基于數(shù)碼相機的草地植被蓋度測量方法對比研究

陳祖剛，巴圖娜存，徐芝英，胡云鋒＊

（1．中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

植被蓋度是指樣地中全部植物個體地上部分（包括葉、莖、枝等）的垂直投影面積占樣地總面積的百分比［1］。植被蓋度是表征生態(tài)系統(tǒng)植被群落生長狀況及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)［2］。植被蓋度對于分析和評估植物生長態(tài)勢、土壤侵蝕強度及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等有著重要作用，是評估土地退化、鹽漬化和沙漠化的有效指數(shù)［3］。

在草地植物群落野外調(diào)查中，傳統(tǒng)的草地植被蓋度測定方法有目測法、方格法、點測法、儀器測量法、遙感解譯法［1，4－5］等多種方法。目測法簡單快捷，但受個人主觀因素影響較大［1，6］，章文波等［4］的研究指出其最大絕對誤差可達40%。方格法有較高的精度，但是手工工作量大，效率較低［6］。點測法是用應(yīng)用概率統(tǒng)計學(xué)原理而形成的蓋度估算技術(shù)，但實踐表明這種方法依然費時費力，精度也并不理想［1，7］。儀器法需使用購置專門設(shè)備儀器，如空間定量計（spatial quantum sensor）和移動光亮計（traversing quantum sell）等，經(jīng)濟成本較高，且野外攜帶和操作均不方便［1，8］。衛(wèi)星遙感反演算法僅能估算出大尺度區(qū)域上的草地蓋度［9］，需要尺度轉(zhuǎn)換后才能與小尺度樣地上的植被蓋度測量成果進行比對分析。

2000年后，數(shù)碼相機迅速普及，科研人員開始應(yīng)用數(shù)碼相機和圖像處理技術(shù)開展草地蓋度測量［10－13］。已經(jīng)就其中的若干關(guān)鍵處理技術(shù)，如相片中心投影畸變糾正、綠色像素識別、測量精度平差和校驗等進行了廣泛研究，例如，Luscier等［6］借助遙感影像處理軟件eCognition做了植被蓋度測量實驗；宋雪峰等［12］利用Photoshop吸管工具提取綠色植被像元測量了植被蓋度；張學(xué)霞等［14］針對中心投影引起的邊緣畸變進行了探討；賈建華等［15］分析了青藏高原地表數(shù)字照片的顏色特征，并采用超綠算法和K均值聚類算法開發(fā)了植被蓋度自動提取軟件。

基于數(shù)碼相機的蓋度測量方法操作簡單，自動化程度高，計算結(jié)果較為精確，但是不能滿足野外考察實時獲取測量結(jié)果與其他遙感參數(shù)產(chǎn)品作校驗對比分析的要求［16－17］，研究人員獲取的只是某一草地塊的某一時刻的樣方照片，并未考慮諸如光照強度和草地蓋度本身變化對測量結(jié)果的影響。2010年以來，隨著新一代移動智能設(shè)備（如iPhone／iPAD或各類Android Phone／PAD）的快速發(fā)展和普及，數(shù)碼相機、GPS及筆記本電腦等傳統(tǒng)設(shè)備得以綜合集成。最先進的PAD和智能手機拍攝到的相片不僅能夠記錄GPS經(jīng)緯度、溫濕度、拍攝方向和水平傾仰角等重要環(huán)境背景信息，而且還可以在移動設(shè)備上實時處理、計算得到植被覆蓋度、產(chǎn)草量等關(guān)鍵參量，甚至可以進一步通過GPRS、3G、WIFI等通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)、云存儲、云計算等服務(wù)連接起來，形成更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，在野外考察中運用各類移動智能設(shè)備拍攝草地樣方照片的同時，同步計算草地植被蓋度，并與有關(guān)遙感反演參數(shù)產(chǎn)品對比校驗，這將成為地學(xué)移動測量、天地一體化研究的重要發(fā)展方向。

