1、第10卷第3期2006年5月遙感學(xué)報(bào)JOURNAL OF RE MOTE SENSI N GVol .10,No .3M ay,2006收稿日期:2005201210;修訂日期:2005208202基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40501001和國(guó)家863項(xiàng)目(2003AA131080支持。作者簡(jiǎn)介:劉旭攏(1978,女,碩士,現(xiàn)從事土地覆蓋遙感監(jiān)測(cè)與精度評(píng)估研究。E 2mail:lxl ongires .cn 。文章編號(hào):100724619(20060320366207遙感圖像分類精度的點(diǎn)、群樣本檢驗(yàn)與評(píng)估劉旭攏,何春陽(yáng),潘耀忠,楊明川,張錦水(北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

2、室,北京師范大學(xué)資源學(xué)院,北京100875摘要:遙感專題分類結(jié)果在使用前,必須進(jìn)行客觀可靠的精度驗(yàn)證和分析,以保持遙感分類結(jié)果的可靠性。本文利用不同分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取的同一地區(qū)土地利用/覆蓋信息,進(jìn)行了簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣、系統(tǒng)抽樣和分層抽樣三種不同抽樣組織方式下的點(diǎn)樣本和群樣本檢驗(yàn)分析,評(píng)估了不同抽樣方式下的點(diǎn)樣本和群樣本檢驗(yàn)效果。研究結(jié)果表明:(1抽樣方式對(duì)遙感分類精度評(píng)價(jià)結(jié)果的影響是客觀存在的,不同抽樣方式下的點(diǎn)樣本和群樣本檢驗(yàn)結(jié)果都存在一定的隨機(jī)性,但同一種抽樣方式下,點(diǎn)樣本檢驗(yàn)精度評(píng)估結(jié)果的波動(dòng)幅度小于群樣本檢驗(yàn),穩(wěn)定性比群樣本檢驗(yàn)要好;(2不同抽樣方式下的多次點(diǎn)樣本和群樣本檢驗(yàn)的平均精度檢

3、驗(yàn)結(jié)果基本上都能夠反映分類圖像的精度特征,其中,點(diǎn)樣本檢驗(yàn)中,分層隨機(jī)抽樣點(diǎn)樣本檢驗(yàn)效果較好;群樣本檢驗(yàn)中,系統(tǒng)抽樣群樣本檢驗(yàn)和分層隨機(jī)抽樣群樣本檢驗(yàn)的效果優(yōu)于簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣群樣本檢驗(yàn)。關(guān)鍵詞:遙感分類;精度評(píng)估;點(diǎn)樣本檢驗(yàn);群樣本檢驗(yàn)中圖分類號(hào):TP751.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AAccuracy A ssess m en t of Thema ti c C l a ssi f i ca ti on Ba sed on Po i n t and C luster Sam pleL I U Xu 2long,HE Chun 2yang,PAN Yao 2zhong,Y ANG M ing 2chuan,

4、ZHANG Jin 2shui(Key L aboratory of Environm ental Change and N atural D isaster ,M inistry of Education of China,B eijing N or m al U niversity;College of Resources Science &Technology,B eijing N or m al U niversity,B eijing 100875,China Abstract:I n order to assure the app lication of thematic clas

5、sification,it is very i mportant and necessary to make a rigorous accuracy assess ment .I n this paper,we use samp ling 2methods of point and cluster samp le to assess the accuracy of the same regi on s land 2use /land 2cover thematic map s,which are derived fr om different resoluti on remote sensin

6、g data .Here,Samp ling designs are consisted of si m p le random,systematic and stratified samp ling .The results are as foll owing .Firstly,the samp ling design has great i mpact on the accuracy of remote sensing classification .There exists great random icity on the result of points and cluster sa

7、mp le verification on the different Samp ling design .On the same samp ling design,the stability of point samp le verification is higher than that of Cluster samp le verificati on .Secondly,the average accuracy of different samp ling designs of multi 2point and multi 2cluster samp le verificati on c

