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    基于數(shù)碼照片的草地植被蓋度快速提取方法對(duì)比

    2018-05-08 06:28:31徐金勤邱新法何永健王丹丹
    關(guān)鍵詞:蓋度陰影分量

    徐金勤, 邱新法, 丁 肖, 何永健, 王丹丹

    (1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇 南京 210044; 2.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院,江蘇 南京 210044)

    草地植被蓋度是指觀測(cè)區(qū)域內(nèi)草的垂直投影面積占總地表面積的百分比[1],它是衡量草地生態(tài)系統(tǒng)及其生長(zhǎng)狀況的重要生態(tài)學(xué)參數(shù)和量化指標(biāo)[2-3]。在草原的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)中,草地植被蓋度是進(jìn)行草場(chǎng)資源評(píng)價(jià)、土地荒漠化評(píng)估以及合理化放牧的重要參考。

    目前,植被蓋度的估算方法可以概括為2類:遙感估算法和地表實(shí)測(cè)法[4]。遙感估算法大多應(yīng)用于大尺度植被蓋度的提取和監(jiān)測(cè),常用的方法包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)P头?、植被指?shù)法和亞像元分解法,估算精度相對(duì)較低[5]。地表實(shí)測(cè)方法主要包括點(diǎn)測(cè)法、目估法、數(shù)碼照相法、方格法、儀器測(cè)量法等,其中,數(shù)碼照相法由于其經(jīng)濟(jì)高效、準(zhǔn)確度高,被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者應(yīng)用于植被蓋度的提取研究[6]。Guijarro等[7]基于數(shù)碼照片和紋理特征,借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)識(shí)別田間雜草。池宏康等[8]利用Photoshop軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理,分別統(tǒng)計(jì)圖像中的植被像元數(shù)量和樣地像元數(shù)量來計(jì)算草地植被蓋度。張清平等[9]利用WinCAM顏色分析軟件,通過實(shí)驗(yàn)制定統(tǒng)一的顏色標(biāo)準(zhǔn),利用顏色比對(duì)來提取綠色植被并計(jì)算植被蓋度。

    利用現(xiàn)有的蓋度計(jì)算方法,如監(jiān)督分類、RGB閾值和分類決策樹等方法進(jìn)行室內(nèi)解譯時(shí)需要人工干預(yù),存在自動(dòng)化解算的困難。為此,本研究基于草地照片,設(shè)計(jì)一種自動(dòng)閾值分割算法,對(duì)比分析EXG指數(shù)法、H分量法以及a*分量法對(duì)于快速提取植被蓋度的效果和適用性。本研究可以實(shí)現(xiàn)草地植被蓋度的快速自動(dòng)解算,為當(dāng)前遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)提供很好的補(bǔ)充作用。

    1 研究區(qū)概況與研究方法

    1.1 研究區(qū)概況

    烏拉特中旗(41°07′~41°28′N,107°16′~109°42′E)地處內(nèi)蒙古高原西部,屬于大陸性干旱氣候,四季分明,年平均氣溫5.8 ℃,年均降水量?jī)H198.6 mm,蒸發(fā)量2 347.8 mm。烏拉特中旗草場(chǎng)資源豐富,由于其地處半荒漠地帶,天然草場(chǎng)以荒漠化草原為主體,植被稀疏、低矮。主要植被種類有松葉豬毛藜、泠蒿、芨芨草、石針茅、紅砂、叢生小禾草等,顏色為偏黃綠色。

    1.2 數(shù)據(jù)采集

    2015年9月中下旬,利用多款智能手機(jī)(華為、三星等)沿S311(石哈河—巴音查干—海流圖)和S212(海流圖北—烏拉特中旗)公路進(jìn)行拍照取樣,拍照時(shí)保持手機(jī)平面與地面平行,于1米高度處進(jìn)行拍攝,以減少照片周圍幾何變形的誤差。隨機(jī)選取30張采樣照片(圖1)在PhotoShop中用1 000×1 000的像素窗口統(tǒng)一進(jìn)行裁切,選擇裁切后的圖像進(jìn)行后續(xù)處理。

    圖1 烏拉特中旗草地采樣照片合成圖Fig.1 Synthetic map of sampling photos in Wulatezhongqi grassland