為此，本研究首先設(shè)計了模擬野外考察和草地蓋度測量真實狀況的35種應(yīng)用場景，并使用智能平板設(shè)備在北京奧林匹克公園人工草地上完成了草地樣方拍攝工作；應(yīng)用RGB閾值法、HSV判別法和RGB決策樹法等3種蓋度測量方法，對草地植被蓋度測量成果進行了對比研究，對影響測量精度的關(guān)鍵因素進行了分析。

1 材料與方法

1．1 實驗方案

為反映野外考察和植被蓋度測量時的真實情形，特別是考慮到測量結(jié)果可能隨蓋度變化而形成非線性響應(yīng)，同時考慮到太陽光照角度、光照強度對數(shù)碼相片的影響，本研究設(shè)計了1個同時考慮植被蓋度變化和太陽光照變化的實驗方案。

植被蓋度變化包括5個水平，即低覆蓋（0～10%）、中低覆蓋（10%～20%）、中等覆蓋（20%～30%）、中高覆蓋（30%～50%）、高覆蓋（50%～80%）；太陽光照變化則囊括夏季野外工作的7個主要時段，從早上6：00（6 AM）到下午6：00（6PM）、每隔2h一次，具體為6AM、8AM、10AM、12AM、14PM、16PM 和18PM 共7次太陽光照環(huán)境。

2013年10月初，在北京市朝陽區(qū)奧林匹克森林公園（116．3873°E，40．0056°N）內(nèi)的人工綠地內(nèi)，使用華碩（ASUS）的Eee Pad TF101平板電腦，進行了上述實驗方案規(guī)定的5（蓋度水平）×7（時段）共35種場景的草地樣方拍攝，草地樣方大小為32cm×25cm。

為控制拍攝效果、實時處理相片和計算樣方植被蓋度，作者使用Java語言在Android平臺上開發(fā)了基于RGB閾值法、HSV判別法和RGB決策樹法等3種測量算法的應(yīng)用軟件。軟件在相片獲取過程中，調(diào)用Android平板的GPS接收機、方向感應(yīng)器和重力感應(yīng)器等接口，以便得到GPS位置、方向以及水平俯仰角等信息。安裝上述軟件模塊后，平板電腦在野外拍攝的同時，可同步得到上述3種不同算法所得的植被蓋度測量值。

1．2 測量算法

1．2．1 RGB閾值法 為了將代表植物活體的綠色像素和代表土壤、枯死植物及陰影的其他像素區(qū)分開，可應(yīng)用數(shù)碼相片中表征顏色的R、G、B三個通道值來提取綠色植被。具體模型如下：

式中，G、R、B分別代表數(shù)碼相片上綠、紅、藍組分的數(shù)值；x是臨界閾值，它隨相片亮度變化而不同，一般在30～45之間。滿足上述模型的像素即被識別為草地植被，并用于計算草地植被蓋度。張云霞等［18］使用該模型在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市、阿巴嘎旗、西烏珠穆沁旗開展了研究，并認為RGB閾值法與借助圖像處理軟件的目視解譯法精度相當(dāng)。

1．2．2 HSV判別法 圖像學(xué)研究已經(jīng)指出，RGB顏色空間中的R、G、B三個分量與亮度相關(guān)，亮度改變會導(dǎo)致3個分量同時改變。為避免亮度改變所導(dǎo)致的不確定性，可以采用HSV顏色空間模型（hue，saturation，value，即色調(diào)、飽和度、亮度）。因此，通過對H（色調(diào)值）規(guī)定一定的值域空間，可以同樣提取得到綠色植被斑塊。具體模型如下：

式中，H代表色調(diào)，S代表飽和度，V代表亮度；綠色調(diào)對應(yīng)H值的范圍是60～180［19］。在計算機圖像學(xué)中，H、S、V的值可以由RGB值經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換得到［20］。Richardson等［10］使用該模型在已知大小的苗床上，依次放置16個已知面積的圓形草坪草（turfgrass）簇，測得的蓋度值和真實值的相關(guān)系數(shù)為0．99。

