王瑞璠 ,魏倪彬 ,張倉(cāng)皓 ,鮑甜甜 ,劉健 ,余坤勇 ,王帆 *
1. 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福建 福州 350002;2. 福建農(nóng)林大學(xué)/3s技術(shù)與資源優(yōu)化利用福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350002
林下植被指在森林系統(tǒng)中位于喬木冠層下的灌草植被(Yolanda et al.,2018;焦桐等,2014),是森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分。林下植被覆蓋度是描述地表覆蓋林下植被情況的重要參數(shù),可作為探查水土流失情況的指標(biāo)(Chen et al.,2021;Pandey et al.,2021;Sharda et al.,2021)??焖佾@取林下植被覆蓋度的空間分布可為水土流失精準(zhǔn)治理提供數(shù)據(jù)參考。
搭載近距離觀測(cè)平臺(tái)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可在精細(xì)尺度上得到地面植被高分辨率圖像,為林下植被覆蓋度的遙感量化提供技術(shù)支撐(Yang et al.,2017;Tolga,2019;Hartley et al.,2020;Anderson et al.,2021)。由于無(wú)人機(jī)影像本身為二維數(shù)據(jù),很難直接顯示森林垂直結(jié)構(gòu),但無(wú)人機(jī)影像蘊(yùn)含較豐富的三維信息。Li et al.(2020)利用無(wú)人機(jī)相片擬合點(diǎn)云,在高維視角中尋求信息并將其投回二維平面,以此提出了一種估算林下植被覆蓋度的方法。然而現(xiàn)有研究中,無(wú)人機(jī)估算植被參數(shù)大多基于正射影像(韓文霆等,2021;徐逸等,2021;楊蜀秦等,2021;張倉(cāng)皓等,2020),單角度無(wú)人機(jī)(包括點(diǎn)云)數(shù)據(jù)只能表征地物在一個(gè)方向的投影,缺乏足夠的信息來(lái)反映其空間結(jié)構(gòu)(Forrest et al.,2008)。多角度觀測(cè)可以得到地物多方面信息,提高信息豐度(Yan et al.,2019)。相對(duì)于單一角度遙感,多角度遙感信息能提取出更詳盡可靠的空間參數(shù),從而降低定量過(guò)程中的不確定性(Yao et al.,2021;閻廣建等,2021)。Lin et al.(2021)探討了從無(wú)人機(jī)多角度相片所生成的點(diǎn)云來(lái)估算森林葉面積指數(shù)的方法,Yan et al.(2019)利用無(wú)人機(jī)多角度圖像研究多角度遙感在植被精細(xì)分類(lèi)中的應(yīng)用,其結(jié)果證明多角度方案對(duì)植被參數(shù)的估算具有良好的效果。但地形起伏地區(qū)林下植被覆蓋度無(wú)人機(jī)多角度遙感量化機(jī)制尚未得到充分闡釋。
無(wú)人機(jī)測(cè)量林下植被需要反演林下地形。地形反演是指剔除非地面點(diǎn)后對(duì)地面點(diǎn)進(jìn)行建模(Meng et al.,2017)。無(wú)人機(jī)影像包括林冠層與林下植被信息,需要利用高程差分離出林下植被信息。合理剔除冠層點(diǎn)的能力決定林下地形反演的精度(Na et al.,2020)。山地地形起伏通常會(huì)造成高程突變(Kláp?tě et al.,2020),從而導(dǎo)致植被的離散分布(江海英等,2020)。Zhang et al.(2016)從點(diǎn)云的角度對(duì)植被與非植被進(jìn)行區(qū)分。通過(guò)確認(rèn)植被形態(tài)與地形緩急,按情景翻轉(zhuǎn)點(diǎn)云并模擬布料下落,排除植被點(diǎn),得出真實(shí)地形;植被離散意味著區(qū)域地表裸露程度高,利用點(diǎn)云布料濾波(Cloth Simulation Filter,CSF)算法,能較準(zhǔn)確地保留地面點(diǎn)云,保證地形反演精度。而植被連續(xù)區(qū)域地形信息不明確,無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)只能表達(dá)森林表層信息,反演地形精度較差。地圖森林密度算法(Map Forest Density)利用點(diǎn)云密度分離樹(shù)冠與地面,并利用兩者高程差模擬冠層高度模型(Canopy Height Model,CHM),從而得到地形信息。該方式對(duì)林下地形整體趨勢(shì)把握較好,可為植被連續(xù)型區(qū)域的地形反演提供可行技術(shù)。
