基于無人機(jī)多光譜遙感圖像的玉米田間雜草識別

趙靜，李志銘，魯力群，賈鵬，楊煥波，蘭玉彬

基于無人機(jī)多光譜遙感圖像的玉米田間雜草識別

趙靜1,2，李志銘1,2，魯力群2,3，賈鵬1,2，楊煥波1,2，蘭玉彬1,2

（1山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博 255000；2山東理工大學(xué)國際精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)研究中心，山東淄博 255000；3山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博 255000）

【目的】為了精確高效識別玉米田間雜草，減少除草劑施用，提高玉米種植管理精準(zhǔn)性?！痉椒ā客ㄟ^六旋翼無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)獲取玉米田塊多光譜圖像。為分離圖像中植被與非植被像元，計(jì)算了7種植被指數(shù)，采用最大類間方差法提取植被指數(shù)圖像中非植被區(qū)域，制作掩膜文件并對多光譜圖像掩膜。通過主成分分析對多光譜圖像進(jìn)行變換，保留信息量最多的前3個主成分波段。將試驗(yàn)區(qū)域分為訓(xùn)練區(qū)域和驗(yàn)證區(qū)域，在訓(xùn)練區(qū)域中分別選取了675處玉米和525處雜草樣本對監(jiān)督分類模型進(jìn)行訓(xùn)練，在驗(yàn)證區(qū)域選取了240處玉米樣本及160處雜草樣本評價模型分類精度。將7種植被指數(shù)、3個主成分波段的24個紋理特征及經(jīng)過濾波的10個反射率，共計(jì)41項(xiàng)特征作為樣本特征參數(shù)。利用支持向量機(jī)-特征遞歸消除算法（support vector machines-feature recursive elimination，SVM-RFE）和Relief算法從41項(xiàng)特征中各篩選14項(xiàng)特征構(gòu)成特征子集，采用支持向量機(jī)、K-最近鄰、Cart決策樹、隨機(jī)森林和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對特征子集進(jìn)行監(jiān)督分類?！窘Y(jié)果】支持向量機(jī)與隨機(jī)森林對全部特征及2個特征子集分類效果較好，支持向量機(jī)總體精度為89.13%—91.94%，Kappa＞0.79，隨機(jī)森林總體精度為89.27%—90.95%，Kappa＞0.79?！窘Y(jié)論】SVM-RFE算法對數(shù)據(jù)降維效果優(yōu)于Relief算法，支持向量機(jī)（SVM）模型對區(qū)域冠層尺度下玉米與雜草的分類效果最好。

