生态环境学报 ›› 2026, Vol. 35 ›› Issue (2): 190-198.DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2026.02.003
收稿日期:2025-05-08
修回日期:2025-11-04
接受日期:2025-11-20
出版日期:2026-02-18
发布日期:2026-02-09
通讯作者:
唐淑兰
作者简介:唐淑兰(1979年生),女,副教授,博士,研究方向为多源遥感数据时空融合、模式识别。E-mail: 2007010027@xaufe.edu.cn
基金资助:Received:2025-05-08
Revised:2025-11-04
Accepted:2025-11-20
Online:2026-02-18
Published:2026-02-09
摘要:
碳中和背景下陆地生态系统碳储量的精细化估测具有重要意义。为更精确地利用多源遥感影像调查陆地生态系统碳储量情况,该文提出融合高分1号(GF-1)多尺度特征及哨兵1号(Sentinel-1)结构特征的土地利用分类及碳储量估测方法。对GF-1经特征向量主成分分析的主分量影像进行小波包变换,依据代价函数选出最优小波包树,提取多尺度特征,再结合植被指数特征、Sentinel-1结构特征构造分类向量,利用随机森林(RF)筛选特征完成土地利用分类,最后基于InVEST模型估测碳储量。结果表明:1)GF-1光谱及小波包纹理融合Sentinel-1结构特征后,各土地利用分类总体精度可达92.46%,Kappa为0.91,估测的碳储量值为31.27 Tg,与实测碳储量值相比总体误差为0.81%;2)分类后各土地利用类型中,林地、住宅、水域、耕地、道路、园地、其他未利用土地占比分别为83.29%、2.32%、1.38%、4.44%、1.29%、6.42%、0.86%,对应的碳储量贡献占比分别为91.53%、0.03%、0.08%、2.77%、0.01%、5.50%、0.08%;3)该文方法较仅用GF-1光谱特征估测碳储量的误差降低了3.09%。可见,光学影像经最优小波包变换提取多尺度特征,再结合Sentinel-1的垂直特征,细化了地物分类,提高了碳储量的估测精度。该方法可为碳储量的遥感估测提供借鉴。
中图分类号:
唐淑兰, 张旻曦. 结合GF-1多尺度特征与Sentinel-1结构特征的土地利用分类及碳储量估测[J]. 生态环境学报, 2026, 35(2): 190-198.
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| 影像 | 特征 | 遥感特征因子 |
|---|---|---|
| Sentinel-1 | 后向散射系数 | $V(\mathrm{VV}), V(\mathrm{VH}), V(\mathrm{VV} / \mathrm{VH}), V_{[(\mathrm{VH}-\mathrm{VV}) /(\mathrm{VH}+\mathrm{VV})]}$ |
表1 Sentinel-1影像提取的遥感特征因子
Table 1 Remote sensing feature factors extracted from Sentinel-1 images
| 影像 | 特征 | 遥感特征因子 |
|---|---|---|
| Sentinel-1 | 后向散射系数 | $V(\mathrm{VV}), V(\mathrm{VH}), V(\mathrm{VV} / \mathrm{VH}), V_{[(\mathrm{VH}-\mathrm{VV}) /(\mathrm{VH}+\mathrm{VV})]}$ |
| 土地利用类型 | 碳密度/(t∙hm−2) | |||
|---|---|---|---|---|
| Cabove, i | Cbelow, i | Csoil, i | Cdead, i | |
| 林地 | 9.07 | 24.79 | 16.87 | 2.00 |
| 住宅 | 0.53 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 水域 | 2.80 | 0.00 | 0.01 | 0.00 |
| 耕地 | 1.22 | 17.26 | 11.52 | 0.00 |
| 道路 | 0.46 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 园地 | 7.55 | 18.50 | 10.61 | 4.50 |
| 其他 | 1.30 | 0.00 | 3.14 | 0.00 |
表2 研究区碳密度
Table 2 Carbon density in the studied area
| 土地利用类型 | 碳密度/(t∙hm−2) | |||
|---|---|---|---|---|
| Cabove, i | Cbelow, i | Csoil, i | Cdead, i | |
| 林地 | 9.07 | 24.79 | 16.87 | 2.00 |
| 住宅 | 0.53 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 水域 | 2.80 | 0.00 | 0.01 | 0.00 |
| 耕地 | 1.22 | 17.26 | 11.52 | 0.00 |
| 道路 | 0.46 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 园地 | 7.55 | 18.50 | 10.61 | 4.50 |
| 其他 | 1.30 | 0.00 | 3.14 | 0.00 |