鑒于此,本文試圖選取長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)作為研究區(qū)域,基于無(wú)人機(jī)多角度遙感數(shù)據(jù),運(yùn)用圖像處理與空間分析的思想,從而總結(jié)提出地形起伏區(qū)小尺度植被形態(tài)識(shí)別與地形反演方法,同時(shí)闡明無(wú)人機(jī)量化林下植被覆蓋度的多角度耦合機(jī)質(zhì),旨在提出一種適合南方丘陵區(qū)林下植被覆蓋度的遙感量化方法,為無(wú)人機(jī)定量林下植被提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)參考。
河田鎮(zhèn)位于福建省西部,地處 25°35′—25°46′N(xiāo),116°16′—116°30′E 之間,總面積約 296 km2。全地多山地丘陵地貌,地形起伏較大且河網(wǎng)密布,年降雨量1700 mm,土壤以紅壤為主。研究區(qū)主要喬木為馬尾松(Pinus massoniana),其占所有林地面積的80%左右,林下植被則以芒萁(Dicranopteris dichotoma)為主(王敬哲等,2020)。根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r,選取平坦地形(坡度5°—10°)樣地4個(gè),其中中郁閉度樣地(郁閉度0.3—0.5)2個(gè),低郁閉度(郁閉度<0.3)樣地2個(gè);緩坡地形(坡度10°—20°)樣地6個(gè),其中中郁閉度樣地2個(gè),低郁閉度樣地4個(gè);陡坡地形(坡度20°—25°)樣地4個(gè),其中中郁閉度樣地2個(gè),低郁閉度樣地2個(gè),共14個(gè)20 m×20 m馬尾松林實(shí)驗(yàn)樣地,其分布如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)樣地示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental plot
本研究認(rèn)為,當(dāng)喬木冠層連續(xù)面積超過(guò)總面積40%情況下,認(rèn)定該樣地植被為連續(xù)型,反之則為離散型,具體圖示如圖2所示(為使描述準(zhǔn)確,示意圖采用DSM數(shù)據(jù)表示)。
圖2 植被類(lèi)型示例圖Fig. 2 Sample graph of vegetation types
2.1.1 地面數(shù)據(jù)
地面數(shù)據(jù)用于無(wú)人機(jī)定量林下植被覆蓋度結(jié)果的精度驗(yàn)證與誤差評(píng)估(趙長(zhǎng)森等,2019)。本研究使用尼康D7000單反相機(jī),拍攝前對(duì)相機(jī)光圈優(yōu)先模式、自動(dòng)曝光、自動(dòng)對(duì)焦、ISO 100和植物與風(fēng)景場(chǎng)景等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。沿實(shí)驗(yàn)樣地對(duì)角線,每隔3 m在距地面約1.5 m處(Niederheiser et al.,2021),分別拍攝林下植被與林冠層相片(Maalek,2021)。相片分辨率為4000×6000 pixels。同時(shí)在每個(gè)樣地放置4個(gè)白板并記錄其位置與高程信息。
2.1.2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)