    1.3 研究方法

    1.3.1 顏色特征的選取與優(yōu)化 數(shù)碼相機(jī)或智能手機(jī)拍攝的照片,是基于RGB顏色空間進(jìn)行采集和保存的,因此關(guān)于植被蓋度提取方法的研究中大多數(shù)是基于RGB顏色空間。在所有基于RGB顏色空間的植被指數(shù)中,EXG是最為常用的植被指數(shù)[10],該指數(shù)計(jì)算公式如下:

    EXG=2g-r-b

    (1)

    其中,

    r=R/(R+G+B);g=G/(R+G+B);b=B/(R+G+B)

    式中,R、G、B分別表示紅、綠、藍(lán)三基色,r、g、b表示歸一化處理之后的R、G、B。

    除了RGB顏色空間外,HIS顏色空間和L*a*b*顏色空間也較為常用。其中,HIS顏色空間是利用色度(Hue)、飽和度(Saturation)和亮度(Intensity)3個(gè)參數(shù)來描述顏色,模擬人類視覺系統(tǒng)對(duì)色彩的感知方式,其H分量與圖像彩色信息密切相關(guān),因此該顏色空間中的H分量常被用來識(shí)別和研究彩色圖像中的目標(biāo)物[11]。L*a*b*顏色空間中,a*分量用來表示由深綠色到粉紅色的顏色變化。因此在彩色圖像中,像素的a*分量值越低,對(duì)應(yīng)綠色等級(jí)則越高。野外拍攝時(shí)易受光照影響,故而拍攝的圖像具有較高的對(duì)比度。RGB顏色空間中3個(gè)分量之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性,亮度的變化會(huì)影響R、G、B的取值,而L*a*b*顏色空間3個(gè)分量的獨(dú)立性較高,能夠有效改善RGB顏色空間的缺點(diǎn)[12-13]。

    為提高計(jì)算機(jī)的計(jì)算效率,應(yīng)盡量減少浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的運(yùn)算。因此,需要對(duì)3種空間的顏色特征進(jìn)行優(yōu)化處理,即將原始結(jié)果拉伸到0~255的灰度空間,具體計(jì)算公式如下:

    (2)

    式中,f(x,y)表示某一點(diǎn)的像素值,A(x,y)min、A(x,y)max分別表示整個(gè)圖像空間像素元的最小值和最大值。由于H、a*分量會(huì)存在奇異值,若直接按照上述公式進(jìn)行拉伸,將會(huì)導(dǎo)致圖像的灰度值過度集中在某個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)。通過多次試驗(yàn),確認(rèn)當(dāng)取直方圖累計(jì)頻率為1%、99%時(shí),其進(jìn)行拉伸的效果最好。

    1.3.2 自動(dòng)閾值分割方法 本研究利用最大類間方差法[14]作為閾值分割方法,其基本思想是:被分割的兩部分的類間方差越大,錯(cuò)分率則越小。基于此方法的自動(dòng)閾值設(shè)定具體如下:

    設(shè)圖像有L個(gè)灰度級(jí),灰度值為i的像素?cái)?shù)表示為ni,則總像素?cái)?shù)N為:

    (4)

    (5)

    選擇灰度t將圖像分割成2個(gè)區(qū)域,分別為背景類A(灰度級(jí)為1~t),目標(biāo)類B(灰度級(jí)為t+1~L-1)。A、B出現(xiàn)的概率分別為:

    (6)

    A、B 2類的灰度均值分別為:

    (7)

    圖像總的灰度均值為:

    (8)

    由此可以得到A、B兩區(qū)域的類間方差:

    (9)

    從1到L-1依次改變t,計(jì)算類間方差σ2,其中,使得σ2值最大的t*即為最佳閾值。

    (10)

    1.3.3 圖像分割后處理 為獲取更為準(zhǔn)確的蓋度提取結(jié)果,需要對(duì)圖像進(jìn)行后續(xù)處理。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)[15]是研究數(shù)學(xué)形態(tài)特征和快速并行處理方法的形態(tài)學(xué)理論,其基本運(yùn)算包括開運(yùn)算、閉運(yùn)算、膨脹和腐蝕。

