【摘 要】
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我国森林面积广阔,树木的种类繁多,森林分类作为森林资源监测的最重要指标之一,在森林资源调查中具有重要的研究价值。传统的遥感图像森林分类方法采用人工特征提取,既费时费力,识别效果又较差。综合考虑遥感图像的特点和卷积神经网络在图像分类中的优势,将两者结合应用于森林分类中,可以提高分类效率和准确度。本文提出了一种基于卷积神经网络里的残差网络ResNet50结构优化的U-Net语义分割模型,并且使用迁移学
【基金项目】
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公益性行业科研专项(201304215)“林业资源多层次信息服务技术研究”后续研究课题“林业资源信息更新服务技术”
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我国森林面积广阔,树木的种类繁多,森林分类作为森林资源监测的最重要指标之一,在森林资源调查中具有重要的研究价值。传统的遥感图像森林分类方法采用人工特征提取,既费时费力,识别效果又较差。综合考虑遥感图像的特点和卷积神经网络在图像分类中的优势,将两者结合应用于森林分类中,可以提高分类效率和准确度。本文提出了一种基于卷积神经网络里的残差网络ResNet50结构优化的U-Net语义分割模型,并且使用迁移学习的方法保留了大型数据集进行网络模型训练的参数,两种方法都有效解决小样本的学习深度不够,同时提升了实验流程的效率和以及实验优化模型的精度。最终利用本文中构建的ResNet50&U-Net模型提取了研究区六种类别的树种组。研究结论如下:(1)本文中的ResNet50&U-Net模型在数据B432中训练,获得的结果为:整体分类像素准确率为93.46%。类别像素准确率(CPA)分别为:松柏组的像素准确率80.03%,花卉苗木和灌木组的像素准确率为78.87%,经济林组的像素准确率为60.39%,阔叶树组的像素准确率为81.23%,杉木组的像素准确率为84.78%,竹林组的像素准确率为81.85%,其它类的像素准确率为89.55%。在该数据中类别像素平均准确率(MPA)为82.09%,平均交并比(MIoU)为72.79%。而在数据B843中的整体分类像素准确率为93.71%,类别像素准确率分别(CPA)为:阔叶组的像素准确率为75.24%,松柏组的像素准确率为84.16%,杉木组的像素准确率为84.33%,经济林组的像素准确率为63.00%,竹林组的像素准确率为83.37%,花卉苗木和灌木组的像素准确率为79.21%,其它类的像素准确率为88.97%。类别像素平均准确率(MPA)为82.28%,平均交并比(MIoU)为73.26%。不同波段组合的数据相比精度相差不大,说明了本文模型的稳定性。而与其它的U-Net、BP神经网络、支持向量机和随机森林相比精度相对较高,则说明了本文的ResNet50&U-Net模型具有一定的先进性和可行性。(2)ResNet50&U-Net模型对新邵县的预测结果计算各类的面积:在数据B432预测结果中,阔叶组的面积为1.6400 ×10~2km~2,松柏组的面积为3.7566×10~2km~2,杉木组的面积为1.8749×10~2km~2,经济林组的面积为0.2136×10~2km~2,竹林组的面积为1.9883×]02km~2,花卉苗木和灌木组的面积为0.4834×10~2km~2,其它组的面积为7.6538×10~2km~2。而在数据B843预测结果中,阔叶组面积为1.4036×10~2km~2,松柏组面积为4.0547×10~2km~2,杉木组面积为1.8668×10~2km~2,经济林组面积为0.2196×10~2km~2,竹林组面积为2.0603×10~2km~2,花卉苗木和灌木组的面积为0.4937×10~2km~2,其它组的面积为7.5118×10~2km~2。结果与新邵县森林资源二类调查中的实际面积相近,进一步验证了本文的ResNet50&U-Net模型可行性。(3)ResNet50&U-Net模型提取新邵县2017年各树种组与2020年的各树种组类别的面积对比分析。得到2017年的森林总面积为10.1504×10~2km~2,而2020年的森林总面积为9.9568×10~2km~2。到2020年森林面积减少了 0.1936×10~2km~2。其中阔叶组面积增加了0.1205×10~2km~2,松柏组面积不变,杉木组面积减少了 0.0309×10~2km~2,经济林组减少了0.0863×10~2km~2,竹林组面积减少了 0.1564×10~2km~2,花卉苗木和灌木组面积减少0.0405×10~2km~2。验证了 ResNet50&U-Net模型在林业资源信息更新应用中的可行性。
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