鏡頭傾斜視角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致同名點(diǎn)匹配關(guān)系較低(Lin et al.,2021),因此,研究設(shè)置3個(gè)傾斜角度(10°、20°、30°)。采用搭載 Mica Sense Red Edge多光譜鏡頭(可見(jiàn)光+近紅外+紅邊波段)的大疆精靈4無(wú)人機(jī)系統(tǒng),通過(guò)正交飛行方式在無(wú)風(fēng)且陽(yáng)光充足(11:00—02:00)時(shí)段采集無(wú)人機(jī)傾斜視角和天頂視角(0°)的多光譜影像數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)飛行高度50—70 m,航向和側(cè)向的重疊率均為85%,其影像分辨率為0.05 m。為保證樣地影像的完整性,實(shí)際拍攝范圍在樣地邊界做了 15 m外延。采用PhotoScan(https://www.agisoft.com)軟件對(duì)無(wú)人機(jī)可見(jiàn)光波段進(jìn)行預(yù)處理,生成數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map,DOM)及±10°/±20°/±30°的傾斜攝影影像圖。通過(guò)白板數(shù)據(jù)校正與紋理參數(shù)調(diào)整,完成傾斜攝影影像在樣地中心的角度校正,從而確保對(duì)植物垂直投影面積的有效提取。
2.2.1 整體技術(shù)流程
本研究先期預(yù)處理無(wú)人機(jī)相片從而得到正射影像與傾斜攝影影像及其點(diǎn)云數(shù)據(jù),而后利用半高斯擬合法分離出綠色像元。此時(shí)綠色像元包括林冠層與林下植被層。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)柵格化得到樣地表面模型,利用區(qū)域最大值法區(qū)分植被形態(tài),并依照形態(tài)各自反演地形得到高程模型,利用兩者高程差分離出林下植被,并依照公式進(jìn)行林下植被覆蓋度計(jì)算,最后利用地面調(diào)查數(shù)據(jù)驗(yàn)證精度。
具體流程如圖3所示。
圖3 植被參數(shù)估算流程示意圖Fig. 3 Flow chart of vegetation inversion technology
2.2.2 地形反演方法
地形反演用來(lái)剔除樹(shù)冠以突出圖像綠色中林下植被信息。布料濾波算法是將點(diǎn)云翻轉(zhuǎn)并模擬布料下落,并假定布料最先觸碰到的物體為地面,通過(guò)多個(gè)布料下落結(jié)果擬合地面高程;地圖森林密度算法利用點(diǎn)云高程密度的不同擬合出樹(shù)冠高度,得到數(shù)字高程模型。
利用ArcGIS空間分析模塊中的焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具,對(duì)數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)進(jìn)行山頂點(diǎn)分析,通過(guò)分析頂點(diǎn)緩沖區(qū)重疊率,判斷該地區(qū)植被是否連續(xù)(Na et al.,2020)。若植被為離散型分布,采用開(kāi)源的布料模擬濾波算法工具獲取數(shù)字高程模型;若植被為連續(xù)型分布,則植被與地面之間的區(qū)別不明顯,采用地圖森林密度算法(Map Forest Density)反演地形,該算法由 ENVI 5.5.3提供(https://www.l3harrisgeospatial.com/docs/SampleLiDARForestDen sity.html)。
2.2.3 林下植被覆蓋度計(jì)算公式與估算方法
本研究以高程2 m為閾值,區(qū)分林冠層和林下植被(Li et al.,2020)。林下植被覆蓋度(Understory vegetation cover,CUV)計(jì)算公式如下:
式中:
PAll——相片總像元;
PGreen——綠色植被所占據(jù)的像元。
準(zhǔn)確分離出林下植被是量化林下植被覆蓋度的關(guān)鍵。作為一種針對(duì)無(wú)人機(jī)影像中綠色覆蓋的估計(jì)方法,基于直方圖的半高斯擬合閾值法(HAGFVC)主要解決分離無(wú)人機(jī)綠色與非綠色像元的問(wèn)題(Li et al.,2018),可精準(zhǔn)提取林下植被。