    由圖2可見,開運(yùn)算濾除了圖像中的椒鹽狀噪聲;閉運(yùn)算則通過連接臨近物體,填補(bǔ)圖像中狹隘空隙和小空洞,使物體邊緣更平整。腐蝕與開運(yùn)算均能夠有效去除土壤中的隨機(jī)噪聲點(diǎn),但當(dāng)植被葉片呈細(xì)針狀時(shí),腐蝕也會(huì)去除大量的植被葉片,而開運(yùn)算先腐蝕再膨脹,能夠一定程度上還原腐蝕掉的葉片,效果最佳,因此最終選用3×3窗口的開運(yùn)算進(jìn)行圖像分割后的處理。

    圖2 形態(tài)學(xué)處理圖Fig.2 The figures of morphological processing

    1.3.4 草地植被蓋度的計(jì)算 植被蓋度的計(jì)算公式如下:

    (11)

    式中,N′和N分別表示植被像元數(shù)量和總像元數(shù)量。

    此外,為了對(duì)比分析陰影對(duì)蓋度提取的影響,需要進(jìn)行去除陰影操作。具體方法如下:

    首先將每一張照片基于RGB三通道轉(zhuǎn)化為亮度的灰度值圖像,計(jì)算公式為:

    亮度=0.299×R+0.587×G+0.114×B

    (12)

    其次,設(shè)置特定閾值x,將圖像中灰度值小于x的像元判別為陰影,反之,大于x的像元?jiǎng)t判別為非陰影。參考文獻(xiàn)[16]、[17],并結(jié)合本研究區(qū)的實(shí)際情況,將閾值x設(shè)置為45。

    1.3.5 精度評(píng)價(jià)方法 由于草地植被蓋度的“真實(shí)值”難以獲取,因此在進(jìn)行精度評(píng)價(jià)時(shí)往往從圖形統(tǒng)計(jì)的角度出發(fā)獲取“真實(shí)值”,常用、可靠的方法包括人工勾勒法[8](如Photoshop勾勒、手動(dòng)勾勒)、針刺法[18]以及樣方圖形法[19]等。由于本研究區(qū)域草地植被顏色多為黃綠色,葉片多以長(zhǎng)條形為主,因此人工勾勒方法不能完全滿足研究需求。

    為此本研究設(shè)計(jì)了一種精度評(píng)價(jià)方法,即通過模擬傳統(tǒng)的針測(cè)法來獲取植被蓋度的參考值。其基本思想是在一幅圖像中隨機(jī)投放一批點(diǎn)(使用ArcGIS中的Create Random Points工具),則落在植被區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的個(gè)數(shù)占總點(diǎn)數(shù)的百分比即為蓋度參考值。為了獲取更為準(zhǔn)確的參考值,每次設(shè)置的隨機(jī)點(diǎn)個(gè)數(shù)為500,并且每幅圖像進(jìn)行3次測(cè)定后取其平均值作為最終的參考值。為檢驗(yàn)此種植被蓋度“真實(shí)值”獲取方法(投點(diǎn)法)的可靠性,選取綠色特征顯著、適用于Photoshop勾勒方法的一些樣片進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)投點(diǎn)法與Photoshop勾勒法的提取結(jié)果相當(dāng),因此可以將投點(diǎn)法獲取的蓋度值作為本研究的準(zhǔn)確參考值。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 草地蓋度估算結(jié)果對(duì)比分析

    由表1可見,EXG指數(shù)法的提取效果最好,其絕對(duì)偏差均值和均方根誤差值最小,分別為3.4%和4.2%,平均精度高達(dá)90.6%;a*分量法次之,其絕對(duì)偏差均值為4.5%,均方根誤差為6.0%,平均精度為83.9%;H分量法的提取效果最差,其絕對(duì)偏差均值為6.8%,均方根誤差較大,為9.1%,平均精度為79.7%。

    表1草地蓋度的估算誤差表

    Table1Estimationerrorofgrasslandvegetationcoverage

    方法絕對(duì)偏差(%)均方根誤差(%)平均精確度(%)EXG指數(shù)法3.44.290.6a?分量法4.56.083.9H分量法6.89.179.7

    為了進(jìn)一步比較這3種蓋度估算方法,以隨機(jī)點(diǎn)法獲得的植被蓋度參考值為橫坐標(biāo),以EXG指數(shù)法、a*分量法和H分量法所獲取的蓋度為縱坐標(biāo),分別作散點(diǎn)圖(圖3)。