8、an reflect the accuracy characteristic .During the course of point samp le verification,stratified samp ling s err or is lo wer than others .During the course of cluster samp le verification,systematic samp ling and stratified samp ling s accuracy are p rior to si mp le random samp ling s .Key words

9、:remote sensing classificati on;accuracy assess ment;point samp le;cluster samp le第3期劉旭攏等:遙感圖像分類精度的點(diǎn)、群樣本檢驗(yàn)與評(píng)估3671引言遙感專題分類結(jié)果在使用前,必須進(jìn)行客觀可靠的精度驗(yàn)證和分析。同一遙感分類結(jié)果,精度評(píng)價(jià)的方式不同,評(píng)價(jià)結(jié)果就有可能不同,因此很有必要對(duì)遙感精度評(píng)價(jià)過(guò)程中影響精度評(píng)價(jià)結(jié)果的各種因素進(jìn)行細(xì)致深入的分析。一般地,目前影響遙感精度評(píng)價(jià)的因素主要包括抽樣方法、參考數(shù)據(jù)和評(píng)估參數(shù)三個(gè)方面1,其中,抽樣樣本的設(shè)計(jì)和選擇尤為關(guān)鍵。目前,從抽樣單元上看,遙感分類精度評(píng)估方式主要可以分為

10、點(diǎn)樣本檢驗(yàn)和群樣本檢驗(yàn)兩類2。點(diǎn)樣本檢驗(yàn)以單個(gè)像元作為基本的抽樣單元,利用參考數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)基本抽樣像元的分析,達(dá)到對(duì)分類結(jié)果的總體精度評(píng)估。群樣本檢驗(yàn)則以像元集合(群作為基本的抽樣單元,利用參考數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)抽樣群的分析達(dá)到對(duì)分類結(jié)果的總體精度評(píng)估。點(diǎn)樣本檢驗(yàn)簡(jiǎn)單方便,比較符合抽樣調(diào)查的隨機(jī)原則,是遙感分類評(píng)估中常用的檢驗(yàn)方式。Janssen等在研究中指出,以像元為基本抽樣單元進(jìn)行分類結(jié)果的精度評(píng)估是比較合適的2。Conese3、Knick4、劉正軍5、冉有華6等在各自的研究中也廣泛采用點(diǎn)樣本檢驗(yàn)來(lái)進(jìn)行遙感分類結(jié)果的精度評(píng)價(jià)工作。群樣本檢驗(yàn)的突出特點(diǎn)在于參考數(shù)據(jù)獲取相對(duì)集中,從而降低了野外調(diào)查工

11、作量和成本,比較適合于大區(qū)域分類結(jié)果的精度評(píng)價(jià),因而近年來(lái)逐漸受到了研究者們的重視7。T odd等在1980年提出群樣本檢驗(yàn)方法可以應(yīng)用于遙感圖像精度評(píng)估8,Congalt on在1991年系統(tǒng)分析了群樣本檢驗(yàn)中抽樣單元的采樣數(shù)量問(wèn)題9,Steh man在1997年討論了群樣本檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差問(wèn)題10,Ed wards等在1998年設(shè)計(jì)了由線性排列像元組成群樣本進(jìn)行大面積土地覆蓋制圖精度評(píng)估的方法11。此外,史文中等近年來(lái)也積極開(kāi)展了遙感分類等空間數(shù)據(jù)的精度評(píng)估工作12。這些國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)于點(diǎn)樣本檢驗(yàn)和群樣本檢驗(yàn)的理論和實(shí)踐研究,大大提高了我們對(duì)問(wèn)題的理解和認(rèn)識(shí)。不過(guò)應(yīng)該看到,盡管抽樣方式是影響點(diǎn)

