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基于Landsat时间序列和机器学习的莫桑比克北部地区土地利用和土地覆盖分类

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目:Land Use and Land Cover Classification in the Northern Region of Mozambique Based on Landsat Time Series and Machine Learning

期刊:ISPRS International Journal of Geo-Information

第一作者:Lucrêncio Silvestre Macarringue

发表单位:ISPRS International Journal of Geo-Information

发表日期:2023年




1. 摘要 

研究背景:土地利用和土地覆盖是评估环境变化和制定可持续发展政策的重要指标。然而,在莫桑比克北部地区,由于地理条件和数据可用性的限制,传统的土地利用和土地覆盖分类方法存在一定的困难。本研究旨在利用Landsat时间序列和机器学习方法,对莫桑比克北部地区的土地利用和土地覆盖进行分类和分析。

拟解决的科学问题:本研究旨在解决以下科学问题:1. 如何利用Landsat时间序列数据对莫桑比克北部地区的土地利用和土地覆盖进行分类和监测?2. 机器学习方法在莫桑比克北部地区土地利用和土地覆盖分类中的效果如何?3. 土地利用和土地覆盖的变化对莫桑比克北部地区的环境和社会经济有何影响?

创新点:这项研究提出了一种改进当前系统性映射方法的方法,通过最小化方法间的空白并减少冗余数据,从而提高了莫桑比克北部地区的LULC映射的准确性

    



2. 研究方法 

       本研究采用了以下方法:1. 收集莫桑比克北部地区的Landsat时间序列数据,包括多期的卫星图像数据。2. 进行数据预处理,包括辐射校正、云层去除等。3. 利用机器学习算法,如支持向量机(SVM)和随机森林(RF),对土地利用和土地覆盖进行分类和监测。4. 评估分类结果的准确性和稳定性,包括与地面真实数据的对比和误差分析。

这项研究中使用的图像处理方法的方法步骤流程图。LULC表示土地利用和土地覆盖;RF表示随机森林




3. 研究结果 

       最终的地图包括五个LULC类别(非植被区域、建设区域、耕地、开阔常绿和落叶林、茂密植被),整体精度在80.5%到88.7%之间。2011年至2020年的LULC变化检测表明,非植被区域增加了0.7%,建设区域增加了2.0%,茂密植被增加了1.3%。另一方面,开阔常绿和落叶林减少了4.1%,耕地减少了0.01%。本文采用的方法通过减小方法上的差距和缩小时间幅度,改善了莫桑比克目前系统性的制图方法,从而支持区域领土发展政策。

       这项研究利用了覆盖24张图像的Landsat 7 ETM+和Landsat 8 OLI卫星获取的密集数据。研究表明,随机森林(RF)算法适用于分析和测试模型的变量选择。使用光谱指数及其按重要性排名、使用中值进行数据缩减以及确定分类所需的类别数量在这项研究中被证明是相关的,因为它们在考虑到区域特征和处理数据量的情况下提供了良好的准确性。这些步骤显著减少了数据量,促使并加速了分析过程

莫桑比克研究区的位置,显示了在2020年采集的训练样本(青色)和验证样本(黄色)。来源:莫桑比克国家制图和遥感中心(CENACARTA)的数据库

基于树的大小(A)、变量的数量(B)和观察到的准确性(C),展示了每年最能解释模型的准确性

基于树数=500和mtry=25的情况下,展示了2020年变量的重要性,仅供说明目的

散点图显示了2020年各变量之间的关系以及映射类别的空间可分离性。 BA表示建设区域,NVA表示非植被区域,OEDF表示开阔常绿和落叶林,DV表示茂密植被,CL表示耕地

在莫桑比克北部地区,通过Landsat和高分辨率图像观察到的农业区域和建设/城市区域的主要特征。在中间和右侧图像中的符号表示在左侧照片中显示区域的确切位置

莫桑比克北部地区2011年、2016年和2020年的土地利用和土地覆盖地图。每年各类别的比例显示在图例中

图形显示了2011年至2016年(A)、2016年至2020年(B)以及2011年至2020年(C)之间的土地利用和土地覆盖的过渡情况。DV表示茂密植被,OEDF表示开阔常绿和落叶林,CL表示耕地,BA表示建设区域,NVA表示非植被区域

2011年至2020年间土地利用和土地覆盖的变化,显示了所有的过渡情况(A),并突出显示了森林(茂密植被)的过渡情况(B)

莫桑比克北部地区土地利用和土地覆盖的时空分类以及2011年至2020年间森林覆盖的变化,突出显示了森林表达增加和与森林相关的过渡区域

    



4. 结果与讨论 

     研究区域的森林覆盖相对受损但稳定。与热带草原的相互转化相关的变化较小。这需要在区域或国家范围内进行监测,以防止这种情况的扩展。因此,强烈鼓励开展更多的研究。本研究呈现的工作流程显示了在土地利用和土地覆盖(LULC)分类中数据降维步骤的相关性,为探索基于特征选择和特征提取的其他方法打开了可能性。还需要仔细分析的其他关键组成部分包括定义类别的数量和样本大小。在该地区进行的类似研究应该仔细定义类别和样本大小

       RF算法和GEE平台适用于特征选择和分类过程 ,显著减少了处理时间。同样的数据在其他地理信息系统和数字图像处理软件中进行的少数处理试验被证明不合适,因为它们在所需的时间内未完成。建议进行补充性研究,利用额外的数据和技术,如从灰度共生矩阵(GLCM)中提取的纹理属性,以及其他光谱、空间和时间指数以及其他特征选择方法,应该进行测试,并结合时间序列分析以提高分类准确性

    

参考文献:Macarringue S L ,Bolfe L É ,Duverger G S , et al.Land Use and Land Cover Classification in the Northern Region of Mozambique Based on Landsat Time Series and Machine Learning[J].ISPRS International Journal of Geo-Information,2023,12(8):

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