雜草識別；無人機(jī)遙感；多光譜圖像；特征選擇；監(jiān)督分類

0 引言

【研究意義】在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，田間雜草被視為嚴(yán)重影響作物生長的因素之一，中國因雜草導(dǎo)致的糧食作物產(chǎn)量損失達(dá)總產(chǎn)量的10%[1]。草害容易集中大規(guī)模爆發(fā)，且與作物幼苗爭奪生長所需的資源，致使作物幼苗生長發(fā)育緩慢，作物產(chǎn)量降低，因此必須對田間雜草及時控制?；瘜W(xué)除草法由于其高效性，已成為國內(nèi)外的主要除草手段，但地毯式地使用化學(xué)除草劑不僅對農(nóng)田及周圍生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞，其殘留在作物葉片上的藥劑也對食品安全造成危害[2]。2015年農(nóng)業(yè)部明確了“雙減”的目標(biāo)來治理農(nóng)業(yè)面源污染，即通過技術(shù)手段和管理方式減少農(nóng)業(yè)中化肥和農(nóng)藥的使用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-5]。因此，研究精準(zhǔn)的作物雜草識別方法，對于農(nóng)藥精準(zhǔn)變量噴施技術(shù)的發(fā)展具有重要意義[6-8]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】當(dāng)前雜草識別研究中，根據(jù)圖像信息獲取手段及圖像特征提取方式不同，可分為基于光譜特征、機(jī)器視覺以及光譜成像的雜草識別方法[9-10]。目前廣泛采用的是基于機(jī)器視覺的識別方法，針對獲取的作物及雜草圖像，利用計(jì)算機(jī)分析圖像中作物與雜草所表現(xiàn)出的形狀、紋理和顏色等特征，提取差異較大的特征參數(shù)對目標(biāo)進(jìn)行識別檢測。鄧向武等[11]通過數(shù)碼相機(jī)地面獲取稻田雜草圖像，提取其顏色、形狀和紋理特征，采用深度置信網(wǎng)絡(luò)對雜草進(jìn)行識別，識別率為83.55%。孫俊等[12]提出一種空洞卷積與全局池化相結(jié)合的多尺度特征融合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對多種農(nóng)作物幼苗及雜草進(jìn)行訓(xùn)練識別，平均測試識別準(zhǔn)確率達(dá)到98.80%。何東健等[13]利用多光譜相機(jī)地面采集3類雜草圖像，提取葉片形狀、紋理及分形維數(shù)特征，將支持向量機(jī)分類結(jié)果引入DS融合算法，正確識別率達(dá)96.11%?；诠庾V特征的雜草識別多為傳感器地面采集作物和雜草的光譜數(shù)據(jù)，篩選有效區(qū)分作物和雜草波段進(jìn)行識別。潘冉冉等[14]利用高光譜成像系統(tǒng)室內(nèi)采集油菜及多種雜草的高光譜圖像，通過對比多種光譜預(yù)處理方法及多種分類模型，發(fā)現(xiàn)通過主成分載荷、載荷系數(shù)法及連續(xù)投影法作為特征波長提取方法，極限學(xué)習(xí)機(jī)模型所得分類精度最高。王海華等[15]通過無人機(jī)獲取麥田可見光影像，利用剪切波變換獲取小麥與雜草的剪切波系數(shù)，根據(jù)小麥與雜草剪切波系數(shù)的特征差異，對雜草進(jìn)行識別，準(zhǔn)確率為69.2%。肖武等[16]通過無人機(jī)獲取采煤沉陷濕地多光譜影像，構(gòu)建面向?qū)ο蠓诸惙椒?，對濕地植被進(jìn)行分類，總體精度達(dá)84.2%。【本研究切入點(diǎn)】目前對作物與雜草的識別研究多在實(shí)驗(yàn)室條件下或田間地面采集作物、雜草葉片進(jìn)行分類，數(shù)據(jù)采集覆蓋范圍較小，工作強(qiáng)度大，且無法從整個大田區(qū)域及植物冠層尺度對作物和雜草進(jìn)行分類。無人機(jī)遙感可快速高效獲取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)植被冠層影像，監(jiān)測范圍廣，能夠一次性采集大面積田塊及植被數(shù)據(jù)，節(jié)省時間。但無人機(jī)遙感獲取的影像相對于地面遙感獲取的圖像數(shù)據(jù)分辨率低，如何提高無人機(jī)遙感影像的識別分類精度是需要解決的一個問題。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文以無人機(jī)獲取的玉米地塊尺度的多光譜影像中玉米和雜草為研究對象，采用最大類間方差法去除圖像非植被像元，提取玉米及雜草冠層的植被指數(shù)、紋理和反射率等多種特征，采用監(jiān)督分類模型對試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)玉米和雜草進(jìn)行像元級語義識別，以期得到利用無人機(jī)遙感平臺獲取區(qū)域冠層尺度下玉米和雜草識別的最佳特征及模型，為快速獲取田間玉米和雜草分布，確定植保機(jī)械雜草施藥量提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院試驗(yàn)田，位于山東省淄博市南定鎮(zhèn)（36°44′36″N，118°3′23″E），該區(qū)域地處暖溫帶，屬溫帶季風(fēng)氣候，多年平均降水量650 mm，年平均氣溫12.5℃—14.2℃，年平均日照時長達(dá)2 209.3—2 523.0 h，年平均無霜期190—210 d。試驗(yàn)田總面積約為6 000 m2，研究區(qū)域總面積約為2 500m2。試驗(yàn)田內(nèi)主要種植作物為玉米，種植時間為2018年6月中旬，采用山東理工大學(xué)2BMFS3-240K振動深松分層施肥精播機(jī)進(jìn)行播種，行距70 cm，株距20 cm。雜草種類主要為狗尾草、三葉草和稗草。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

