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基于APSMnet的粤港澳大湾区长时间序列湿地分类

GEE遥感训练营  · 公众号  ·  · 2024-04-07 19:17

正文

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题目 :Long-term series wetland classification of Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area based on APSMnet

期刊:International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation

第一作者:Anjun Lou

发表单位:中山大学

发表日期:2024年




1. 摘要

研究背景: 湿地在实现碳峰值和碳中和目标方面发挥着至关重要的作用。 探索时空分布 是湿地研究的基本任务之一。然而,现有的大规模和长期系列湿地制图方法存在与 分类准确性 获取年际湿地样本 相关的挑战。因此, 需要一种快速的样本收集和精确的分类方法 来支持湿地资源评估、保护和生态恢复。

拟解决的科学问题: 旨在解决广东-香港-澳门大湾区(GBA)湿地退化的紧迫问题,并支持可持续发展。研究的主要科学问题是如何预测从2020年到2035年在GBA的 湿地面积变化 以及在各种情景下评 估土地退化中性(LDN) 。这对于指导城市可持续发展和报告可持续发展目标(SDGs)至关重要。

创新点: 这项研究的创新之处在于其全面预测未来湿地变化和评估LDN在各种情景下的方法。通过整合 多种建模技术 并评估不同的发展情景,该研究为GBA的城市可持续发展和SDG报告提供了宝贵的见解。这种方法可以应用于其他面临类似挑战的区域,为全球保护和恢复湿地的努力做出贡献。



2. 研究方法

在本文中,提出了一种适用于 大规模和长时间序列 的新型湿地分类方法。该方法包括三个步骤:(1) 数据预处理 ,在Google Earth Engine(GEE)平台上进行云去除和伪不变特征校正;(2) 最大湿地范围提取 ,利用Otsu算法(OTSU)(Otsu,1979)和决策树算法(Liu等,2022)消除裸土和建成区域;(3) 湿地分类和变化分析 ,利用提出的基于注意力和金字塔结构的多维特征提取网络(APSMnet)和年际样本迁移算法(ISM)对研究区域的长期系列湿地数据集进行分类。

所提出的湿地分类方法的总体体系结构

APSMnet的架构。(a)是APSMnet的概述,(b)是ResConv块的详细架构,(c)是Transformer块的详细架构




3. 研究结果

在本文中,提出了一种适用于 大规模和长时间序列湿地分类 的新方法。该方法的基本思想是从在GEE平台上预处理的数据中提取最大湿地范围,然后利用所 提出的APSMnet和ISM 进行长时间序列湿地分类和变化分析。与现有的湿地分类方法不同,所提出的方法具有两个优点。首先,提出了一种APSMnet方法,它可以 充分采用注意力机制和金字塔结构 ,在 大规模和长时间序列湿地分类中实现高精度 。其次,提出了一种ISM方法,它采用自动化阈值分割 提取多年不变样本 ,从而提高了分类效率。
在2000年至2022年的GBA Landsat 7数据集上进行了大量实验。与其他方法相比,总体精度(OA)、平均精度(AA)和kappa系数(Kappa)至少 分别提高了0.0209、0.0395和0.0267 。23年的分类结果显示,红树林/沼泽地区经历了波动、恢复和最终稳定。自2019年以来,养殖池区域相对较低,而其他湿地保持稳定。 ISM和APSMnet方法解决了大规模、长时间序列湿地分类中高效样本获取和分类准确性的挑战 。建立了23年的GBA 湿地分类数据集 ,支持研究区域湿地资源管理和生态保护。未来的研究可以通过整合多源遥感数据,包括Sentinel-2数据、SAR和高光谱数据,来提高分类精度。此外,还应进一步探索其他深度学习技术,如多模态学习。

本文的研究区

在提取2000年最大湿地范围之前和之后的假彩图像对比。 (a)是原始图像,(b)中的非白色区域代表最大湿地范围。 为了清晰起见,(a)和(b)中箭头指示的小图像对应于各自的放大细节

(a)ResNet、(b)3DCSN、(c)Vit、(d)CoatNet、(e)RF、(f)SVM和(g)APSMnet的误差矩阵

不同分类方法的分类地图。 第一列显示了不同比较方法的分类地图,而第二至第四列分别展示了区域a、b和c的放大细节

APSMnet和全球土地覆盖产品的分类地图。 每个产品显示了GBA的分类地图和区域a、b和c的放大细节

APSMnet的不同阶段特征描述。 第一和第二列分别展示真彩(T)和假彩(F)图像,而第三到最后一列分别代表通道0、5、10、15、20和25的特征

2000年至2022年间,APSMnet方法的(a)总体精度(OA)、(b)平均精度(AA)和(c)kappa系数(Kappa)的箱线图

基于APSMnet的2000-2022年的GBA分类图

上方分类图的放大细节

在这23年的时间段内,(a)湿地类型和(b)非湿地类型的土地覆盖总面积

2000年至2022年间,土地覆盖在特定地区发生了显著的变化

使用桑基图来展示广东-香港-澳门大湾区(GBA)的土地覆盖类型变化



4. 结果与讨论

研究的结论表明,从2020年到2035年,预计植被湿地、潮湿地和农田池域将增加,而沿海浅水和河流域将减少,所有情景下都是如此。 ERPS情景,强调生态保护和恢复,显示与LDN目标之间的最小差距,其次是HDS、EDS和NIS情景。 ERPS情景还具有最低的SDG 15.3.1指标值0.85%,表明最可持续的发展路径。

参考文献 :Lou A ,He Z ,Zhou C , et al.Long-term series wetland classification of Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area based on APSMnet[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation,2024,128103765-.

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