1．2．3 RGB決策樹法 這是一種在RGB簡單閾值模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新技術(shù)。該方法依然使用數(shù)碼相片中的RGB三通道模型，但對于R、G、B三個通道值之間的復(fù)雜組合進行了細致甄別。

理論上，該模型不僅能夠區(qū)分出綠葉、黃葉、帶顏色的花朵等植被活體類型，還能區(qū)分出枯枝落葉、土壤、礫石等非植被活體類型。章超斌等［1］應(yīng)用該方法在新疆準(zhǔn)噶爾盆地東南緣的阜康市荒漠草原區(qū)開展研究，認為所得植被蓋度最大偏差的絕對值不超過5%，精度在95%以上。

2 結(jié)果與分析

2．1 測量結(jié)果

為了對機器識別、模型算法測得的草地蓋度進行精度分析，首先需要獲取樣方植被區(qū)域，并進一步計算得到草地蓋度參考值［21］。為此，作者使用Photoshop提供的魔棒工具，通過傳統(tǒng)的目視解譯、植被斑塊勾勒方法獲取了全部相片的植被斑塊（含葉、枝、莖），并繼而計算得到蓋度參考值。與此同時，依托RGB閾值法、HSV判別法、RGB決策樹法等3個算法模型，由平板電腦及相應(yīng)的草地蓋度測量軟件計算出相片蓋度值。由于同一蓋度下存在7個不同時段的相片，因此可以針對每一個蓋度進一步計算出測量蓋度均值及其方差（表1）。

表1 草地樣方及植被蓋度Table 1 Grass samples and vegetation coverage

2．2 精度分析

以目視解譯法獲取的蓋度參考值為橫坐標(biāo)，以RGB閾值法、HSV判別法、RGB決策樹法等3種方法所得值為縱坐標(biāo)，作散點圖并作線性回歸。具體結(jié)果如圖1所示。

從回歸斜率看，3條回歸線的斜率均小于1，即3種方法均存在低估現(xiàn)象。其中，RGB閾值法和HSV判別法的回歸線斜率較高，分別為0．668和0．680，即有著相對更高的估算精度；RGB判別樹法回歸斜率僅為0．232，估算精度最差。從散點分布狀況以及R2大小來看，RGB閾值法和HSV判別法中，各散點較密集分布在回歸線兩側(cè)，決定系數(shù)R2大于0．9，這表明測量值與參考值之間的一致性較好；但在RGB決策樹法中，各個散點距離回歸線較遠，決定系數(shù)R2較小，僅為0．62左右，這表明測量值與參考值之間差異較大。從回歸截距上看，RGB閾值法和HSV判別法的截距接近于0，而RGB決策樹法的截距為0．53948，這表明RGB決策樹法在植被低覆蓋度區(qū)域存在嚴(yán)重的高估現(xiàn)象。

總體而言，RGB閾值法和HSV判別法估算蓋度的精度較高，而RGB決策樹法估算蓋度的精度較低。

2．3 不同蓋度對測量精度的影響

為分析不同模型算法對于草地植被蓋度變化的敏感性，本研究以植被蓋度參考值為橫軸，以測量誤差（蓋度測量值與參考值的差）為縱軸，對同一蓋度水平、不同時刻相片獲得的測量值進行統(tǒng)計（測量誤差的均值和方差），并在Origin中作圖（圖2）。

圖1 植被蓋度測量值與參考值的相關(guān)關(guān)系Fig．1 Relationships of coverage measurement values and reference values

圖2 不同蓋度下照相測量值的變化Fig．2 Change of photograph measurement values of different coverage