單角度無(wú)人機(jī)圖像測(cè)量林下植被,首先采用基于直方圖的半高斯擬合(HAGFVC)方法分離植被與非植被點(diǎn),隨后利用地形反演后林冠層和林下植被的高程差,分離林冠層與林下植被層。長(zhǎng)汀林下植被主要為芒萁,芒萁的高度一般不超過(guò)1.3 m,故設(shè)置高度閾值為2 m,分離出林下植被范圍。
式中:
H(x)——半高斯分布函數(shù);
μ——均值;
σ——標(biāo)準(zhǔn)差。
多角度無(wú)人機(jī)圖像測(cè)量林下植被,則以正射影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),首先計(jì)算正射影像中林下植被范圍,再分別計(jì)算10°、20°、30°影像林下植被范圍,對(duì)比傾斜攝影影像林下植被范圍與正射影像林下植被范圍的不同,并計(jì)算不同處的像元數(shù)量。將其與正射影像得到林下范圍疊加,采用SLIC函數(shù)超像素分割疊加結(jié)果以求二值化更貼合植被形態(tài),同時(shí)對(duì)二值掩模圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹。使用15×15(Li et al.,2020)的膨脹參數(shù),從而得到膨脹的掩模圖像,即可得到較準(zhǔn)確的林下植被覆蓋度。
2.2.4 地面數(shù)據(jù)計(jì)算方法
本研究使用MATLAB 2018a內(nèi)置的SLIC函數(shù)實(shí)現(xiàn)超像素分割(Achanta et al.,2012)。將每個(gè)相機(jī)拍攝的RGB圖像分割成超像素圖像,每個(gè)超像素圖像結(jié)果大約包含10000個(gè)分割結(jié)果,保留每個(gè)分割結(jié)果中的平均顏色。該方法能降低相片曝光程度,并較好勾勒出植被形態(tài)。利用閾值分割將林下植被范圍顯示出來(lái),從而得到單點(diǎn)的林下植被覆蓋度。
利用ArcGIS 10.2的克里金插值模塊擬合變異函數(shù),從而對(duì)樣地的郁閉度與林下植被覆蓋度進(jìn)行內(nèi)插。再結(jié)合地理統(tǒng)計(jì)分析,得到樣地郁閉度與林下植被覆蓋度的平均值??死锝鸩逯担ê》嫉龋?020)的通用公式為:
式中:
Z(Xi)——i處位置的實(shí)測(cè)郁閉度與林下植被覆蓋度;
λi——i處的權(quán)重;
n——實(shí)測(cè)值數(shù)量;
X0——預(yù)測(cè)位置。
通過(guò)局部最大值分析先期判斷植被形態(tài),并依據(jù)植被形態(tài)采用不同方法反演各樣地地形。典型樣地處理結(jié)果如表1所示。
表1 典型樣地處理結(jié)果Table 1 Treatment results of typical sample plots
為驗(yàn)證地形反演精度,利用無(wú)人機(jī) RTK測(cè)得樣地白板高程。將 14個(gè)樣地實(shí)測(cè)高程與反演高程做回歸分析,反演精度用決定系數(shù)R2與均方根誤差RMSE表示(陳秋計(jì)等,2020)。
表2顯示各樣地植被形態(tài)、地形因子與地形反演精度情況,其中,地形起伏是樣地中最大高程與最低高程之差,RMSEcloth是由RTK所測(cè)白板高程與布料濾波算法反演地形后所得白板高程計(jì)算得到,RMSEmap是由白板高程與地圖森林密度算法反演地形后白板高程計(jì)算得到。由表可知,樣地平均坡度集中于5—10°與17—22°區(qū)間,地形起伏多在2—10 m區(qū)間。RMSEcloth值在0.069—3.528 m之間,其中RMSEcloth>1部分均為植被連續(xù)型樣地,同時(shí),RMSEmap值在0.210—1.856 m之間,但該方法反演地形植被離散型樣地結(jié)果整體低于布料濾波算法。若植被離散型樣地采用布料濾波算法,植被連續(xù)型樣地采用地圖布料濾波算法,則離散型樣地平均RMSE為0.400 m,連續(xù)型樣地平均RMSE為0.518 m,兩者RMSE均未超過(guò)1 m。此時(shí),各植被形態(tài)樣地按照其技術(shù)路線反演地形,其驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。