12、樣本和群樣本檢驗(yàn)效果的一個(gè)重要因素,但在目前的研究中,對(duì)于不同抽樣方式對(duì)點(diǎn)樣本和群樣本檢驗(yàn)效果影響效果的系統(tǒng)定量分析還比較缺乏。因此,本文在利用不同分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取同一地區(qū)土地利用/覆蓋信息的基礎(chǔ)上,分別采用簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣、系統(tǒng)抽樣和分層抽樣三種不同的抽樣組織方式,對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行了點(diǎn)樣本檢驗(yàn)和群樣本檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究,進(jìn)而定量分析不同抽樣方式下點(diǎn)樣本和群樣本檢驗(yàn)的檢驗(yàn)效果。目的在于更好地認(rèn)識(shí)和理解精度評(píng)價(jià)過(guò)程對(duì)遙感分類精度的影響,以期獲得客觀可靠的遙感圖像分類精度評(píng)價(jià)結(jié)果。2方法本研究使用了覆蓋北京市亞運(yùn)村地區(qū)季相相同、質(zhì)量較好的一景Landsat ET M+多光譜數(shù)據(jù)(軌道號(hào)為123/32,獲取

13、時(shí)間2001年05月19日,空間分辨率30m和一景I K ONOS多光譜數(shù)據(jù)(獲取時(shí)間2001年04月26日,空間分辨率4m(圖1?；舅悸肥窃谝巴鈱?shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上,利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)I K ONOS獲取的土地利用/覆蓋信息,來(lái)對(duì)低分辨率ET M+遙感數(shù)據(jù)分類結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣、系統(tǒng)抽樣和分層抽樣三種不同抽樣組織方式下的點(diǎn)樣本和群樣本檢驗(yàn)分析,從而評(píng)估不同抽樣方式下的點(diǎn)樣本和群樣本檢驗(yàn)效果。主要包括研究區(qū)土地利用/覆蓋信息分類信息獲取、分類結(jié)果全樣本評(píng)價(jià)和分類信息不同抽樣方式下的點(diǎn)樣本檢驗(yàn)和群樣本檢驗(yàn)分析三個(gè)步驟,實(shí)驗(yàn)依據(jù)圖2所示的流程進(jìn)行。2.1研究區(qū)土地利用/覆蓋信息的獲取在幾何糾正、

14、圖像匹配等相關(guān)圖像預(yù)處理的基礎(chǔ)上,通過(guò)研究區(qū)的野外實(shí)地調(diào)查,首先把研究區(qū)劃分為裸地、道路、水體、建筑和植被5種土地利用/覆蓋類型。然后對(duì)4m分辨率的I K ONOS數(shù)據(jù)(圖1 (b進(jìn)行目視解譯、屏幕數(shù)字化和矢柵轉(zhuǎn)化,得到基于I K ONOS數(shù)據(jù)的4m分辨率的研究區(qū)土地利用/覆蓋圖(圖3(b。接著,在野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)和4m分辨率I K ONOS數(shù)據(jù)的幫助下,通過(guò)選擇訓(xùn)練樣區(qū),在ERDAS I M AGI N E815軟件支持下,采用最大似然分類算法,對(duì)30m分辨率ET M+多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理,得到基于ET M+的30m分辨率的研究區(qū)土地利用/覆蓋分類圖(圖3(a。2.2分類結(jié)果全樣本精度評(píng)價(jià)

15、由于基于實(shí)地調(diào)查,利用I K ONOS數(shù)據(jù)數(shù)字化解譯的土地利用/覆蓋圖(圖3(b空間分辨率是4m,遠(yuǎn)高于基于ET M+數(shù)據(jù)的土地利用/覆蓋分類圖(圖3(a,相對(duì)于圖3(a而言,圖3(b可以基本反映研究區(qū)土地利用/覆蓋的實(shí)際狀況,因此能夠作為對(duì)圖3(a進(jìn)行精度評(píng)價(jià)的基本參考數(shù)據(jù)。為了評(píng)價(jià)不同抽樣方式下點(diǎn)樣本檢驗(yàn)和群樣本遙感學(xué)報(bào)第10卷368圖1覆蓋研究區(qū)ET M+和I K ONOS數(shù)據(jù)(a覆蓋研究區(qū)的ET M+數(shù)據(jù);(b覆蓋研究區(qū)的I K ONOS數(shù)據(jù)Fig.1U sed remotely sensed data(aET M+data in study area;(bI K ONOS data