由圖2可見，RGB閾值法和HSV判別法，隨著參考植被蓋度的增加，誤差絕對值呈增大趨勢，但在30%參考植被蓋度時誤差減少，結(jié)合50%和80%參考蓋度草地樣方中非綠色莖較多，30%蓋度草地樣方植物莖較少的事實，判定測量絕對誤差主要受樣方中非綠色植被成分多少的影響，而隨蓋度增加無明顯的變化規(guī)律；其方差也無明顯的變化規(guī)律。對于RGB決策樹方法，隨著參考植被蓋度的增加，其測量誤差逐步減小，從42．71%減少到－5．29%；其方差無明顯的變化規(guī)律。

綜上所述，RGB閾值法和HSV判別法的測量精度隨參考植被蓋度的增加無明顯的變化規(guī)律；RGB決策樹法的測量誤差隨參考植被蓋度的增加而減小，即測量精度隨參考植被蓋度的增加而提高。

2．4 不同光照對測量值的影響

為分析不同蓋度測量模型對于不同光照角度、光照強度變化的敏感性，本研究以照相時間（代表了不同的光照角度和光照強度）為橫軸，以蓋度測量值為縱軸，將5個蓋度水平的測量值序列分別作圖（圖3）。

圖3中，從早上到中午、再到晚上，隨著光照強度的先增加、后減少，光照角度的先增加、后減小，RGB閾值法所得測量值在時間序列上大致呈現(xiàn)一個碗口向上的U形分布，即早上和傍晚其測量值更高，而中午其測量值更低；這一規(guī)律對于具較低植被蓋度樣地（低蓋度樣地、中低蓋度樣地）更為明顯。與RGB閾值法結(jié)果類似，HSV判別法所得測量值在時間序列上也同樣呈現(xiàn)為一個碗口向上的U形分布，且這一規(guī)律對于具較低植被蓋度樣地（低蓋度樣地、中低蓋度樣地）更為明顯。與前兩者均不同，RGB決策樹方法所得測量結(jié)果在時間序列上的變化規(guī)律不明顯，甚至在對低蓋度草地樣地測量過程中，還出現(xiàn)了1次奇異值。

圖3 不同時段下照相測量值的變化Fig．3 Change of photograph measurement values in different time

綜上，隨著光照強度、光照高度的增加，RGB閾值法和HSV判別法所得測量結(jié)果會隨之減?。环粗?，即隨著光照強度、光照高度的降低，RGB閾值法和HSV判別法所得測量結(jié)果會隨之增高。但是光照環(huán)境對于RGB決策樹方法的影響不顯著。

3 討論

3．1 精度規(guī)律產(chǎn)生原因分析

為探究其成像規(guī)律以及誤差形成過程，將基于3種方法處理后的圖像進一步處理分析，即保留識別的植被像素，去除非植被像素（設(shè)為白色背景值），觀察其識別區(qū)域，進行比較分析。

由圖4可見，RGB閾值法、HSV判別法和RGB決策法均能有效識別圖像中的綠色植被像元；其中，RGB閾值法和HSV判別法能夠較好剔除土壤背景，而決策樹法卻無法很好剔除土壤背景；因此，前2種方法的蓋度識別精度較后者高。RGB決策法具有識別紫色根莖功能［1］，圖中因背景土壤顏色與紫色根莖顏色較為相近，因此決策樹法無法剔除土壤。土壤背景顏色不同是本研究和以往研究的不同之處，也是本研究得出的精度數(shù)據(jù)和以往研究不同的重要原因。

3．2 蓋度和光照變化規(guī)律產(chǎn)生原因分析

RGB閾值法和HSV判別法能夠有效識別所有蓋度樣方中的綠色植被，并剔除非綠色背景，因此其測量精度受到蓋度變化影響較小。而RGB決策樹法將土壤誤判為綠色植被，因此其測量精度與樣方中土壤面積相關(guān)，受到蓋度變化影響較大。樣方植被蓋度越高，則樣方中土壤面積越小，因此誤判面積越小，精度越高。