圖4 地形反演精度Fig. 4 Accuracy of terrain inversion
表2 樣地信息與地形情況Table 2 Plot information and topography
圖4表明不同植被形態(tài)樣地采用相應(yīng)方法反演地形,其結(jié)果具有較高的精度,同時(shí)展示出本文方法對(duì)不同植被形態(tài)樣地蘊(yùn)含的地形特征均具有較好的自適應(yīng)性。由此可認(rèn)為本文中數(shù)字表面模型與數(shù)字高程模型的高程差能夠較精準(zhǔn)地分離出冠層與地面,為林冠層與林下植被的分離提供良好的數(shù)據(jù)支撐。
林下植被計(jì)算如圖5所示:圖5a所示為剔除冠層的無(wú)人機(jī)正射影像;圖5b所示無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行超像素分割后結(jié)果;圖5c所示為利用半高斯擬合閾值法分割圖5b后得到的二維掩膜圖像,圖5d所示對(duì)二維掩膜圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)上膨脹方法所得出結(jié)果。
圖5 林下植被覆蓋范圍計(jì)算Fig. 5 Calculation of understory vegetation coverage
為驗(yàn)證單一角度定量植被精度,將實(shí)測(cè)參數(shù)與估算得到的植被參數(shù)進(jìn)行線性回歸分析,其結(jié)果如圖6所示。
由圖6所示,在各角度無(wú)人機(jī)影像定量林下植被的結(jié)果中,20°無(wú)人機(jī)遙感影像反演得到的植被參數(shù)精度最高,R2為0.459,RMSE為0.166;正射影像的精度次之,R2為0.445,RMSE為0.169;10°影像精度次之,R2為0.413,RMSE為0.190;30°影像精度最差,R2為0.337,RMSE為0.243。
圖6 各角度線性回歸結(jié)果Fig. 6 Linear regression results of each angle
以正射影像林下信息為基礎(chǔ),加之傾斜攝影影像林下信息進(jìn)行補(bǔ)充,最終得到林下植被覆蓋度與郁閉度的多角度估算結(jié)果。將實(shí)測(cè)參數(shù)與估算得到的植被參數(shù)進(jìn)行線性回歸分析驗(yàn)證多角度定量植被精度,結(jié)果如圖7所示。
圖7 多角度UVC線性回歸結(jié)果Fig. 7 Multi angle linear regression results of UVC
多角度耦合精度較高,R2為0.675, RMSE為0.102。將多角度無(wú)人機(jī)影像定量林下植被的結(jié)果與單一角度對(duì)比,多角度估算精度明顯提高,其中多角度 R2較傾斜 0°R2提高 51%,較傾斜 10°R2提高65%,較傾斜 20°R2提高 44%;較傾斜 30°R2提高94%。多角度RMSE較傾斜0°RMSE降低39%;較傾斜 10°RMSE降低 41%;較傾斜 20°RMSE降低45%;較傾斜30°RMSE降低58%。
在本研究中,林下地形反演方法需依據(jù)該區(qū)域植被形態(tài)而定。植被離散型地區(qū)采用點(diǎn)云布料濾波算法濾除植被點(diǎn)云得到地面;植被連續(xù)型區(qū)域采用地圖森林密度算法擬合冠層并降低冠高來(lái)擬合地面。不同形態(tài)得到的反演精度也不同。本研究結(jié)果表明,提取地形起伏區(qū)植被高度信息上離散植被區(qū)域的反演精度更高,其平均RMSE為0.400 m;植被連續(xù)型區(qū)域精度略低,其平均RMSE為0.518 m,這主要是由于植被形態(tài)與地形差異所致。