    由散點(diǎn)分布和決定系數(shù)R2來看,EXG指數(shù)法的散點(diǎn)較為密集地分布在回歸線附近,R2值為0.95,表明EXG指數(shù)法提取的結(jié)果與參考值具有較好的一致性。a*分量法和H分量法這2種方法的散點(diǎn)分布較為離散,R2值相對(duì)較低,為0.85,表明這2種方法計(jì)算的蓋度值與參考值存在較大差別。

    由回歸線的斜率可見,EXG指數(shù)法和a*分量法的回歸斜率均小于1,表明這2種方法存在低估現(xiàn)象,這主要是由于利用投點(diǎn)法人工目視估算植被蓋度時(shí),可以將照片中的非綠色植被以及部分陰影中的植被區(qū)域識(shí)別出來,而EXG指數(shù)法和a*分量法僅能識(shí)別出圖像中植被的綠色或黃綠色部位,對(duì)于非綠色植被的莖和枝條等未能識(shí)別出來。此外,H分量法的回歸斜率大于1,表明該方法存在整體高估現(xiàn)象,這可能是由于H分量法對(duì)于圖像中的陰影敏感所致。

    圖3 烏拉特中旗草地植被蓋度計(jì)算值與參考值的相關(guān)關(guān)系Fig.3 The correlation between the calculated values and reference values of grassland vegetation coverage in Wulatezhongqi grassland

    2.2 陰影對(duì)估算精度的影響分析

    為探究陰影區(qū)域?qū)τ诓煌椒ǖ挠绊懀瑢?duì)選取的30幅圖像,參照公式(12)作去除陰影處理,進(jìn)而比對(duì)分析去除陰影前后的草地植被蓋度提取效果(表2)。

    表2陰影影響誤差表

    Table2Estimationerroroftheshadoweffect

    方法未去陰影絕對(duì)偏差(%)均方根誤差(%)去除陰影絕對(duì)偏差(%)均方根誤差(%)EXG指數(shù)法3.44.24.45.3a?分量法4.56.04.96.1H分量法6.89.14.25.3

    由表2可見,去除陰影之后,EXG指數(shù)法的絕對(duì)偏差由3.4%增加到4.4%,均方根誤差也呈現(xiàn)增大趨勢(shì),由原來的4.2%增大至5.3%;H分量法的絕對(duì)偏差由6.8%降低到4.2%,均方根誤差也隨之顯著降低,由原來的9.1%降低至5.3%;a*分量法,去除陰影前和去除陰影后的絕對(duì)偏差和均方根誤差均無明顯變化。

    由圖4可見,去除陰影之后,EXG指數(shù)法的決定系數(shù)R2由未去除陰影時(shí)的0.95降低到0.94,回歸線的斜率由0.90下降至0.88;對(duì)于H分量法,其決定系數(shù)R2由0.85增加至0.91,回歸線的斜率由1.08下降至1.01;對(duì)于a*分量法,其去除陰影前后的變化不大。

    綜上可知,在去除陰影之后,EXG指數(shù)法的估算誤差增大,這主要是由于該方法對(duì)陰影區(qū)域中的植被葉片具有一定的識(shí)別能力,而在去除陰影的同時(shí)部分葉片也被一同去除,故而導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果被低估,因此在使用EXG指數(shù)法時(shí)不需要考慮去除圖像中的陰影影響。H分量法在去除陰影后,其計(jì)算精度會(huì)顯著提高,這是因?yàn)镠分量對(duì)圖像中的陰影敏感,陰影區(qū)域的像元R、G、B值較為相近,當(dāng)從RGB彩色空間轉(zhuǎn)換至HIS空間時(shí),H分量值的變異性較大,在提取綠色植被蓋度時(shí)也會(huì)將陰影區(qū)域一并讀入,因此最終會(huì)造成植被蓋度的高估現(xiàn)象。故而,在應(yīng)用H分量法時(shí)必須首先去除圖像中的陰影區(qū)域。

    2.3 草地綠度對(duì)估算精度的影響分析

    從原理上來講,植被像元的顏色越深則越容易被識(shí)別,提取精度也就越高。為探究草地綠度對(duì)于不同方法估算精度的影響,分別以綠色草地和黃綠色草地各為一組進(jìn)行比對(duì)分析(表3)。

