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基于Sentinel-2影像分辨率提升的西南山区油菜作物识别研究

欧嫣然 王克晓 虞豹 黄祥 王茜

欧嫣然,王克晓,虞豹,等. 基于Sentinel-2影像分辨率提升的西南山区油菜作物识别研究 [J]. 福建农业学报,2020,35(8):902−910 doi: 10.19303/j.issn.1008-0384.2020.08.014
引用本文: 欧嫣然,王克晓,虞豹,等. 基于Sentinel-2影像分辨率提升的西南山区油菜作物识别研究 [J]. 福建农业学报,2020,35(8):902−910 doi: 10.19303/j.issn.1008-0384.2020.08.014
OU Y R, WANG K X, YU B, et al. Enhancing Sentinel-2 Images for Accurate Identification of Rapeseed Crops in Mountainous Southwest China [J]. Fujian Journal of Agricultural Sciences,2020,35(8):902−910 doi: 10.19303/j.issn.1008-0384.2020.08.014
Citation: OU Y R, WANG K X, YU B, et al. Enhancing Sentinel-2 Images for Accurate Identification of Rapeseed Crops in Mountainous Southwest China [J]. Fujian Journal of Agricultural Sciences,2020,35(8):902−910 doi: 10.19303/j.issn.1008-0384.2020.08.014

基于Sentinel-2影像分辨率提升的西南山区油菜作物识别研究

doi: 10.19303/j.issn.1008-0384.2020.08.014
基金项目: 重庆市技术创新与应用发展专项(cstc2019jscx-msxmX0355;cstc2019jsccx-lyjsBX0007)
详细信息
    作者简介:

    欧嫣然(1992−),女,硕士,主要从事信息管理和细菌耐药性方面研究(E-mail:472137207@qq.com

    通讯作者:

    王克晓(1986−),男,硕士,主要从事农业遥感方面研究(E-mail:wangkexiao_2007@126.com

  • 中图分类号: P237

Enhancing Sentinel-2 Images for Accurate Identification of Rapeseed Crops in Mountainous Southwest China

  • 摘要:   目的  由于Sentinel-2影像空间分辨率不足,目前难以在我国丘陵山区等复杂地区开展广泛应用。为进一步拓展其应用深度,本研究通过提高Sentinel-2数据空间分辨率,探索不同空间分辨率与光谱分辨率条件下低山丘陵地区作物遥感识别能力,为我国西南低山丘陵复杂地区农作物遥感识别研究提供参考。  方法  利用多光谱影像重建与融合技术,获取了Sentinel-2影像不同空间分辨率与光谱波段的多光谱影像,通过融合图像质量评价,特征波段光谱趋势分析及随机森林模型下不同空间分辨率与波段组合下油菜遥感识别精度对比及特征波段重要性度量,分析不同空间分辨率与光谱波段条件下地形复杂地区的油菜遥感识别能力。  结果  ①影像融合后图像亮度均有所增加,微小细节反差和纹理变化的表达能力明显增强,图像的清晰度有较大提高,主要地物融合前后灰度曲线变化趋势基本一致。②数据空间分辨率提高能够有效提高油菜作物分类精度,总体精度由72.29%提高到79.52%,Kappa系数从0.66上升到0.75;在同等分辨率条件下,红边波段有助于提高油菜作物的制图精度,从91.30%提高到95.65%。③不同红边波段对提高作物的识别精度效果存在差异,C2(可见光B2、B3、B4-红边B5-近红外B8)组合与C1(可见光B2、B3、B4-近红外B8)组合总体精度提高4.75%,C3(可见光B2、B3、B4-红边B5、B6-近红外B8)组合与C2组合总体精度提高1.21%,红边B5波段与红边B6波段有助于提高总体精度,且B5波段比B6波段更有效;C4(可见光B2、B3、B4-红边B5、B6、B7-近红外波段B8)与C3组合制图精度提高4.35%,用户精度提高0.57%,B7波段对于油菜作物制图精度提升效果较为明显;基于随机森林模型的特征波段归一化重要性度量值表明在较高分辨率条件下,可见光蓝色波段B2与绿色波段B3的重要性度量值分别为0.94和0.82,红边波段B7和红边波段B5度量值分别为0.89和0.75,与波段组合比较中红边B7与红边B5波段更有助于提升油菜制图精度与总体精度的结果较为一致。  结论  本研究通过多光谱影像重建与融合技术实现了Sentinel-2影像空间分辨率的大幅度提升,同时基于随机森林分类完成不同红边波段组合下的油菜提取结果的精度对比和特征波段重要性量化度量,首次较为全面地探索了Sentinel-2影像高分辨率条件下不同红边波段下油菜作物遥感识别能力,可为Sentinel-2影像分辨率提升研究及探索其更广泛的应用领域提供借鉴。
  • 图  1  试验区位置

    Figure  1.  Location of test area

    图  2  样本点选取

    Figure  2.  Distribution of sampling points

    图  3  不同分辨率下融合图像比较

    注:图像RGB组合为分别为B5、B6、B7波段

    Figure  3.  Fusion images of different resolutions

    Note: RGB of image are B5, B6, and B7, respectively.