本研究發(fā)現(xiàn)布料濾波算法反演植被離散型區(qū)域地形顯著有效,精度也較高。原因是植被離散意味著植被間裸露的地面較多,暴露的地形信息也較明顯。利用布料濾波算法移除植被點(diǎn)云,利用空間插值算法填補(bǔ)移除植被后的空白,即可較精準(zhǔn)地得到地面點(diǎn)云,從而得到數(shù)字高程模型。但是,同時(shí)也發(fā)現(xiàn),點(diǎn)云布料濾波算法并不適用于植被連續(xù)型區(qū)域。因?yàn)橹脖贿B續(xù)型區(qū)域中地面裸露較少或者不裸露,地形信息顯示不明顯。由于無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)只能體現(xiàn)森林表面,樹(shù)冠高會(huì)干擾布料下落,導(dǎo)致樹(shù)冠點(diǎn)云剔除不完全,反演地形的結(jié)果較差。此時(shí),地圖森林密度算法從數(shù)據(jù)角度擬合地形,擬合結(jié)果趨于保守。結(jié)果體現(xiàn)林下地形整體趨勢(shì)較好,單個(gè)點(diǎn)的精度稍差一些。但較之布料濾波算法而言,該方法對(duì)植被連續(xù)型區(qū)域的地形反演顯著有效。
無(wú)人機(jī)單一角度影像顯示的林下植被信息并不全面,導(dǎo)致單一角度影像定量林下植被的精度不高。本研究發(fā)現(xiàn),20°影像反定量林下植被精度最高,正射影像的精度次之,10°影像精度再次之,30°影像計(jì)算出的林下植被覆蓋度精度最低。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是不同角度影像會(huì)顯示出不同的林下植被。
以正射影像為基準(zhǔn),10°影像可能由于偏轉(zhuǎn)角度過(guò)低,樹(shù)冠對(duì)林下植被的遮蔽仍然存在,導(dǎo)致精度不高;30°影像可能由于偏轉(zhuǎn)角度的過(guò)大導(dǎo)致點(diǎn)云匹配錯(cuò)位,其柵格化結(jié)果與0°影像柵格化結(jié)果存在較大差距,導(dǎo)致精度較低;而 20°影像可能是偏轉(zhuǎn)角度較適宜,樹(shù)冠遮蔽情況較少,其DSM數(shù)據(jù)與正射影像擬合的DSM數(shù)據(jù)差距也不大,所以精度最高,但也不足以精準(zhǔn)計(jì)算林下植被覆蓋度。
多角度遙感可以提取在相近時(shí)間段內(nèi)獲取目標(biāo)地物多個(gè)角度的觀測(cè)影像。利用不同觀測(cè)角度得到的影像,可以填補(bǔ)單角度信息的空白,因此,多角度影像耦合提高了林下植被的信息豐度,定量林下植被的精度也顯著增加。
以長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)為研究區(qū)域,以無(wú)人機(jī)多角度遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),依據(jù)植被形態(tài)反演出林下地形,利用高程差分離出林下植被,在傾斜攝影影像中提取正射影像未顯現(xiàn)的林下信息,利用形態(tài)學(xué)膨脹彌合樹(shù)冠遮擋的誤差,計(jì)算林下植被覆蓋度。同時(shí)結(jié)合地面采集數(shù)據(jù)驗(yàn)證精度并評(píng)判定量結(jié)果。結(jié)果表明:本論文提出的植被形態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)在小尺度上評(píng)判植被形態(tài)較準(zhǔn)確,并且針對(duì)不同植被類(lèi)型樣地提出的地形反演方法精度達(dá)到分離冠層與地面的要求;無(wú)人機(jī)單角度測(cè)量林下植被覆蓋度的精度不足以準(zhǔn)確評(píng)判樣地林下植被情況,而無(wú)人機(jī)多角度影像耦合得到的信息憑借其充足的信息豐度能夠較精準(zhǔn)地測(cè)量林下植被覆蓋度,可為林下植被定量估測(cè)提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。
本研究在樣地選取時(shí),過(guò)多集中于研究區(qū)域的北部,所能體現(xiàn)的空間異質(zhì)信息不足。在后續(xù)的研究中,將繼續(xù)補(bǔ)充河田鎮(zhèn)其他區(qū)域的數(shù)據(jù),以保證研究樣地在空間上的多樣性。同時(shí),針對(duì)無(wú)人機(jī)點(diǎn)云只能獲取表層數(shù)據(jù)的問(wèn)題,后續(xù)研究將考慮利用激光雷達(dá)采集樣地?cái)?shù)據(jù),探求森林內(nèi)部信息。