【论文分享】基于样本迁移和机器学习的中国三峡库区森林优势树种遥感分类与制图

科技   2024-10-06 10:01   河北  

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今天给大家分享的论文是中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心科研团队在Remote Sensing期刊上发表的《Remote Sensing Classification and Mapping of Forest Dominant Tree Species in the Three Gorges Reservoir Area of China Based on Sample Migration and Machine Learning》。本研究通过结合迁移学习和机器学习,在对中国三峡水库地区进行多年树种分类时解决实地采样难等问题。

论文信息


题目:Remote Sensing Classification and Mapping of Forest Dominant Tree Species in the Three Gorges Reservoir Area of China Based on Sample Migration and Machine Learning

关键词:forest ecosystem; forest dominant tree species; machine learning; migration learning; change detection

作者:WenboZhang, Xiaohuang Liu, Bin Xu, Jiufen Liu,Hongyu Li, Xiaofeng Zhao,Xinping Luo, Ran Wang, Liyuan Xing, Chao Wang and Honghui Zhao  

DOI:https://doi.org/10.3390/rs16142547

论文摘要


The distribution of forest-dominant tree species is crucial for ecosystem assessment. Remote sensing monitoring requires annual ground sample data, but consistent field surveys are challenging. This study addresses this by combining sample migration learning and machine learning for multi-year tree species classification in the Three Gorges Reservoir area in China. Using the continuous change detection and classification (CCDC) algorithm, sample data from 2023 were successfully migrated to 2018–2022, achieving high migration accuracy (R2 = 0.8303, RMSE = 4.64). Based on migrated samples, random forest (RF), support vector machine (SVM), and extreme gradient boosting (XGB) algorithms classified forest tree species with overall accuracies above 70% and Kappa coefficients above 0.6. XGB. They outperformed other algorithms, with classification accuracy of over 80% and Kappa above 0.75 in almost all years. The final map indicates stable distribution from 2018 to 2023, with eucalyptus covering over 40% of the forest area, followed by horsetail pine, fir, cypress, and wetland pine.


森林优势树种的分布对于生态系统评估至关重要。遥感监测需要每年的实地采样数据,但持续的现场调查具有挑战性。本研究通过结合迁移学习和机器学习,在对中国三峡水库地区进行多年树种分类时解决了这一问题。使用连续变化检测与分类(CCDC)算法,将2023年的样本数据成功迁移到2018-2022年,实现了高迁移精度(R2=0.8,303,RMSE=4.64)。基于迁移后的样本数据,随机森林(RF)、支持向量机(SVM)和极端梯度提升(XGB)算法对森林树种进行了分类,总体准确率超过70%,Kappa系数超过0.6。XGB算法在几乎所有年份的分类准确率均超过80%,Kappa系数超过0.75。最终的地图显示,从2018年到2023年,分布相对稳定,桉树覆盖了超过40%的森林面积,其次是马尾松、冷杉和湿地松。

重要图表

— 研究区域的概况图 

— 研究区域中树种的样本数据分布 

— 研究流程图

— 研究区域森林恢复时间的计算及其一些示例

— 森林恢复时间的准确性验证 

                                  — 2018-2023 年每个分类模型的分类准确性

— 基于 XGB 算法的优势树种分布 2018-2023

— 基于 XGB 算法的 2018-2023 年每种树种的生产者准确性和用户准确性

2018-2023年每个分类特征的特征重要性

本文创新


  • 针对森林优势树种遥感监测中可能存在的年度地面样本数据缺失的问题,采用CCDC算法对样本数据进行年际迁移,实现了较高的迁移精度。

心得收获

  • 分类特征的持续重要性。在本研究中,发现大多数特征在基于 MDG 指标的特征重要性评估中表现出持续的重要性。

  • CCDC 算法在样品迁移中表现出优异的性能。获得的最终结果具有很高的准确性,其中𝑅2为 0.8303,RMSE 为 4.64。XGB 算法具有绝对的优势。

  • XGB 算法的绝对优势。基于 XGB 算法的分类模型每年都表现出显著的分类优势,分类准确率几乎在所有年份都在 80% 以上,Kappa 系数高于 0.75。


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