    图  4  不同分辨率影像地物类型灰度曲线

    Figure  4.  Gray curves of land cover images of different resolutions

    图  5  典型地物的光谱曲线

    Figure  5.  Spectral curve of typical objects on land

    图  6  不同分辨率影像分类提取效果

    Figure  6.  Crop classification as affected by images of different resolutions

    图  7  基于随机森林的归一化特征波段重要性度量

    Figure  7.  Importance measurement of normalized characteristic bands based on random forest model

    表  1  Sentinel-2影像多光谱波段信息

    Table  1.   Multispectral band information on Sentinel-2

    波段号
    Band number
    波段
    Band
    中心波长/nm
    Center wave length/nm
    空间分辨率/m
    Spatial resolution/m
    B2 蓝 Blue 490 10
    B3 绿 Green 560 10
    B4 红 Red 665 10
    B5 红边 Red Edge 705 20
    B6 红边 Red Edge 740 20
    B7 红边 Red Edge 783 20
    B8 近红外 NIR 842 10
    B8A 红边 Red Edge 865 20
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    表  2  不同波段下原始图像与融合图像的指标比较

    Table  2.   Evaluation of fusion image index

    波段号
    Band number
    图像
    Image
    亮度 Brightness 空间细节 Spatial details光谱 Spectrum
    均值
    Mean
    标准差
    Standard deviation
    平均梯度
    Average gradient
    信息熵
    Information entropy
    相关系数
    Correlation coefficient
    B2 原始图像
    Original image
    61.51 43.11 3.69 4.91 0.75
    融合图像
    Fusion image
    64.70 36.65 7.43 4.89
    B3 原始图像
    Original image
    81.39 56.52 4.08 5.20 0.78
    融合图像
    Fusion image
    86.18 49.13 10.29 5.17
    B4 原始图像
    Original image
    65.38 58.90 3.99 5.06 0.79
    融合图像
    Fusion image
    70.61 49.84 9.94 5.04
    B5 原始图像
    Original image
    119.13 71.09 3.32 5.14 0.85
    融合图像
    Fusion image
    124.96 62.99 12.30 5.24
    B6 原始图像
    Original image
    133.95 74.34 3.49 5.14 0.87
    融合图像
    Fusion image
    139.12 67.98 11.48 5.18
    B7 原始图像
    Original image
    133.67 74.08 3.47 5.12 0.87
    融合图像
    Fusion image
    138.73 67.98 11.24 5.18
    B8 原始图像
    Original image
    130.26 74.27 4.00 5.04 0.86
    融合图像
    Fusion image
    135.43 68.01 11.36 5.16
    B8A 原始图像
    Original image
    133.94 74.21 3.40 5.09 0.87
    融合图像
    Fusion image
    139.05 68.18 11.24 5.16
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    表  3  不同分辨率下分类精度比较

    Table  3.   Classification accuracy with images of different resolutions

    数据
    Data
    地类
    Category
    制图精度
    Producer’s accuracy/%
    用户精度
    User’s accuracy/%
    总体精度
    Overall accuracy/%
    Kappa系数
    Kappa coefficient
    Sentinel-2(10 m) 油菜/Rape 86.96 95.24 72.29 0.659
    其他/Others - -
    Sentinel-2(2 m) 油菜/Rape 95.65 84.62 79.52 0.747
    其他/Others - -
    GF-1(2 m) 油菜/Rape 91.30 91.30 81.93 0.775
    其他/Others - -
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    表  4  不同波段组合下分类精度比较

    Table  4.   Classification accuracy under different band combinations

    波段组合Band combination地类Category制图精度Producer’s accuracy/%用户精度User’s accuracy/%总体精度Overall accuracy/%Kappa系数Kappa coefficient
    C1(B2-B3-B4-B8)油菜/Rape95.6578.5773.560.676
    其他/Others--
    C2(B2-B3-B4-B5-B8)油菜/Rape95.6581.4878.310.731
    其他/Others--
    C3(B2-B3-B4-B5-B6-B8)油菜/Rape95.6584.6279.520.747
    其他/Others--
    C4(B2-B3-B4-B5-B6-B7-B8)油菜/Rape10085.1979.520.748
    其他/Others--
    C5(B2-B3-B4-B5-B6-B7-B8-B8A)油菜/Rape10085.1981.930.776
    其他/Others--
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-09
  • 修回日期:  2020-08-19
  • 刊出日期:  2020-08-19

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