基于可見(jiàn)光影像的夏季玉米植被覆蓋度提取方法研究

陳向東，鄧江洪

基于可見(jiàn)光影像的夏季玉米植被覆蓋度提取方法研究

陳向東1，鄧江洪2

（1. 黃淮學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000；2. 黃淮學(xué)院 動(dòng)畫學(xué)院，河南 駐馬店 463000）

為了對(duì)夏季玉米四葉期、拔節(jié)期、抽穗期和花粒期的植被覆蓋信息進(jìn)行快速、精確提取，提出基于可見(jiàn)光植被指數(shù)閾值法與直方圖相結(jié)合的提取植被覆蓋度新方法。對(duì)試驗(yàn)田中玉米的上述4階段進(jìn)行圖像提取，選擇了VDVI、EXG和NGBDI等3個(gè)指數(shù)對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行描述，并對(duì)其精度結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示：基于無(wú)人機(jī)可見(jiàn)光影像的植被閾值法能夠準(zhǔn)確提取夏季玉米4個(gè)階段生長(zhǎng)期的植被覆蓋度信息，并且采用EXG指數(shù)描述植被覆蓋度效果最好。

植被覆蓋度；指數(shù)閾值法；影像信息的提取

植被覆蓋度（fractional vegetation cover，F(xiàn)VC）是指在調(diào)查范圍內(nèi)植物的莖、葉等的垂直投影面積占調(diào)查區(qū)域的百分比。植被覆蓋度在研究植物分布和生態(tài)環(huán)境等方面具有重要的意義。目前對(duì)植被覆蓋度的監(jiān)測(cè)手段主要有無(wú)人機(jī)遙感影像技術(shù)、衛(wèi)星遙感影像技術(shù)和人工地面采集數(shù)據(jù)影像技術(shù)。其中，無(wú)人機(jī)影像遙感技術(shù)具有較高的分辨率、較好的靈活性以及操作便利等優(yōu)點(diǎn)，使植被信息提取更加細(xì)致、便捷[1-5]，在植被覆蓋度、物種識(shí)別、種群分布、群落聚集和生物多樣性的研究，以及監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境中碳儲(chǔ)量、氮含量、干旱分布等方面發(fā)揮了重要作用[6-12]。無(wú)人機(jī)遙感對(duì)植被覆蓋度的監(jiān)測(cè)是衡量生態(tài)環(huán)境中干旱分布的重要依據(jù)，精準(zhǔn)的植被覆蓋度數(shù)據(jù)能為我國(guó)干旱和半干旱地區(qū)的治理提供數(shù)據(jù)支持[13-17]。

由于大多數(shù)植物都具有紅外波段的低反射特性，較難被可見(jiàn)光相機(jī)清晰捕捉，因而利用可見(jiàn)光相機(jī)對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)提取已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一[18-19]。本文提出一種基于可見(jiàn)光植被指數(shù)閾值法與直方圖相結(jié)合提取植被覆蓋度的新方法，提取試驗(yàn)田中種植的玉米4個(gè)階段的圖像，選擇可見(jiàn)光波段差異植被指數(shù)（visible-band difference vegetation index，VDVI）、綠指數(shù)（excess green，EXG）和歸一化綠藍(lán)差異指數(shù)（normalized green-blue difference index，NGBDI）對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行提取，并對(duì)數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地及數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究的試驗(yàn)田位于河南省駐馬店市。該市地處淮河上游的丘陵平原地區(qū)，屬亞熱帶與暖溫帶的過(guò)渡地帶，土地肥沃、氣候濕潤(rùn)，年平均降水量850 mm。試驗(yàn)田采用機(jī)器播種，種植的玉米行距、株距基本 一致。

研究中采用的數(shù)據(jù)是2018年7—9月利用DJI Phantom4 Advanced型無(wú)人機(jī)采集的，采集時(shí)間分別為玉米生長(zhǎng)的四葉期、拔節(jié)期、抽穗期、花粒期，每個(gè)時(shí)期選擇一個(gè)天氣晴朗的正午進(jìn)行采集，采集航線固定。每次作業(yè)采集120張高清可見(jiàn)光照片，并用Pix4DMapper軟件對(duì)采集到的圖像進(jìn)行拼接，從而得到4個(gè)時(shí)期玉米的全景圖像。

