现湿地水域面积的动态变化监测,探究湿地水域年内和年际变化规律。结果表明:基于随机森林算法的水体提取精度最高,代表月份平均差值绝对值为6.69 km^(2),基于μ^(0)影像使用阈值分割方法的分类精度最低,平均差值绝对值为13.07 km^(2);整体趋势上,扎龙湿地水域面积年内有明显的季节性变化,春末夏初时水域面积在1300~1600 km^(2)浮动,夏末秋始时水域面积在700~900 km^(2)浮动;年际水域面积会随着气候、温度等条件差异有不同变化,2019年10月、11月因降水量大湿地水域面积比2018年多出约1050 km^(2),基于有效数据计算,总体上2019年比2018年水域面积多出约550 km^(2)。

关键词：湿地水面年内年际变化 Sentinel-1A 后向散射系数相干系数阈值分割

形成湿地的“淹埋深-历时-频率”阈值研究进展

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水科学进展 2015年第4期26卷 596-604页

作者：殷书柏沈方李子田付波霖唐山师范学院资源管理系河北唐山063000 中国科学院东北地理与农业生态研究所吉林长春130102

湿地水文是形成湿地的发生学因素,"淹埋深-历时-频率"(S,D,F)是表征湿地水文的特征指标。为了推进(S,D,F)阈值研究理论和方法的发展,总结了(S,D,F)阈值研究的一致结论:S阈值确定的原则是水饱和至地表;D阈值确定的原则是从水饱和开始到... 详细信息

湿地水文是形成湿地的发生学因素,"淹埋深-历时-频率"(S,D,F)是表征湿地水文的特征指标。为了推进(S,D,F)阈值研究理论和方法的发展,总结了(S,D,F)阈值研究的一致结论:S阈值确定的原则是水饱和至地表;D阈值确定的原则是从水饱和开始到厌氧环境形成的时滞;F阈值应取≥50%。通过对这些一致结论的分析后认为:D阈值确定的原则存在着科学性问题;目前(S,D,F)阈值研究理论针对正常情况下湿地类型,不适合非正常情况下的湿地类型。为了科学地解决(S,D,F)阈值问题,必须构建新的(S,D,F)阈值确定的理论和方法,包括正常情况下和非正常情况(S,D,F)阈值确定的理论和方法以及(S,D,F)阈值科学性检验的理论和方法。

关键词：湿地水文 “淹埋深-历时-频率”阈值土壤水饱和厌氧环境

联合星载高光谱影像和堆栈集成学习回归算法的红树林冠层叶绿素含量遥感反演

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遥感学报 2022年第6期26卷 1182-1205页

作者：付波霖邓良超张丽覃娇玲刘曼贾明明何宏昌邓腾芳高二涛范冬林桂林理工大学测绘地理信息学院桂林541006 中国科学院空天信息创新研究院北京100094 中国科学院东北地理与农业生态研究所长春130000

红树林是世界上生产力最高、价值最高的湿地生态系统之一。冠层叶绿素含量CCC(Canopy Chlorophyll Content)作为红树林重要的生物物理参量,是估算其生产力和评价其健康状况的重要指标。本文利用珠海一号高光谱卫星(OHS)影像与Sentinel-2... 详细信息

红树林是世界上生产力最高、价值最高的湿地生态系统之一。冠层叶绿素含量CCC(Canopy Chlorophyll Content)作为红树林重要的生物物理参量,是估算其生产力和评价其健康状况的重要指标。本文利用珠海一号高光谱卫星(OHS)影像与Sentinel-2A多光谱数据计算传统植被指数与组合植被指数并构建了高维数据集,综合利用正态分布检验、最大相关系数法与变量重要性评价进行数据降维和变量优选;分别基于单一线性回归算法、机器学习回归算法和堆栈集成学习回归算法构建了红树林CCC遥感反演模型,探明北部湾红树林CCC的最佳遥感反演模型,验证OHS高光谱影像与Sentinel-2A数据反演红树林CCC的精度差异,评估SNAP-SL2P算法反演红树林CCC的适用性。研究结果表明:(1)通过数据降维和变量选择处理,从高维度OHS数据集选取了8个特征变量,其中RSI_((12,17))、DSI_((12,18))和NDSI_((6,12))组合植被指数对红树林CCC反演精度的贡献率较高;(2)联合OHS数据和最优堆栈GBRT集成学习回归模型(Score=0.999,RMSE=0.963μg/cm^(2))的训练精度优于最优RF机器学习回归模型(RMSE降低了7.531μg/cm^(2)),明显优于最优Lasso线性回归模型(RMSE降低了19.383μg/cm^(2));(3)在最优堆栈集成学习回归模型下,OHS数据反演红树林CCC的精度(R^(2)=0.761,RMSE=16.738μg/cm^(2))高于Sentinel-2A影像(R^(2)=0.615,RMSE=20.701μg/cm^(2));(4)联合OHS和Sentinel-2A数据的最优堆栈集成学习回归模型反演红树林CCC的精度都明显优于SNAP-SL2P算法(R^(2)=0.356,RMSE=49.419μg/cm^(2))。研究结果论证了正态分布检验、最大相关系数法和基于XGBoost的特征选择方法有效降低了高维数据集的维度,并得到了最优特征变量;OHS数据的最优堆栈GBRT集成学习回归模型训练精度最高,是估算红树林CCC的最优反演模型;OHS和Sentinel-2A数据都能有效反演红树林CCC(R^(2)均大于0.61),而OHS数据的估算精度更高(R^(2)大于0.75);SNAPSL2P算法不能有效反演红树林CCC(R^(2)小于0.4),且对红树林CCC数值存在系统性低估。

关键词：红树林冠层叶绿素含量珠海一号高光谱卫星堆栈集成学习回归算法特征降维遥感反演