圖像數(shù)據(jù)采集時間為試驗(yàn)田玉米播種后一個月，于2018年7月14日進(jìn)行。無人機(jī)平臺采用南京禾譜航空科技有限公司HP6900六旋翼無人機(jī)，該機(jī)軸距900 mm，起落架尺寸460 mm（長）×450 mm（下底寬）×360 mm（高）、續(xù)航時間20 min，最大起飛質(zhì)量8.2 kg，通訊距離5 km。利用Red Edge-M多光譜相機(jī)獲取圖像數(shù)據(jù)，該傳感器包含藍(lán)光、綠光、紅光、紅邊、近紅外5個通道，圖像分辨率1 280×960，拍攝圖像存儲于相機(jī)內(nèi)部SD卡。圖像采集時段為正午11：00—13：00，天氣晴朗，地面無風(fēng)，滿足無人機(jī)平臺飛行要求。試驗(yàn)設(shè)計(jì)飛行高度為30 m，航線12條，飛行速度3 m·s-1，航線總長1.045 km，航向重疊度85%，旁向重疊度85%，采用垂直方式采集圖像，獲得5個單通道圖像共計(jì)2 630幅。

試驗(yàn)區(qū)拍攝圖像通過Pix4Dmapper軟件進(jìn)行校正和拼接等預(yù)處理操作，首先對單幅圖像進(jìn)行輻射校正和幾何校正，然后根據(jù)飛行POS數(shù)據(jù)尋找同名點(diǎn)，通過空三測量計(jì)算原始影像生成點(diǎn)云模型，最后添加紋理得到藍(lán)、綠、紅、紅邊、近紅外5幅單波段圖像。使用ENVI軟件Layer Stacking功能將5幅單波段圖像融合為多光譜圖像，如圖1所示。

1.3 研究方案

本試驗(yàn)以大田玉米多光譜圖像為研究對象，首先計(jì)算多光譜圖像的植被指數(shù)，使用最大類間方差法獲得分離裸土與植被（玉米與雜草）像元的閾值，實(shí)現(xiàn)圖像背景像元去除；其次，應(yīng)用主成分分析算法（PCA）對多波段圖像進(jìn)行降維，提取感興趣區(qū)域內(nèi)玉米及雜草的植被指數(shù)、紋理特征和反射率作為雜草識別特征，利用特征選擇方法創(chuàng)建數(shù)據(jù)集的子集；最后，將數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集和測試集，訓(xùn)練并測試多種監(jiān)督分類模型，選取分類精度最高的監(jiān)督分類器及特征選擇方法，對驗(yàn)證區(qū)域進(jìn)行玉米雜草識別。技術(shù)路線如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域多光譜圖像

1.4 裸土陰影像元去除

通過對多光譜圖像中的藍(lán)、綠、紅波段組成的RGB圖像分析發(fā)現(xiàn)，圖像中的主要植被為玉米和雜草，非植被主要為裸土及玉米葉片遮擋所產(chǎn)生的的陰影。由于植被與非植被色彩差異明顯，因此可從多光譜圖像中去除非植被背景像元，從而提高雜草識別的效率并節(jié)省運(yùn)行時間。

最大類間方差法（Otsu）是一種基于圖像灰度直方圖的閾值選擇方法[17]，它將圖像像元分為2類，若圖像中背景和目標(biāo)之間的差異增大，則2類圖像像元間的差異也會增大。因此，使圖像像元類間方差最大化的閾值即為分割圖像的最佳閾值。

