基于決策樹的林業(yè)遙感影像分類Classification of RS Image based on Decision Tree Classifier一、 實(shí)習(xí)目的與要求林業(yè)遙感是遙感技術(shù)在林業(yè)經(jīng)營(yíng)中具體應(yīng)用的實(shí)用性強(qiáng)的專業(yè)課，旨在培養(yǎng)學(xué)生利用遙感手段進(jìn)行森林資源監(jiān)測(cè)和管理的基本技能，實(shí)習(xí)的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生使用GPS進(jìn)行野外地形參數(shù)的手工測(cè)量，內(nèi)業(yè)計(jì)算機(jī)遙感圖像的幾何精校正和探索學(xué)習(xí)決策樹分類方法對(duì)林業(yè)遙感影像進(jìn)行分類研究的動(dòng)手能力。通過實(shí)習(xí)，加深遙感技術(shù)在森林資源監(jiān)測(cè)和管理中的應(yīng)用和理解。二、 實(shí)習(xí)內(nèi)容1) GPS采集地面控制點(diǎn)坐標(biāo)（經(jīng)緯度或平面直角坐標(biāo)）以及地形參數(shù)（坡度，坡向）2) 野外訓(xùn)練區(qū)的地面調(diào)查3) 內(nèi)業(yè)遙感圖像的幾何精校正4) ENVI圖像處理軟件決策樹分類器建立逐級(jí)決策規(guī)則5) 決策規(guī)則的修改與添加（與實(shí)地調(diào)查進(jìn)行比較分析）6) 利用建立的決策規(guī)則對(duì)林業(yè)遙感圖像進(jìn)行分類7) 保存分類規(guī)則與分類圖像三、 實(shí)習(xí)中涉及的理論知識(shí)1 決策樹分類簡(jiǎn)介與其它分類方法相比，決策樹分類具有如下特點(diǎn)：1）決策樹分類是非參數(shù)分類，因此其獨(dú)立于訓(xùn)練區(qū)像元亮度值的統(tǒng)計(jì)分布模式；2）決策樹分類時(shí)模型的輸入既可以是連續(xù)的光譜波段值，也可以是離散的數(shù)值，甚至是定名變量；3）分類結(jié)束后可以生成易于解譯的分類判別準(zhǔn)則文件；4）樣本訓(xùn)練的速度快，分類精度通常高于其它的分類器2 決策樹分類原理決策樹分類實(shí)質(zhì)是利用輸入分類器的多元特征參數(shù)，從多角度挖掘出蘊(yùn)藏在其中的模式類別間的差異，并建立起“特征識(shí)別矩陣”（類似于判讀檢索表），其外在表現(xiàn)為多個(gè)“If Then, else if then”的連用，就如同數(shù)學(xué)上的多個(gè)集合求交集運(yùn)算，從而將滿足交集條件的模式與不滿足交集條件的模式區(qū)分開來，實(shí)現(xiàn)不同模式類別的自動(dòng)識(shí)別。具體地講，決策樹可以像分類過程一樣被定義，依據(jù)某種規(guī)則將窨數(shù)據(jù)集一級(jí)級(jí)往下細(xì)分以定義決策樹的各個(gè)分支。決策樹由一個(gè)根結(jié)點(diǎn)，一系列內(nèi)部結(jié)點(diǎn)及終極結(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)父結(jié)點(diǎn)和兩個(gè)或多個(gè)子結(jié)點(diǎn)。根據(jù)決策樹的構(gòu)成思想，以選定的樣本數(shù)據(jù)為對(duì)象逐級(jí)找到分類樹的結(jié)點(diǎn)，并且在每個(gè)結(jié)點(diǎn)上記錄所選的空間數(shù)據(jù)圖層的編號(hào)以及相應(yīng)的判別函數(shù)參數(shù)，從而有可能反過來從樹根到葉按照生成的判別規(guī)則，逐級(jí)地在每個(gè)結(jié)點(diǎn)上對(duì)樣本數(shù)據(jù)以外的待分類數(shù)據(jù)進(jìn)行分類3 本實(shí)習(xí)決策樹分類規(guī)則描述類1(class 1)：NDVI值大于0.3，坡度大于或等于20度類2(class 2)：NDVI值大于0.3，坡度小于20度，陰坡類3(class 3)：NDVI值大于0.3，坡度小于20度，陽(yáng)坡類4(class 4)：NDVI值小于或等于0.3，波段4的值大于或等于20類5(class 5)：NDVI值小于或等于0.3，波段4的值小于20類6(class 6)：波段4的值等于0類7(class 7)：波段1的值小于波段1的均值決策樹分類規(guī)則是在決策樹分類過程中不斷修改和添加的，為了實(shí)現(xiàn)逐步分類更加精細(xì)與準(zhǔn)確四、 實(shí)習(xí)步驟1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集在中山陵地區(qū)選取若干樣點(diǎn)，利用GPS記錄樣點(diǎn)坐標(biāo)，測(cè)定相應(yīng)位置的地形參數(shù)。目的：練習(xí)使用GPS以及DEM的建立方法。