1.2 提取植被覆蓋度

提取植被覆蓋度的方法有物理模型法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ā⒒旌舷裨纸夥?、植被指?shù)閾值法等。物理模型法和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄐ枰罅康臄?shù)據(jù)，且僅適用于部分特定的植被類型，因而其使用受到了限制；混合像元分解法要求植被具有較為明顯的區(qū)域特點(diǎn)，且精度不能滿足要求；而植被指數(shù)閾值法能對(duì)地表情況進(jìn)行簡(jiǎn)單、有效的度量，能較為精確地對(duì)植被覆蓋和環(huán)境變化等方面的信息進(jìn)行提取，且操作簡(jiǎn)單、結(jié)果可靠，因而將其作為植被覆蓋度的提取方法。

用無(wú)人機(jī)遙感獲取植被覆蓋度的方法有很多，但在獲取植被覆蓋度的過(guò)程中，由于玉米冠層對(duì)紅、藍(lán)波段反射較弱，而對(duì)綠色波段反應(yīng)較為強(qiáng)烈；而土壤對(duì)紅色波段反射最為強(qiáng)烈，對(duì)綠、藍(lán)波段反應(yīng)依次減弱。為了使信息提取過(guò)程中植物和土壤更容易分離，本文選用VDVI、EXG和NGBDI對(duì)夏季玉米的植被覆蓋度進(jìn)行提取，計(jì)算方式如下：

、、分別為綠、藍(lán)、紅個(gè)波段的反射率，其提取流程如圖1所示：

采用植被指數(shù)閾值法對(duì)夏季玉米植被覆蓋度進(jìn)行提取的關(guān)鍵是區(qū)分土壤與玉米的指數(shù)閾值，目前常用的方法包括樣本統(tǒng)計(jì)法和時(shí)序圖交點(diǎn)法，二者都能得到較好的提取效果。本研究選擇樣本統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行提取。將2018年7月采集的影像為數(shù)據(jù)源，選取60個(gè)玉米樣本和60個(gè)土壤樣本，并對(duì)兩類樣本進(jìn)行驗(yàn)證，其中，Kappa指數(shù)為0.9901。

圖1 植被覆蓋度提取流程

根據(jù)表1的分類結(jié)果，對(duì)夏季玉米和土壤的直方圖分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以獲得二者的分類閾值。以VDVI、EXG、NGBDI為橫坐標(biāo)，像元個(gè)數(shù)為縱坐標(biāo)，建立VDVI、EXG、NGBDI直方圖，將玉米和土壤直方圖的交點(diǎn)作為玉米和土壤的分類閾值，其結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯?個(gè)直方圖中，玉米像元與土壤像元的交點(diǎn)分別為21.732、0.0647、0.0156，將大于閾值部分歸為植被，小于閾值部分歸為土壤。

表1 夏季玉米分類精度評(píng)價(jià)

根據(jù)提取的閾值計(jì)算植被覆蓋度FVC，公式 如下：

其中，corn為植被的統(tǒng)計(jì)像元，soil為土壤的統(tǒng)計(jì)像元。

1.3 植被覆蓋度精度評(píng)價(jià)

圖2 植被分類閾值提取

通過(guò)對(duì)實(shí)地采集的圖像目視判斷植被覆蓋度的提取結(jié)果是否準(zhǔn)確，結(jié)果誤差較大，不能用于大范圍的植被覆蓋度提取。在本研究中，將所提取圖像的監(jiān)督分類結(jié)果作為真實(shí)值，對(duì)閾值法得到的植被覆蓋度進(jìn)行評(píng)價(jià)。植被覆蓋度的精度計(jì)算如下：