| 节点号 | 节点熵值 | 节点号 | 节点熵值 | 节点号 | 节点熵值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | −26800.0 | 16 | −13.1 | 31 | −24.7 |
| 2 | −29200.0 | 17 | −2.6 | 32 | −3.3 |
| 3 | −100.0 | 18 | −32100.0 | 33 | −5.7 |
| 4 | −54.6 | 19 | −651.0 | 34 | −12.4 |
| 5 | −2.5 | 20 | −467.0 | 35 | −18.9 |
| 6 | −31100.0 | 21 | −102.0 | 36 | −3.9 |
| 7 | −316.0 | 22 | −118.0 | 37 | −5.2 |
| 8 | −190.0 | 23 | −148.0 | 38 | −16.9 |
| 9 | −22.2 | 24 | −18.6 | 39 | −3.2 |
| 10 | −55.1 | 25 | −34.1 | 40 | −12.9 |
| 11 | −40.2 | 26 | −80.7 | 41 | −4.1 |
| 12 | −3.7 | 27 | −15.9 | 42 | −2.7 |
| 13 | −4.3 | 28 | −71.5 | 43 | −1.1 |
| 14 | −36.8 | 29 | −23.4 | 44 | −6.8 |
| 15 | −4.0 | 30 | −22.1 | 45 | −2.7 |
表3 最优树各节点熵值
Table 3 The entropy values of each node in the optimal tree
| 节点号 | 节点熵值 | 节点号 | 节点熵值 | 节点号 | 节点熵值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | −26800.0 | 16 | −13.1 | 31 | −24.7 |
| 2 | −29200.0 | 17 | −2.6 | 32 | −3.3 |
| 3 | −100.0 | 18 | −32100.0 | 33 | −5.7 |
| 4 | −54.6 | 19 | −651.0 | 34 | −12.4 |
| 5 | −2.5 | 20 | −467.0 | 35 | −18.9 |
| 6 | −31100.0 | 21 | −102.0 | 36 | −3.9 |
| 7 | −316.0 | 22 | −118.0 | 37 | −5.2 |
| 8 | −190.0 | 23 | −148.0 | 38 | −16.9 |
| 9 | −22.2 | 24 | −18.6 | 39 | −3.2 |
| 10 | −55.1 | 25 | −34.1 | 40 | −12.9 |
| 11 | −40.2 | 26 | −80.7 | 41 | −4.1 |
| 12 | −3.7 | 27 | −15.9 | 42 | −2.7 |
| 13 | −4.3 | 28 | −71.5 | 43 | −1.1 |
| 14 | −36.8 | 29 | −23.4 | 44 | −6.8 |
| 15 | −4.0 | 30 | −22.1 | 45 | −2.7 |
| 土地利用类型 | 样本均值与背景均值的马氏距离 | ||
|---|---|---|---|
| M1 | M2 | M3 | |
| 林地 | 45.12 | 155.96 | 34.78 |
| 住宅 | 90.79 | 94.88 | 67.89 |
| 水域 | 216.53 | 220.27 | 168.65 |
| 耕地 | 121.08 | 176.78 | 102.43 |
| 道路 | 86.82 | 71.02 | 55.88 |
| 园地 | 115.18 | 125.73 | 81.77 |
| 其他 | 34.34 | 79.61 | 52.65 |
表4 各层样本均值与背景均值的分离度
Table 4 Separation degree between sample mean and background mean at each layer
| 土地利用类型 | 样本均值与背景均值的马氏距离 | ||
|---|---|---|---|
| M1 | M2 | M3 | |
| 林地 | 45.12 | 155.96 | 34.78 |
| 住宅 | 90.79 | 94.88 | 67.89 |
| 水域 | 216.53 | 220.27 | 168.65 |
| 耕地 | 121.08 | 176.78 | 102.43 |
| 道路 | 86.82 | 71.02 | 55.88 |
| 园地 | 115.18 | 125.73 | 81.77 |
| 其他 | 34.34 | 79.61 | 52.65 |
| 样本 | 林地 | 住宅 | 水域 | 耕地 | 道路 | 园地 | 其他 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 数量 | 29113 | 2816 | 1001 | 2674 | 845 | 2598 | 654 |
表5 样本数据集
Table 5 Sample data sets
| 样本 | 林地 | 住宅 | 水域 | 耕地 | 道路 | 园地 | 其他 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 数量 | 29113 | 2816 | 1001 | 2674 | 845 | 2598 | 654 |