植被指數(shù)是某些特定波長反射率的組合，是對植物葉片色素和營養(yǎng)狀況的響應(yīng)[18]。由于不同植物反射率存在差異，其植被指數(shù)值也各異。本文選擇了NDVI、DVI、RVI、SAVI、OSAVI、GNDVI和EVI等7種常見的植被指數(shù)[19-26]，通過ENVI軟件Band Math功能生成植被指數(shù)灰度圖像。采用Otsu算法對7種植被指數(shù)圖像進(jìn)行非植被像元提取，發(fā)現(xiàn)差值植被指數(shù)（DVI）圖像的植被與非植被地物分離效果最好，因此提取DVI圖像的非植被區(qū)域制作掩膜文件，對多光譜圖像進(jìn)行掩膜，實(shí)現(xiàn)植被與非植被像元的圖像分割。

圖2 技術(shù)路線

為了有效去除多光譜圖像各波段間冗余信息，降低波段間相關(guān)性，將有效信息集中到較少的轉(zhuǎn)換波段中，最大限度地表征原始數(shù)據(jù)信息[27-29]，故本試驗(yàn)采用主成分分析法（principal component analysis，PCA）對多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，消除多光譜數(shù)據(jù)中的冗余信息。

變換后的多波段圖像有5個主成分，其信息量分別為80.42%、13.93%、5.00%、0.48%和0.17%。因前3個主成分累加為99.35%，故僅保留信息量最多的前3個主成分，舍棄其余2個主成分。

1.5 玉米及雜草特征參數(shù)提取

玉米和雜草之間沒有明顯的顏色差異，僅使用植被指數(shù)很難對玉米與雜草分類識別，有必要使用多種特征對其分類。部分雜草未能在偽彩色圖像中與玉米葉片顯示出色彩差異，且雜草像元與玉米像元各主成分值相近，僅采用閾值法無法將玉米與雜草區(qū)分，因此選擇提取多光譜圖像中玉米和雜草的紋理特征和反射率進(jìn)行分類。當(dāng)前研究中常用的紋理分析方法為灰度共生矩陣法[30-34]。在實(shí)際應(yīng)用中，多采用基于灰度共生矩陣計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量作為紋理識別的特征參數(shù)，本文選擇均值、方差、協(xié)同性、對比度、相異性、信息熵、二階矩、相關(guān)性等8項(xiàng)紋理特征參數(shù)進(jìn)行分析。

如圖3所示，試驗(yàn)區(qū)被分為4個區(qū)域，驗(yàn)證區(qū)域面積約為600 m2，3個監(jiān)督分類訓(xùn)練區(qū)域，每個區(qū)域面積為600 m2，總面積1 800 m2。由于圖像采集時的飛行高度為30 m，可人為在圖像中對玉米與雜草進(jìn)行手動分類并選取感興趣區(qū)域（ROI）。通過人工選擇的方式，在每個訓(xùn)練區(qū)域內(nèi)選取225處玉米樣本感興趣區(qū)域，175處雜草樣本感興趣區(qū)域，考慮到特征統(tǒng)計(jì)的一般性，每個訓(xùn)練區(qū)域內(nèi)感興趣區(qū)域選擇盡可能均勻分布，為避免框選已掩膜區(qū)域，感興趣區(qū)域無特定形狀，僅確保每個感興趣區(qū)域包含100個像元。訓(xùn)練區(qū)域共有675處玉米感興趣區(qū)域和525處雜草感興趣區(qū)域。

每處感興趣區(qū)域均被視為一個樣本。從玉米及雜草感興趣區(qū)域中提取的植被指數(shù)、紋理和反射率的統(tǒng)計(jì)量均值作為樣本特征。圖像經(jīng)主成分分析變換后3個主成分波段的8種灰度共生矩陣統(tǒng)計(jì)量作為紋理特征，共計(jì)24個紋理特征。使用ENVI軟件的Convolutions功能對多光譜圖像各波段分別進(jìn)行低通和高通濾波，獲得多光譜圖像5個波段的10個反射率。