式中：F為植被覆蓋度精度，V1為通過(guò)閾值法獲得的玉米植被覆蓋度，sup為通過(guò)監(jiān)督分類法得到的植被覆蓋度。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米植被覆蓋度提取

基于植被指數(shù)閾值法提取夏季玉米植被覆蓋度的無(wú)人機(jī)圖像結(jié)果如圖3—圖6所示，其中，綠色部分為夏季玉米植被覆蓋部分，白色部分為土壤部分。可以看出：隨著時(shí)間的推移，綠色部分明顯增多，而當(dāng)玉米進(jìn)入花粒期時(shí)綠色部分開(kāi)始減少。這是由于此時(shí)玉米葉片開(kāi)始出現(xiàn)枯萎。根據(jù)無(wú)人機(jī)采集的高清可見(jiàn)光圖像，利用支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）及監(jiān)督分類法對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行提取，能得到夏季玉米生長(zhǎng)4個(gè)時(shí)期的植被覆蓋度分別為57.24%、90.17%、98.64%和91.27%。

根據(jù)圖3—圖6中的可見(jiàn)光圖像，對(duì)玉米生長(zhǎng)4個(gè)時(shí)期的植被覆蓋度進(jìn)行提取，得到玉米的可見(jiàn)光指數(shù)如表2所示。

在采集過(guò)程中，玉米植被覆蓋度的3個(gè)指數(shù)在4個(gè)階段的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤的3個(gè)指數(shù)，這主要是由于玉米在四葉期向拔節(jié)期生長(zhǎng)的過(guò)程中，玉米葉子逐漸變大，葉綠素含量增多，因此無(wú)人機(jī)采集的綠色波段也逐漸增多；而在抽穗期，玉米冠層的玉米穗會(huì)吸收紅外波段的光，導(dǎo)致EXG和VDVI值的減?。辉诨Ｆ?，玉米葉逐漸出現(xiàn)衰敗現(xiàn)象，EXG與VDVI值與抽穗期相比更小，這個(gè)結(jié)果與圖2中像元交點(diǎn)的結(jié)果相符。然而，玉米在抽穗期和花粒期NGBDI的提取閾值變小是由于玉米穗兒增多和葉片衰敗所導(dǎo)致的藍(lán)色波段像素值增大[20-22]。

圖3 四葉期圖像

圖4 拔節(jié)期圖像

圖5 抽穗期圖像

圖6 花粒期圖像

表2 夏季玉米四個(gè)階段的可見(jiàn)光植被指數(shù)

2.2 玉米植被覆蓋度結(jié)果分析

對(duì)于玉米生長(zhǎng)4個(gè)階段的植被覆蓋度57.24%、90.17%、98.64%和91.27%，根據(jù)式（5）的精度驗(yàn)證方法，以監(jiān)督結(jié)果為真值（為了避免人為因素帶來(lái)的誤差，本文選用3組監(jiān)督分類值的平均值作為真值），對(duì)玉米的植被覆蓋度進(jìn)行精度分析，繪制得到的散點(diǎn)圖如圖7所示，數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)圖7可知，將無(wú)人機(jī)可見(jiàn)光影像與植被指數(shù)閾值法相結(jié)合，可以較好地提取夏季玉米在四葉期、拔節(jié)期、抽穗去和花粒期的植被覆蓋度。表3的結(jié)果也證明了通過(guò)監(jiān)督分類結(jié)果和指數(shù)閾值法提取的植被覆蓋度效果較好。但隨著植被覆蓋度的增加，精度有所下降，這主要是由于玉米葉片較亮，在晴朗的陽(yáng)光直射下存在較強(qiáng)的反光，且在植被覆蓋度增加的情況下植被陰影增加。此時(shí)，反光部分被識(shí)別為土壤，陰影部分被識(shí)別為植被，因而精度在VDVI閾值法中誤差較大。隨著玉米生長(zhǎng)，EXG的影響變化較小，這是因?yàn)樵谟衩咨L(zhǎng)的4個(gè)階段中，EXG受到陰影和反光的作用較小，較為穩(wěn)定。