基于相同蓋度樣方，隨光照強度增強，RGB閾值法和HSV判別法所測蓋度值逐漸減小。其原因是在弱光條件下，一些非植被像元因像素值在RGB顏色空間下R、G、B分量值均較小以及數(shù)碼攝像頭在像元像素值產(chǎn)生時的誤差，其R、G、B分量符合RGB閾值法G＞R，G＞B，G（30～45）的判別規(guī)則，被誤判為植被像元，故其測量蓋度值較大；而在強光條件下，這些非植被像素顏色值呈現(xiàn)其真實值，R、G、B分量值較大，因此不再被誤判，其測量蓋度值較小。可以把這種現(xiàn)象稱為植被像元的擾動判定。同理，在弱光條件下，一些暗色調(diào)非植被像元由于數(shù)碼攝像頭產(chǎn)生像元像素值時的誤差，其像素值在HSV顏色空間下H分量符合60°＜H＜180°的條件（這時候V分量很?。徽`判為植被像素，其測得的蓋度值較大；當(dāng)光照強度增加后，這些像素值不再符合判定條件，誤判像元減少，測得的蓋度值減小。RGB決策樹法隨光照強度的變化其測得的蓋度值無明顯的變化規(guī)律，其主要原因可能是光照強度的變化對土壤以及其他顏色的背景的擾動判定和對綠色植被的擾動判定作用結(jié)果相互抵消，導(dǎo)致總體變化規(guī)律的不確定性。確切的原因有待于進一步的研究。

圖4 原圖及3種方法識別的綠色植被區(qū)域Fig．4 Origin photo and the green vegetation areas recognized by three measurement methods

4 結(jié)論與展望

本研究在總結(jié)梳理既有植被蓋度測量方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了35種模擬野外考察和植被蓋度測量的情景，并應(yīng)用RGB閾值法、RGB決策樹法、HSV判別法3種蓋度測量方法，對基于數(shù)碼相機草地植被蓋度的測量流程、測量精度、草地蓋度變化、光照強度變化開展對比研究。主要結(jié)論有：

1）RGB閾值法和HSV判別法精度較高，RGB決策樹法對非高蓋度草地樣方的測量精度較低。

2）RGB閾值法和HSV判別法的測量精度不受草地樣方本身蓋度變化的影響；RGB決策樹法的蓋度測量精度隨著草地樣方蓋度的增加而提高。

3）RGB閾值法和HSV判別法測量的蓋度值隨光照強度的增大而減小，隨光照強度的減弱而增大；而RGB決策樹法測量的蓋度值隨光照強度的變化無明顯規(guī)律。

總的來看，RGB閾值法和HSV判別法在計算機算法實現(xiàn)上簡單、易實現(xiàn)，總體精度較高，對光照環(huán)境的相應(yīng)呈現(xiàn)規(guī)律性變化，因此在今后的深入研究中值得進一步優(yōu)化。而RGB決策樹方法的計算機算法相對復(fù)雜，總體精度卻未見改善。

本研究還發(fā)現(xiàn)，不管是RGB閾值法、還是HSV判別法、抑或是RGB決策樹法，單純地從顏色判別（尤其是綠色像素）角度來計算植被蓋度，這顯然具有局限性。這樣的技術(shù)路徑很難將非綠色調(diào)的莖、枝、花等植被組成有效識別出來，同時也可能將一些背景要素誤判為植被，這是當(dāng)前蓋度測量方法誤差的主要來源。在未來研究中，一方面可以進一步改進植被像素的識別方法，特別是要建立隨蓋度變化、光照環(huán)境變化的閾值自適應(yīng)模型，這是繼續(xù)使用RGB顏色空間或者是HSV顏色空間開展精確的植被蓋度測量的一個重要途徑。另一方面也可以考慮從圖形統(tǒng)計學(xué)出發(fā)，通過圖像邊緣檢測、聚集分析、圖形自動匹配等手段，另辟蹊徑，通過識別植被不同組成的形狀，由此計算植被蓋度。

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