將3個訓(xùn)練區(qū)域共計(jì)1 200個樣本（包括675個玉米樣本和525個雜草樣本）作為原始數(shù)據(jù)集，每個樣本具有41項(xiàng)特征，包括植被指數(shù)（7）、紋理特征（24）和反射率（10）。將數(shù)據(jù)集以2﹕1的比例隨機(jī)分成訓(xùn)練集和測試集。訓(xùn)練集用于監(jiān)督分類模型的訓(xùn)練，包含450個玉米樣本和351個雜草樣本，由3個訓(xùn)練區(qū)域各隨機(jī)提供的150個玉米樣本和117個雜草樣本組成。測試集由原始數(shù)據(jù)集剩余1/3樣本組成，即每個訓(xùn)練區(qū)域余下的75個玉米樣本和58個雜草樣本，測試集用于分類器最優(yōu)參數(shù)選擇。

圖3 訓(xùn)練區(qū)域及驗(yàn)證區(qū)域

1.6 特征選擇算法及監(jiān)督分類模型選取

為了提高模型運(yùn)算效率，減少數(shù)據(jù)集維度，本文選擇了2種特征選擇方法對原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行降維。

基于支持向量機(jī)的遞歸特征消除（SVM-RFE）是一種嵌入式特征選擇方法[27, 35-36]。其原理是在線性SVM分類器的訓(xùn)練過程中對樣本特征進(jìn)行選擇。在特征選擇之初，所有特征都參與線性SVM模型訓(xùn)練，依據(jù)各特征對分類的貢獻(xiàn)度，舍棄貢獻(xiàn)最少的特征，剩余特征重新訓(xùn)練線性SVM分類器。SVM分類器的訓(xùn)練與特征移除不斷迭代，直至剩余特征數(shù)量達(dá)到用戶預(yù)設(shè)值。

為了與SVM-RFE算法進(jìn)行比較，選擇了一種過濾式特征選擇方法Relief算法對原始數(shù)據(jù)集降維[27, 37]。Relief算法主要用于二類問題的特征選擇，使用與初始特征對應(yīng)成分的相關(guān)統(tǒng)計(jì)量來衡量特征的重要性，對應(yīng)成分較大者的特征將在分類中起重要作用。

通過交叉驗(yàn)證獲得SVM-RFE算法訓(xùn)練線性SVM模型的最佳特征數(shù)量為14，將具有該14項(xiàng)特征的數(shù)據(jù)集稱為SVM-RFE子集（第一主成分均值、方差、協(xié)同性、相異性、二階矩、相關(guān)性、第二主成分均值、信息熵、相關(guān)性、第三主成分均值、差值植被指數(shù)、比值植被指數(shù)、增強(qiáng)型植被指數(shù)、紅邊高通反射率）。使用Relief算法對所有特征按對應(yīng)成分大小進(jìn)行排序，選取前14項(xiàng)特征組成Relief特征子集（第一主成分協(xié)同性、信息熵、相關(guān)性、第二主成分均值、信息熵、相關(guān)性、第三主成分均值、方差、相關(guān)性、藍(lán)色低通反射率、綠色低通反射率、紅邊低通反射率、藍(lán)色高通反射率、紅邊高通反射率）。

使用5種監(jiān)督分類模型對原始數(shù)據(jù)集及特征子集進(jìn)行分類。監(jiān)督分類模型分別為支持向量機(jī)（SVM），K-最近鄰（KNN），Cart決策樹（Cart），隨機(jī)森林（RF）及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）。在分類前對數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化處理，應(yīng)用10折交叉驗(yàn)證法對模型進(jìn)行訓(xùn)練。5種監(jiān)督分類器的訓(xùn)練及測試由python編程實(shí)現(xiàn)。

1.7 精度評價

對5種監(jiān)督分類模型進(jìn)行精度評價，采用準(zhǔn)確率（）、精確率（）、召回率（）、1值4個指標(biāo)作為精度評價指標(biāo)[38]，準(zhǔn)確率為正確預(yù)測的數(shù)量占樣本總數(shù)的比值，精確率為真正例占所有預(yù)測正例樣本之比，召回率表示預(yù)測正例占所有正例樣本之比，1值為精確率與召回率的調(diào)和平均值。