16、in study area圖2流程圖Fig.2Fl ow chart第3期劉旭攏等:遙感圖像分類精度的點(diǎn)、群樣本檢驗(yàn)與評(píng)估369 圖3研究區(qū)土地利用/覆蓋圖(a 基于ET M +的30m 分辨率土地利用/覆蓋分類圖;(b 基于I K ONOS 的4m 分辨率土地利用/覆蓋圖Fig .3Land use /cover map in the study area(a Land use /cover map with 30m ET M +;(b Land use /cover map with 4m I K ONOS檢驗(yàn)的效果,首先把圖3(a 重采樣為與圖3(b 一致的4m 分辨率,然后以圖3(b

17、為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)圖3(a 進(jìn)行像元對(duì)像元的全樣本評(píng)價(jià),即對(duì)分類結(jié)果的每一個(gè)像元都進(jìn)行比較評(píng)價(jià),并假定這種評(píng)價(jià)結(jié)果是對(duì)遙感分類結(jié)果圖3(a 的最真實(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果(表1。表1全樣本精度評(píng)價(jià)結(jié)果Table 1Accuracy a ssess m en t ba sed on a ll the p i xels分類圖像裸地道路水域建筑植被總和參考圖像101871837127236463161881157793總體精度=77.6%Kappa =0.6612.3不同抽樣方式下的點(diǎn)樣本檢驗(yàn)和群樣本檢驗(yàn)簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣、系統(tǒng)抽樣和分層隨機(jī)抽樣是目前遙感精度檢驗(yàn)中最常用的三種抽樣方式13,為了評(píng)估這三種抽樣方式下點(diǎn)樣本和群樣

18、本檢驗(yàn)的效在總體樣本量較大的情況下,點(diǎn)檢驗(yàn)可以按照下面的公式計(jì)算所需的最少的隨機(jī)抽樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)11。n =u 21-/2d2p (1-p (1式中,n 為最少的抽樣點(diǎn)的個(gè)數(shù),p 為分類正確的百分比,u 是對(duì)應(yīng)于置信水平從正態(tài)分布的概率表上所查的值,d 為誤差允許范圍。p 值可以通過(guò)事先抽取少量樣本,做精度評(píng)估得出。經(jīng)試探性樣本實(shí)驗(yàn),取p =0174。取=011,即置信水平為95%,查表得u =1196,誤差允許范圍為d =5%,則n =296。群抽樣的抽樣單元也存在一個(gè)最小樣本數(shù)的問(wèn)題,但是群中的二級(jí)樣本點(diǎn)都限定在所選的基礎(chǔ)樣本內(nèi),空間距離接近,不適合用公式(2計(jì)算最小樣本量。通常是把群中的每一個(gè)像元群看成整體,作為一個(gè)分析單元,這樣每一個(gè)像元群都可以得到一個(gè)精度值,所有像元群的精度值是連續(xù)的。然后根370遙感學(xué)報(bào)第10卷?yè)?jù)連續(xù)尺度的樣本大小的計(jì)算公式13,得到群樣本的最小樣本數(shù):n=su1-/2d x2(2式中,s是試探性樣本的標(biāo)準(zhǔn)差, x是試探性樣本精度值的均值,u是對(duì)應(yīng)于置信水平從正態(tài)分布的概率表上所查的值,d為誤差允許范圍。實(shí)驗(yàn)中試探取14個(gè)群樣本,計(jì)算n的大小,結(jié)果見(jiàn)表2。表2試探性樣本的精度值Table2Prec isi on of tr i a l s am ples2=0.01