2 研究資料確定與處理1) 運(yùn)行ENVI軟件，打開并顯示對(duì)決策樹分類有貢獻(xiàn)的影像文件：bouldr_tm.dat (Landsat 5 TM影像) 與boulder_dem.dat（相應(yīng)的DEM空間子集）2) 投影類型轉(zhuǎn)換查看bouldr_tm影像特征：Projection : UTM Pixel: 30 Meters Datum: NAD 27查看boulder_dem影像特征：Projection : GAUSS-KRUGER Pixel: 30 Meters Datum: WGS84以bouldr_tm影像為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換boulder_dem影像的投影類型：運(yùn)行ENVI軟件，點(diǎn)擊Map/Convert Map Projection，在彈出的Convert Map Projection Input Image中選擇boulder_dem，在彈出的Convert Map Projection對(duì)話框中選擇UTM，DATUM選擇NAD 27，可選擇多項(xiàng)式和最鄰近點(diǎn)方式，保存投影類型轉(zhuǎn)換后的圖像。3）圖像配準(zhǔn)為提高TM影像的分辨率，從而提高分類精度，以bouldr_tm影像與相應(yīng)地區(qū)的SPOT影像配準(zhǔn)（SPOT為已經(jīng)過精校正的影像，空間分辨率為10m）配準(zhǔn)方法：點(diǎn)擊Map/Registration/Select GCPs: Image to Image，使得bouldr_tm影像的分辨率也達(dá)到10m，查看配準(zhǔn)后的影像特征：Projection : UTMPixel: 10 MetersDatum: NAD 27bouldr_tmboulder_dem如圖1所示：3 輸入決策樹規(guī)則1） 選擇Classification/Decision Tree/Build new decision tree，打開決策樹工具決策樹工具打開時(shí)就只有一個(gè)空的決策節(jié)點(diǎn)，在這個(gè)空的節(jié)點(diǎn)中輸入任意條件的決策表達(dá)式，將該數(shù)據(jù)集的像素分為兩組2） 第一個(gè)決策要基于landsat影像。要定義這個(gè)決策點(diǎn)，點(diǎn)擊決策節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前這個(gè)節(jié)點(diǎn)被標(biāo)注為Node，輸入表達(dá)式：ndvi gt 0.3這個(gè)決策將像素分為兩類，一類為綠色植被，另一類為非植被3） 指定應(yīng)用決策表達(dá)式的文件在出現(xiàn)的Variables/Files Pairing對(duì)話框中，點(diǎn)擊ndvi，在隨后出現(xiàn)的對(duì)話框中選擇bouldr_tm影像，這表明當(dāng)上述決策規(guī)則計(jì)算時(shí)，NDVI值將從bouldr_tm影像中計(jì)算出來這里ENVI會(huì)根據(jù)NDVI這個(gè)特定名稱，自動(dòng)搜索所需的紅波段和近紅外波段，計(jì)算出NDVI值4） 完成第一個(gè)簡(jiǎn)單決策樹分類器，NDVI大于0.3被分成白色類，NDVI值小于或等于0.3像素被分為黑色。4 輸入決策樹附加規(guī)則1） 右鍵點(diǎn)擊Class 1的節(jié)點(diǎn)，從彈出的快捷菜單中選擇Add Children，從而將NDVI大的那類細(xì)分為兩個(gè)新的子類2） 點(diǎn)擊空白節(jié)點(diǎn)，并在Edit Decision Parameters對(duì)話框中，輸入下面這個(gè)決策規(guī)則：Slope lt 20這個(gè)決策規(guī)則將根據(jù)坡面的陡峭程度，將NDVI值高的像素分為兩類，同樣，ENVI會(huì)根據(jù)Slope(坡度)這個(gè)特定名稱，自動(dòng)搜索計(jì)算Slope值3） 在節(jié)點(diǎn)的Name區(qū)域，輸入slope20，點(diǎn)擊OK4） 指定應(yīng)用決策表達(dá)式的文件在出現(xiàn)的Variables/Files Pairing對(duì)話框中，點(diǎn)擊slope，在隨后出現(xiàn)的對(duì)話框中選擇boulder_dem影像，這表明當(dāng)上述決策規(guī)則計(jì)算時(shí)，slope值將從boulder_dem影像中計(jì)算出來5） 繼續(xù)添加決策規(guī)則右鍵點(diǎn)擊綠色的端元節(jié)點(diǎn)，它包括了NDVI值高、坡度低的那類像素，從彈出的快捷菜單中，選擇Add Children。點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)，在Edit Decision Parameters對(duì)話框中，輸入下面這個(gè)決策規(guī)則：aspect lt 20 and aspect gt 340這個(gè)決策將把NDVI值高、坡度小的那些像素，分為坡面北朝向的和坡面北朝向不顯著的兩類。