式中，為真正例；為假反例；為假正例；為真反例。使用宏平均值綜合考察準(zhǔn)確率與召回率。

式中，P為平均精確率；R為平均召回率；1m為平均1值；為交叉驗(yàn)證次數(shù)；P為第次驗(yàn)證精確率；R為第次驗(yàn)證召回率。

2 結(jié)果

分別采用原始數(shù)據(jù)集、SVM-RFE特征子集、Relief特征子集對5種監(jiān)督分類模型進(jìn)行訓(xùn)練與優(yōu)化，并通過玉米雜草分類結(jié)果分析不同監(jiān)督分類模型及特征選擇方法間的差異。

2.1 原始數(shù)據(jù)集分類結(jié)果分析

原始數(shù)據(jù)集分類結(jié)果如表2所示。在5種監(jiān)督分類模型中，ANN模型測試集分類準(zhǔn)確率最高，達(dá)99.0%；其次為SVM模型，準(zhǔn)確率達(dá)98.48%，兩者準(zhǔn)確率差異較??；Cart模型準(zhǔn)確率最低，僅為91.41%。由多個Cart模型集合而成的RF模型分類準(zhǔn)確率為96.46%，優(yōu)于單個Cart模型表現(xiàn)。5種監(jiān)督分類模型測試集準(zhǔn)確度及精確度均高于90%，對紋理、植被指數(shù)和反射率特征構(gòu)成的數(shù)據(jù)集分類效果良好。

2.2 特征子集分類結(jié)果分析

分別采用Relief特征子集與SVM-RFE特征子集對5種監(jiān)督分類模型進(jìn)行訓(xùn)練及測試，分類結(jié)果如表3和表4所示。與原始數(shù)據(jù)集分類結(jié)果相比較，監(jiān)督分類模型對Relief特征子集的分類效果有所下降，測試集準(zhǔn)確率平均下降1.68%。原始數(shù)據(jù)集中分類效果較好的3種模型準(zhǔn)確率下降幅度均超過1.2%，而分類效果較差的KNN及Cart模型，準(zhǔn)確率變化幅度在0.75%以內(nèi)。在Relief特征子集對測試集的分類結(jié)果中，SVM模型的準(zhǔn)確率最高，達(dá)97.22%；ANN模型精確度略低于SVM，為96.67%；RF模型準(zhǔn)確率下降幅度最大，相對于原始數(shù)據(jù)集結(jié)果下降了3.53%，僅為92.93%。

在SVM-RFE特征子集的分類結(jié)果中，ANN與SVM測試集分類精度相對于原始數(shù)據(jù)集結(jié)果變化極小，ANN具有最高的準(zhǔn)確率，為99.0%；SVM準(zhǔn)確率僅下降0.26%，為98.23%。相較原始數(shù)據(jù)集結(jié)果，RF、KNN與Cart模型準(zhǔn)確率提升，其中KNN、Cart模型準(zhǔn)確率分別提高2.02%、3.03%。KNN模型在Relief、SVM-RFE特征子集的分類結(jié)果中，訓(xùn)練集準(zhǔn)確率均為100%，而測試集準(zhǔn)確率分別為93.43%和95.96%，存在過擬合現(xiàn)象。

表2 原始數(shù)據(jù)集分類結(jié)果

表3 Relief特征子集分類結(jié)果

表4 SVM-RFE特征子集分類結(jié)果

對比原始數(shù)據(jù)集、Relief特征子集與SVM-RFE特征子集的分類結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，各模型精確率、召回率及1值的高低分布與其準(zhǔn)確率一致，且相同模型同一數(shù)據(jù)集的精確率與召回率差異較小，根據(jù)公式（2）、（3）可知，模型對玉米（真正例）識別效果較好，錯誤識別結(jié)果（假正例、假反例）較少。監(jiān)督分類模型對SVM-RFE特征子集的分類效果優(yōu)于Relief特征子集。SVM-RFE特征子集中，ANN與SVM模型的準(zhǔn)確率與原始數(shù)據(jù)集相近，且RF、KNN與Cart模型準(zhǔn)確率有所提升。