    由表3可見,EXG指數(shù)法對(duì)綠色草地的估算精度略高于黃綠色草地,其對(duì)綠色草地的估算精度平均為93.4%,而對(duì)黃綠色草地的估算精度平均為89.8%;H分量法對(duì)綠色草地的估算精度低于EXG指數(shù)法,平均為88.3%,其對(duì)黃綠色草地的估算精度相對(duì)最低,平均為78.6%;a*分量法對(duì)綠色草地的估算效果明顯優(yōu)于黃綠色草地,其中a*分量法對(duì)于黃綠色草地蓋度的估算精度平均為80.7%,均方根誤差為6.9%,而對(duì)綠色草地的估算精度平均卻高達(dá)91.7%,均方根誤差也降低至4.0%,僅次于EXG指數(shù)法,加之在去除陰影前后,a*分量法對(duì)草地蓋度的估算結(jié)果無明顯變化,因此可以判斷造成a*分量方法誤差相對(duì)較大的主要原因是草地綠度的影響。此外,無論是對(duì)綠色草地還是黃綠色草地,EXG指數(shù)法的估算精度均明顯大于其他2種方法,具有較好的適用性。

    圖4 去除陰影后的草地蓋度計(jì)算值與參考值的相關(guān)關(guān)系Fig.4 The correlation between the calculated values and reference values of grassland vegetation coverage after removing the shadow

    表3不同綠度草地的蓋度估算誤差

    Table3Estimationerrorofgrasslandvegetationcoveragefordifferentgreendegrees

    方法綠色草地估算精度(%)均方根誤差(%)黃綠色草地估算精度(%)均方根誤差(%)EXG指數(shù)法93.43.789.83.2a?分量法91.74.080.76.9H分量法88.36.578.68.6

    3 討 論

    本研究基于內(nèi)蒙古烏拉特中旗草地照片,設(shè)計(jì)出一種利用自動(dòng)閾值分割算法快速計(jì)算植被蓋度的方法,并基于該方法對(duì)比分析了EXG指數(shù)法、H分量法以及a*分量法3種顏色特征方法快速提取草地植被蓋度的效果。在對(duì)隨機(jī)選取的30張采樣照片進(jìn)行蓋度計(jì)算時(shí),EXG指數(shù)法的估算誤差最小,平均為3.4%,a*分量法次之,平均為4.5%,H分量法的估算誤差最大,平均為6.8%;而在去除陰影之后,EXG方法的平均估算誤差增大至4.4%,a*分量法的估算結(jié)果無明顯變化,H分量法的估算誤差顯著降低至4.2%。對(duì)于不同綠度的草地,3種方法對(duì)綠色草地的估算效果均明顯優(yōu)于黃綠色草地,其中EXG方法對(duì)綠色草地的平均估算精度高達(dá)93.4%,而對(duì)黃綠色草地的平均估算精度為89.8%;H分量法對(duì)綠色草地的平均估算精度為88.3%,而對(duì)黃綠色草地的平均估算精度為78.6%;a*分量法對(duì)黃綠色草地的蓋度估算平均精度為80.7%,而對(duì)綠色草地的估算精度高達(dá)91.7%,僅次于EXG指數(shù)法。

    總體來看,EXG指數(shù)法能夠有效區(qū)分不同地物背景下的綠色或黃綠色植被,無論是對(duì)綠色草地還是黃綠色草地,其估算精度均明顯高于其他2種方法,適用性較好。a*分量法對(duì)于綠色草地的估算精度略低于EXG指數(shù)法,造成其估算誤差相對(duì)較大的原因主要是受草地綠度的影響。H分量法對(duì)陰影敏感,陰影是造成其估算誤差增大的主要原因,因此在應(yīng)用H分量法時(shí)必須首先去除圖像中的陰影區(qū)域。

    本研究從圖像識(shí)別角度出發(fā),利用自動(dòng)化圖像閾值分割算法解決了傳統(tǒng)方法中人工設(shè)置分割閾值的問題。而在圖像識(shí)別研究中,可使用的特征除顏色外,還包括形狀、紋理等,當(dāng)植被顏色和背景差異不明顯時(shí),僅使用顏色特征具有一定的局限性,因此,在未來的研究中可結(jié)合形狀和紋理特征進(jìn)行草地植被蓋度的自動(dòng)化提取。

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