圖7 提取結(jié)果散點(diǎn)圖

表3 植被覆蓋度提取精度表

2.3 玉米植被覆蓋度提取方法驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證利用監(jiān)督分類法與直方圖結(jié)合對(duì)植被覆蓋度提取的可靠性，將玉米生長(zhǎng)的4個(gè)時(shí)期提取的可見(jiàn)光植被覆蓋閾值作為固定閾值，將Pix4Dmapper軟件進(jìn)行拼接后，對(duì)大面積試驗(yàn)田的同時(shí)期圖像進(jìn)行植被覆蓋度提取。為了保證數(shù)據(jù)的獨(dú)立性，拼接過(guò)程中要根據(jù)目標(biāo)物的特點(diǎn)去除單幅圖像，并將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，其結(jié)果如表4所示。

表4 植被覆蓋度提取方法精度驗(yàn)證表

可以看出，在大面積試驗(yàn)田植被覆蓋度的提取中，EXG閾值作為植被覆蓋度提取指數(shù)均小于3%，這表明監(jiān)督分類法與直方圖結(jié)合的方法對(duì)植被覆蓋度的提取較為精確。VDVI指數(shù)和NGBDI指數(shù)在玉米四葉期時(shí)提取的精度較高，且在4個(gè)階段的提取誤差與絕對(duì)誤差較為接近，表明基于可見(jiàn)光影像與閾值法結(jié)合能對(duì)夏季玉米的植被覆蓋度進(jìn)行有效提取。

3 結(jié)論

通過(guò)采用VDVI、EXG和NGBDI等3個(gè)指數(shù)分析夏季玉米生長(zhǎng)4個(gè)時(shí)期的植被覆蓋信息，得出以下結(jié)論：

（1）將監(jiān)督分類結(jié)果與直方圖相結(jié)合得到的植被覆蓋度精確度較高，有效地解決了直方圖閾值法在植被覆蓋度較低時(shí)效果較差的問(wèn)題；

（2）隨著玉米的生長(zhǎng)，玉米葉片的反射部分和陰影部分面積會(huì)影響VDVI指數(shù)的精確度，這主要是由于反射部分容易被視為土壤，而遮蔭部分則被視為植被；

（3）EXG閾值作為植被覆蓋度提取指數(shù)小于3%，相對(duì)VDVI與NGBDI指數(shù)更接近真實(shí)值；

（4）將監(jiān)督分類結(jié)果與統(tǒng)計(jì)直方圖結(jié)合進(jìn)行閾值的確定，穩(wěn)定性較高，在進(jìn)行大范圍試驗(yàn)田的植被覆蓋度提取時(shí)具有更好的效果。

與傳統(tǒng)的多光譜相機(jī)提取玉米植被覆蓋度的方法相比，將監(jiān)督分類結(jié)果與統(tǒng)計(jì)直方圖結(jié)合的方法不僅節(jié)省了田間作業(yè)成本，而且提高了玉米植被覆蓋度的提取精度，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)田施肥與噴灌具有重要意義。

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Study on extraction method of vegetation coverage of summer maize based on visible image

CHEN Xiangdong1, DENG Jianghong2

(1. School of Information Engineering, Huanghuai University, Zhumadian 463000, China; 2. School of Animation, Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)

In order to extract vegetation coverage information quickly and accurately at four-leaf stage, jointing stage, heading stage and flowering and grain stage of summer maize, a new method of extracting vegetation coverage based on visible vegetation index threshold method and histogram is proposed. The above four stages of maize image extraction are carried out in the experimental field. VDVI, EXG and NGBDI are selected to describe the vegetation coverage, and their accuracy is verified. The results show that the vegetation threshold method based on UAV visible image can accurately extract the vegetation coverage information during the four growing stages of summer maize, and the EXG index is the best one to describe the vegetation coverage.

vegetation coverage; exponential threshold method; image information extraction

TP79

A

1002-4956(2019)12-0131-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.031

2019-04-18

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（122102210549，132102210423）

陳向東（1969—），男，河南駐馬店，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)及圖像處理。