2.3 監(jiān)督分類模型識別精度驗(yàn)證

分別利用對測試集分類準(zhǔn)確率較高的SVM、RF、ANN 3種模型，對圖3驗(yàn)證區(qū)域采用全部特征、Relief特征子集、SVM-RFE特征子集進(jìn)行雜草識別，驗(yàn)證各模型分類精度，玉米雜草分類結(jié)果圖4所示。根據(jù)監(jiān)督分類結(jié)果與驗(yàn)證區(qū)域內(nèi)人工標(biāo)記的240處玉米樣本及160處雜草樣本計(jì)算混淆矩陣，結(jié)果如表5—7所示。

比較不同特征集分類結(jié)果總體精度可以看出，使用全部41項(xiàng)特征的監(jiān)督分類總體精度最高，僅使用14項(xiàng)特征的Relief及SVM-RFE特征子集分類總體精度略有下降。在全部特征的分類結(jié)果中，SVM模型的總體精度最高，達(dá)91.94%，Kappa系數(shù)為0.84；Relief特征子集的分類結(jié)果中，RF模型的總體精度最高，達(dá)89.27%，Kappa系數(shù)為0.79；SVM-RFE特征子集的分類結(jié)果中，SVM模型的總體精度最高，達(dá)90.76%，Kappa系數(shù)為0.82；在3種不同特征集分類結(jié)果中，RF與SVM模型的總體精度相近，相差1%以內(nèi)。ANN模型總體精度較差，與其他2種模型精度差異明顯。

表5 驗(yàn)證區(qū)域使用全部特征混淆矩陣

表6 驗(yàn)證區(qū)域使用Relief特征子集混淆矩陣

表7 驗(yàn)證區(qū)域使用SVM-RFE特征子集混淆矩陣

a. 驗(yàn)證區(qū)全部特征RF、SVM、ANN分類結(jié)果；b. 驗(yàn)證區(qū)Relief特征子集RF、SVM、ANN分類結(jié)果；c. 驗(yàn)證區(qū)SVM—RFE特征子集RF、SVM、ANN分類結(jié)果

在驗(yàn)證區(qū)域的玉米雜草分類結(jié)果中，SVM、RF、ANN 3種模型對SVM-RFE特征子集的總體精度高于Relief特征子集總體精度，與測試集結(jié)論一致。2種特征子集的總體精度相較全部特征都有所下降，但精度降低幅度較小，且SVM-RFE特征子集比Relief特征子集總體精度降低變化更小。結(jié)果表明，SVM-RFE算法與Relief算法相比可以更有效地降低原始數(shù)據(jù)集維度及消除冗余特征。

3 討論

雜草識別研究多以地面?zhèn)鞲衅鞑杉淖魑铩㈦s草作為研究對象，近距離獲取高分辨率目標(biāo)影像且背景干擾較小，故識別率整體較高。無人機(jī)獲取的遙感影像覆蓋范圍大，但單株作物冠層分辨率較低，受背景像元影響較大，故相較地面雜草研究識別率有所下降。本文基于無人機(jī)多光譜遙感，通過多種特征提取及數(shù)據(jù)降維，對比不同的分類模型及降維算法，得到了能夠快速準(zhǔn)確識別田間雜草的分類模型及有效的降維算法。該研究對快速獲取作物田間雜草分布，指導(dǎo)植保機(jī)械施藥區(qū)域及施藥量的計(jì)算具有一定的參考價值，但由于農(nóng)田環(huán)境的多樣與復(fù)雜，所選監(jiān)督分類算法數(shù)量有限，還存在一些待改進(jìn)之處。本試驗(yàn)在評價監(jiān)督分類模型對驗(yàn)證區(qū)域的分類結(jié)果時，使用均勻分布于驗(yàn)證區(qū)域各處人工標(biāo)記的玉米、雜草感興趣區(qū)域，嘗試僅使用部分地面真值對模型分類效果進(jìn)行可靠評價，針對樣本數(shù)量對分類效果評價的影響，將在下一步試驗(yàn)中加以探究。