| 精度及Kappa系数 | 土地利用类型 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 林地 | 住宅 | 水域 | 耕地 | 园地 | 道路 | 其他 | |
| 生产者精度(PA)/% | 98.24 | 93.78 | 91.36 | 99.13 | 98.10 | 61.69 | 87.70 |
| 用户精度(UA)/% | 99.34 | 99.23 | 85.40 | 98.67 | 86.93 | 81.56 | 99.57 |
| 总体精度(OA)/% | 92.46 | ||||||
| Kappa系数 | 0.91 | ||||||
表6 分类精度
Table 6 Classification accuracy
| 精度及Kappa系数 | 土地利用类型 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 林地 | 住宅 | 水域 | 耕地 | 园地 | 道路 | 其他 | |
| 生产者精度(PA)/% | 98.24 | 93.78 | 91.36 | 99.13 | 98.10 | 61.69 | 87.70 |
| 用户精度(UA)/% | 99.34 | 99.23 | 85.40 | 98.67 | 86.93 | 81.56 | 99.57 |
| 总体精度(OA)/% | 92.46 | ||||||
| Kappa系数 | 0.91 | ||||||
| 土地利用类型 | 林地 | 住宅 | 耕地 | 水域 | 园地 | 道路 | 其他 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 林地 | 93.856 | 0.000 | 0.001 | 0.021 | 3.622 | 0.945 | 0.045 |
| 住宅 | 0.000 | 91.014 | 2.528 | 2.840 | 0.000 | 0.359 | 0.001 |
| 耕地 | 0.088 | 1.179 | 75.953 | 2.290 | 0.750 | 3.727 | 0.011 |
| 水域 | 0.045 | 6.453 | 6.831 | 83.123 | 0.068 | 8.857 | 0.079 |
| 园地 | 5.693 | 0.000 | 7.018 | 1.048 | 93.718 | 14.378 | 0.032 |
| 道路 | 0.001 | 0.173 | 1.245 | 4.121 | 0.601 | 67.895 | 0.001 |
| 其他 | 0.317 | 0.443 | 0.972 | 3.861 | 0.040 | 0.277 | 99.834 |
表7 分类混淆累计百分比
Table 7 Cumulative percentage of classification confusion
| 土地利用类型 | 林地 | 住宅 | 耕地 | 水域 | 园地 | 道路 | 其他 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 林地 | 93.856 | 0.000 | 0.001 | 0.021 | 3.622 | 0.945 | 0.045 |
| 住宅 | 0.000 | 91.014 | 2.528 | 2.840 | 0.000 | 0.359 | 0.001 |
| 耕地 | 0.088 | 1.179 | 75.953 | 2.290 | 0.750 | 3.727 | 0.011 |
| 水域 | 0.045 | 6.453 | 6.831 | 83.123 | 0.068 | 8.857 | 0.079 |
| 园地 | 5.693 | 0.000 | 7.018 | 1.048 | 93.718 | 14.378 | 0.032 |
| 道路 | 0.001 | 0.173 | 1.245 | 4.121 | 0.601 | 67.895 | 0.001 |
| 其他 | 0.317 | 0.443 | 0.972 | 3.861 | 0.040 | 0.277 | 99.834 |
| 不同遥感数据的碳储量估测法 | 碳储量/Tg | 误差/% |
|---|---|---|
| G | 32.23 | 3.90 |
| G+W | 32.01 | 3.19 |
| G+W+S | 31.27 | 0.81 |
表8 不同遥感数据碳储量估测误差对比
Table 8 Comparison of carbon storage estimation errors for different remote sensing data
| 不同遥感数据的碳储量估测法 | 碳储量/Tg | 误差/% |
|---|---|---|
| G | 32.23 | 3.90 |
| G+W | 32.01 | 3.19 |
| G+W+S | 31.27 | 0.81 |
| 碳储量估测方法 | 碳储量/Tg | 误差/% |
|---|---|---|
| G+W+S | 31.27 | 0.81 |
| RF | 31.90 | 2.84 |
| KNN | 32.05 | 3.32 |
表9 与其他碳储量估测模型对比
Table 9 Comparison with other carbon storage estimation models
| 碳储量估测方法 | 碳储量/Tg | 误差/% |
|---|---|---|
| G+W+S | 31.27 | 0.81 |
| RF | 31.90 | 2.84 |
| KNN | 32.05 | 3.32 |
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