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Resonon | Pika L高光譜成像在亞熱帶闊葉森林單木分割和樹(shù)種分類(lèi)上的應(yīng)用

日期: 2022-11-14
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Resonon | Pika L高光譜成像在亞熱帶闊葉森林單木分割和樹(shù)種分類(lèi)上的應(yīng)用

了解亞熱帶森林樹(shù)種的準(zhǔn)確信息對(duì)于森林可持續(xù)管理、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估、生物多樣性監(jiān)測(cè)以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。因此,亟待快速有效的方法對(duì)單個(gè)樹(shù)種進(jìn)行分類(lèi)。傳統(tǒng)的樹(shù)種地面調(diào)查費(fèi)事、費(fèi)力、成本高,難以大面積實(shí)施。而遙感可以獲取較大區(qū)域的特征信息。許多遙感數(shù)據(jù),如超高分辨率RGB、機(jī)載高光譜和雷達(dá)數(shù)據(jù),已廣泛應(yīng)用于單木分割和樹(shù)種分類(lèi)。然而以往都是利用其中一種或兩種類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,綜合這三種遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行樹(shù)種分類(lèi)的研究十分有限。

基于此,為填補(bǔ)研究空白, 研究者們于2019年8月在中國(guó)南方深圳的亞熱帶闊葉林聚龍山公園(114°23′28′′E,22°43′50′′N(xiāo))基于UAV LiDAR,高光譜(Resonon Pika L高光譜成像儀)、超高分辨率RGB數(shù)據(jù)以及地面數(shù)據(jù)進(jìn)行單個(gè)樹(shù)種的分類(lèi)。作者首次開(kāi)發(fā)了watershed-spectral-textural-controlled normalized cut(WST-Ncut)算法進(jìn)行單木分割。然后整合UAV LiDAR(提取結(jié)構(gòu)特征),高光譜(提取光譜特征)和超高分辨率RGB數(shù)據(jù)(提取紋理特征)進(jìn)行分類(lèi)。最后通過(guò)總體精度(OA)和kappa系數(shù)(k)評(píng)估分類(lèi)精度。主要研究目標(biāo)為:(1)評(píng)估所提出的WST-Ncut算法在亞熱帶闊葉森林進(jìn)行單木分割的準(zhǔn)確性;(2)與單獨(dú)使用這些數(shù)據(jù)相比,評(píng)估UAV LiDAR,高光譜和超高分辨率RGB數(shù)據(jù)相融合進(jìn)行亞熱帶闊葉樹(shù)種分類(lèi)的有效性和改進(jìn)以及(3)探索單木分割的準(zhǔn)確性和樹(shù)種數(shù)量對(duì)樹(shù)種分類(lèi)精度的影響。

Resonon | Pika L高光譜成像在亞熱帶闊葉森林單木分割和樹(shù)種分類(lèi)上的應(yīng)用

研究區(qū)位置

【結(jié)果】

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18個(gè)樹(shù)種在383-1020 nm波長(zhǎng)下的反射率平均值和±標(biāo)準(zhǔn)差。

Resonon | Pika L高光譜成像在亞熱帶闊葉森林單木分割和樹(shù)種分類(lèi)上的應(yīng)用

18個(gè)樹(shù)種在383-1020 nm波長(zhǎng)下的平均光譜反射率。

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七種特征組合得到的樹(shù)種分布圖。

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使用所有特征時(shí)獲得的總體分類(lèi)精度與樹(shù)種數(shù)量之間的關(guān)系。

【結(jié)論】

在本研究中,作者利用UAV LiDAR,高光譜和超高分辨率RGB數(shù)據(jù)在亞熱帶闊葉森林樹(shù)木尺度上進(jìn)行18個(gè)樹(shù)種的分類(lèi)。作者首次提出了watershed-spectral-textural-controlled normalized cut(WST-Ncut)算法來(lái)描述單木。結(jié)果表明,WST-Ncut算法適合描述亞熱帶闊葉森林單木(Recall=0.95,Precision=0.86,F(xiàn)-score=0.90),可以減少過(guò)度分割。LiDAR獲取的垂直結(jié)構(gòu)特征,高光譜獲取的光譜特征以及超高分辨率RGB數(shù)據(jù)獲取的紋理特征在樹(shù)種分類(lèi)上相互補(bǔ)充。分類(lèi)結(jié)果表明這三個(gè)數(shù)據(jù)集相結(jié)合可以有效區(qū)分18個(gè)樹(shù)種,獲得最高的分類(lèi)精度(總體精度=91.8%,Kappa=0.910),比單獨(dú)利用光譜特征,結(jié)構(gòu)特征和紋理特征分別高10.2%,13.6%和19.0%。此外,結(jié)果表明,單木分割越好,樹(shù)種分類(lèi)越準(zhǔn)確,樹(shù)種數(shù)量增加將會(huì)導(dǎo)致分類(lèi)精度下降。

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沿海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)是一種位于海洋與陸地交界處的生物多樣性豐富的獨(dú)特生態(tài)環(huán)境。它不僅具有重要的生態(tài)功能,在碳儲(chǔ)存、環(huán)境凈化和防風(fēng)護(hù)堤方面發(fā)揮著重要作用,還對(duì)人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)有著極大的支持和調(diào)節(jié)作用。氨氣是大氣環(huán)境中含量豐富的堿性氣體,其在沿海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中的作用不可忽視。但是,過(guò)量的氨氣輸入也給其帶來(lái)了一系列問(wèn)題。沿海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)NH3源和匯研究背景介紹氨(NH3)是大氣中含量最多的堿性氣體。在氣溶膠形成中發(fā)揮重要作用,而氣溶膠會(huì)對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生不利影響,同時(shí)會(huì)降低能見(jiàn)度,改變地球輻射平衡,并通過(guò)大氣沉積促進(jìn)活性氮(Nr)的全球再分配。農(nóng)業(yè)集約化是NH3的主要人為來(lái)源,導(dǎo)致進(jìn)入生物圈的Nr增加一倍。NH3的其他來(lái)源包括工業(yè)過(guò)程、車(chē)輛排放及土壤和海洋的揮發(fā)。農(nóng)業(yè)和城市源通過(guò)大氣沉積過(guò)程直接或間接排放NH3,其會(huì)改變鹽沼的結(jié)構(gòu)和功能。此外,大氣沉積過(guò)程是NH3進(jìn)入沿海水域的主要途徑, NH3沉積到敏感的...
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