玉米與雜草在播種前期株高差異較小，但后期二者株高差異明顯，因此可以根據(jù)田間多時相的圖像結(jié)合植被三維空間信息，將不同時期相同位置植被高度差值作為特征用于雜草識別，并根據(jù)多時相圖像得到識別玉米田間雜草的最佳時期。本文僅對玉米、雜草進(jìn)行識別區(qū)分，未對雜草進(jìn)行具體種類區(qū)分，在下一步的研究中，可選擇非監(jiān)督分類方法對雜草樣本進(jìn)行聚類分析，結(jié)合實(shí)地調(diào)查獲取雜草品種，對聚類方法進(jìn)行精度評價。

4 結(jié)論

（1）利用無人機(jī)遙感獲取的玉米田間多光譜圖像，其差值植被指數(shù)圖像可通過最大類間方差法提取非植被區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)圖像中植被與非植被像元的分割。

（2）SVM-RFE 特征選擇算法對原始特征降維效果優(yōu)于Relief特征算法，所選擇的特征子集分類結(jié)果相對于原始特征分類結(jié)果總體精度下降幅度較小。

（3）隨機(jī)森林、支持向量機(jī)模型能夠有效地對玉米和雜草進(jìn)行識別，總體精度最高可達(dá)90.95%和91.94%，Kappa系數(shù)可達(dá)0.8以上，支持向量機(jī)模型總體分類效果最好。

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Weed Identification in Maize Field Based on Multi-Spectral emote Sensing of Unmanned Aerial Vehicle

ZHAO Jing1,2, LI ZhiMing1,2, LU LiQun2,3, JIA Peng1,2, YANG HuanBo1,2, LAN YuBin1,2

(1School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255000, Shandong;2International Research center of Precision Agriculture Aviation Application Technology, Shandong University of Technology, Zibo 255000, Shandong;3School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, Shandong)

【Objective】In order to reduce the application rate of herbicides and to make the maize planting management more effective, the accurate identification of weeds in maize fields was investigated based on multi-spectral remote sensing of unmanned aerial vehicles (UAV). 【Method】In this paper, a Red Edge-M multi-spectral camera was mounted in a six-rotor UAV to acquire five single-band images of blue, green, red, red edge, and near-infrared, and the application was taken in Zibo, Shandong province, China to acquire multi-spectral images of a maize field in July 14, 2018. In order to separate the vegetation and non-vegetation pixels in the image, 7 vegetation indices were calculated, the OTSU method was used to obtain the non-vegetation area, and the multi-spectral image was masked. Then multi-spectral image was transformed by principal component analysis, retaining the first three principal component bands with the most information. The experimental region was divided into 3 training areas and 1 verification area. 675 maize and 525 weed samples were selected in the training areas to train the supervised classification model, and 240 maize and 160 weed samples were selected in the verification area to evaluate model classification accuracy. The 7 vegetation indices, 24 texture features of the 3 principal component bands and 10 reflectivity of multi-spectral image bands which were filtered, and a total of 41 features were taken as features of maize and weed. Support vector machines-feature recursive elimination (SVM-RFE) algorithm and Relief algorithm were applied to selecting 14 features from 41 features to constitutes a feature subset separately, and supervised classification for weed detection was performed using support vector machine (SVM), K-nearest neighbor (KNN), Cart decision tree (Cart), random forest (RF) and artificial neural network (ANN) .【Result】SVM and RF performed a better classification with all features and SVM-RFE & Relief feature subsets. The overall accuracy of SVM was 89.13%-91.94%, Kappa＞0.79, and overall accuracy of random forest was 89.27%-90.95%, Kappa＞0.79.【Conclusion】SVM-RFE feature selection algorithm was better than the Relief feature algorithm for reducing the original features. SVM model had the highest classification accuracy for identification of weed and maize at regional canopy scales.

weed identification; UAV remote sensing; multi-spectral image; feature selection; supervised classification

2019-08-29；

2019-11-04

山東省引進(jìn)頂尖人才“一事一議”專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)資金“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)與裝備研發(fā)”資助項(xiàng)目

趙靜，E-mail：zbceozj@163.com。通信作者蘭玉彬，E-mail：ylan@sdut.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）