6） 在節(jié)點(diǎn)的Name區(qū)域，輸入North，點(diǎn)擊OK7） 指定應(yīng)用決策表達(dá)式的文件在出現(xiàn)的Variables/Files Pairing對(duì)話框中，點(diǎn)擊aspect，在隨后出現(xiàn)的對(duì)話框中選擇boulder_dem影像，這表明當(dāng)上述決策規(guī)則計(jì)算時(shí)，aspect值將從boulder_dem影像中計(jì)算出來8） 在節(jié)點(diǎn)的Name區(qū)域，輸入North，點(diǎn)擊OK9） 繼續(xù)添加決策規(guī)則右鍵點(diǎn)擊黑色的端元節(jié)點(diǎn)，它包括了NDVI值低的那類像素，從彈出的快捷菜單中，選擇Add Children。點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)，在Edit Decision Parameters對(duì)話框中，輸入下面這個(gè)決策規(guī)則：b4 lt 20這個(gè)決策規(guī)則將水體非植被中分離出來，經(jīng)過目視解譯遙感影像發(fā)現(xiàn)，在波段4中，像素值小于20的主要是水體10） 指定應(yīng)用決策表達(dá)式的文件在出現(xiàn)的Variables/Files Pairing對(duì)話框中，點(diǎn)擊b4，在隨后出現(xiàn)的對(duì)話框中選擇bouldr_tm影像11） 在節(jié)點(diǎn)的Name區(qū)域，輸入Low B4，點(diǎn)擊OK決策樹如圖2所示：應(yīng)用決策表達(dá)式的文件如圖3所示：5 執(zhí)行決策樹1） 選擇Options/Execute2） 在Decision Tree Execution Parameters對(duì)話框中，點(diǎn)擊bouldr_tm影像，作為基準(zhǔn)影像。其它影像的地圖投影，像素大小和范圍都將被自動(dòng)調(diào)整，以匹配該基準(zhǔn)影像3） 輸入要輸出的分類影像文件名，保存6 查看決策樹分類結(jié)果1） 輸出的決策樹分類結(jié)果中，給定像素的顏色是由分類指定的端元節(jié)點(diǎn)的顏色確定的。Class1，Class2，Class3，Class4，Class5分別對(duì)應(yīng)紅色，綠色，藍(lán)色，黃色，藍(lán)綠色。如下圖所示2） 查看決策樹信息在ENVI Decision Tree對(duì)話框的空白背景上，點(diǎn)擊右鍵，從彈出的對(duì)話框中，選擇Zoom In，現(xiàn)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽都會(huì)顯示像素的個(gè)數(shù)以及所包含像素點(diǎn)總影像像素的百分比。如下圖所示：7 修改決策樹1） 添加新的決策執(zhí)行完決策樹后查看分類結(jié)果，發(fā)現(xiàn)上述決策規(guī)則中，波段4小于20的那些像素中，某些像素是邊緣像素，值為0，以藍(lán)綠色顯示，因此需修改決策樹：在波段4的值小于20的那些像素的端元節(jié)點(diǎn)上，點(diǎn)擊右鍵，并從彈出的快捷菜單中，選擇Add Children。點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)，在Edit Decision Parameters對(duì)話框中，輸入下面這個(gè)決策規(guī)則：b4 eq 0在Name文本框中，輸入B4=02） 執(zhí)行新添加的決策，此時(shí)輸出結(jié)果中，邊緣像素就歸為另一類了，以紅紫色表示如下圖所示：8 在決策表達(dá)式中使用波段索引幾個(gè)內(nèi)置的決策樹變量在決策表達(dá)式使用過程中，需要波段索引1） 在黃色端元節(jié)點(diǎn)上，點(diǎn)擊右鍵，該節(jié)點(diǎn)包括了NDVI值低但波段4的值高的那一類像素。從快捷菜單中，選擇Add Children。點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)，在Edit Decision Parameters對(duì)話框中，輸入下面這個(gè)決策規(guī)則：b1 lt mean1 在Name文本框中，輸入Low B1該表達(dá)式將判斷波段1的像素值是否小于波段1的均值2） 指定應(yīng)用決策表達(dá)式的文件在出現(xiàn)的Variables/Files Pairing對(duì)話框中，點(diǎn)擊b1，在隨后出現(xiàn)的對(duì)話框中選擇bouldr_tm影像的band 1在出現(xiàn)的Variables/Files Pairing對(duì)話框中，點(diǎn)擊mean，在隨后出現(xiàn)的對(duì)話框中選擇bouldr_tm影像如下圖所示：3） 運(yùn)行決策樹4） 查看結(jié)果，波段1的值較低的某些黃色像素的顏色已變?yōu)榘导t色如下圖所示：9 修剪決策樹在使用決策樹的過程中，經(jīng)常需要測(cè)試某個(gè)指定的子