基于灰度梯度图像分割的单木树冠提取研究

树冠是树木的重要组成部分,基于遥感影像的树冠提取对于森林资源调查监测具有重要意义,但准确获得树冠的形状和边界比较困难。高分辨率影像具有丰富的纹理和光谱信息,基于高分辨率影像单木树冠勾勒技术为森林资源调查提供了一种快速有效的测树途径。但是,由于高分影像信息冗杂,面向对象的分割方法数据计算量大,并且需要人工设置光谱或纹理阈值才可以实现单木分割,导致工作效率下降,鲁棒性差。图像增强通过改变原始图像的结构关系,有选择地突出或者抑制图像中的某些特征,有效的图像增强有益于提高单木树冠分割的准确程度。因此,本文提出一种基于影像的灰度梯度图像分割的树冠提取方法,通过对比传统的罗伯斯、拉普拉斯算子与改进的数学形态学算子,利用目视解译与灰度直方图结合的方法确定最优选择为改进的数学形态学算子。然后,利用改进的数学形态学算子结合面向对象多尺度分割方法,简化原始影像复杂的背景信息,快速提取大范围单木树冠信息。以甘肃省张掖市大野口林区机载激光雷达系统携带的CCD影像为数据源,提取实验区单木树冠,并从空间和形状上验证效果。实验结果表明:在高分影像的灰度梯度图像上进行面向对象分割提取单木冠幅, 单木株数精度为83.19%,形状精度达到88.62%,优于传统林业调查精度,且冠幅获取速度快,效率高,并可以较为精确地提取树冠边界。      

机载与星载高分遥感影像单木树冠分割方法和适宜性对比

目的应用高分辨率遥感影像快速准确提取单木树冠信息,对现代森林管理具有重要意义。面向对象的多尺度分割方法能有效地解决基于像元特征分析的局限,是单木树冠提取的重要技术途径。本文对比分析了不同遥感平台和人工林树种的树冠提取精度,探究实验方法针对不同尺度影像数据和树种的优势及适用性,并结合调查目的为影像数据的选取提供参考。方法以广西壮族自治区高峰林场为研究区,选取低空无人机CCD、机载CCD和星载高分二号遥感影像数据,针对树冠区域与背景区域的对比度效果不佳的问题,首先采用小波变换进行图像增强处理,去除影像噪声,增强树冠与背景的对比度;然后应用面向对象的多尺度分割方法,排除背景区域的干扰,针对树冠区域进行单木树冠的快速提取;最后对3种影像下提取的杉木和桉树人工林单木树冠的流程和方法,以及树冠提取精度进行研究分析。结果采用小波变换对无人机和机载平台影像增强效果显著,无人机平台下桉树和杉木实验区单木分割精度分别为87%和93.3%,冠幅估测精度为84.2%和85.1%;机载平台下桉树和杉木实验区单木分割精度为89%和91.1%,冠幅估测精度为83.9%和84.4%;而小波变换对星载平台影像增强效果不佳,桉树和杉木实验区的单木分割精度为82%和89%,冠幅估测精度为72.3%和73.3%。结论在无人机和机载平台下,应用多尺度分割得到的树冠提取精度相接近;在星载平台下,直接应用多尺度分割进行单木树冠提取,受影像自身空间分辨率的局限,提取精度低于前两种平台,但也能够满足森林调查的基本需求。      

不同方法提取无人机影像树冠信息效果分析

以无人机航空拍摄的影像为数据源,采用目视解译和面向对象法提取胡杨、柽柳树冠信息,获得树木冠幅及林分郁闭度.结果表明,单木冠幅、林分冠幅、样地郁闭度的实测值、面向对象法估测值和目视解译法估测值无显著差异（P＞0．05）,表明面向对象与目视解译法都可有效获取单木冠幅、林分冠幅和样地郁闭度信息;面向对象法与目视解译法估测精度无显著差异（P＞0．05）,表明这两种方法获取森林单木冠幅、林分冠幅、样地郁闭度参数效果相当.但基于无人机航拍数据的面向对象树冠提取,能克服人机对话目视解译速度慢、误差大小因人而异的弊端,具有进行大面积林分调查因子定量提取的优势.     

基于DOM航空影像单木树冠提取

准确提取单木树冠边界是获取森林数量参数的重要基础,是高分辨率遥感图像林业应用的技术难题。基于DOM航空影像数据源,采用面向对象的方法对研究区内的2个树种的林分进行了单木树冠边界提取研究。首先利用桉树和杉木的空间分布矢量数据对DOM航空影像进行掩膜处理,在掩膜区域内进行多层次多尺度图像分割得到初步树冠分割结果,并剔除非树冠信息;再以树冠信息种子对象为基础,使用区域增长算法对树冠信息种子对象增长得到单木树冠范围;最后使用形态学滤波的方法优化单木树冠边界,完成林区内桉树和杉木两类树种的单木树冠边界提取。结果表明,由于不同树种的树冠存在尺度和形态差异,进行单木树冠分割时需要设置不同的参数才能到达较好的分割效果。本研究中桉树和杉木的单木树冠提取总体精度分别为86.75%与89.21%,可满足林业部门获取森林单木树冠的精度需求。     

基于分水岭算法的无人机不同飞行高度下林木冠幅提取研究

树冠是林木重要的组成部分之一,林木冠幅信息精确提取对森林资源调查和树木生长动态监测有着重要的意义。通过设置不同的无人机飞行高度,以哈尔滨市城市林业示范基地中的樟子松样地为对象,分别利用传统分水岭算法和改进分水岭算法对单木树冠和林隙进行提取,并对树冠冠幅和树冠投影面积进行估算,最后与实测数据进行对比分析。结果表明:1）基于传统分水岭算法平均单木冠幅识别率为51.11%,平均欠分割率为25.18%,平均过分割率为11.11%;树冠冠幅和树冠投影面积平均提取精度分别为69.72%和53.59%,说明传统分水岭算法对单木冠幅提取效果一般。2）改进分水岭算法平均单木冠幅识别率为80.74%,平均欠分割率为8.15%,平均过分割率为6.67%;树冠冠幅和树冠投影面积平均提取精度约分别为79.84%和76.04%,表明改进的分水岭算法对林木单木冠幅提取精度较高。3）50 m飞行高度下样地中林隙面积在0~5 m²和5~10 m²各占57.89%和31.58%;林隙形状指数分布在1.14~1.85,平均值为1.36;研究表明,利用改进分水岭算法在50 m无人机飞行高度获取的林木影像可以有效提取林木树冠和林隙面积信息,研究结果可为森林资源调查提供有效参考。     

基于纹理特征的SPOT-5影像马尾松毛虫害信息提取

以福建沙县为研究区,以SPOT-5影像为数据源,采用灰度共生矩阵方法提取健康林分与受害林分的纹理特征,构建最佳纹理量,分别采用像元统计和面向对象的方法进行虫害信息提取,结果精度分别为72.00%、74.75%。研究结果证明了利用遥感影像纹理特征进行马尾松毛虫害监测的可行性,为利用融合影像光谱信息与纹理信息进行虫害信息提取研究提供了实例支撑和技术参考,同时面向对象的方法优于传统的基于像元统计的分类方法,精度稍高,"椒盐现象"也有所改善。     

基于无人机影像的高郁闭度杉木纯林树冠参数提取

  目的  冠幅是树冠结构的重要特征因子，直接影响树木的生产力和生命力，郁闭度是反映森林冠层结构与密度以及评价森林经营管理采伐强度的重要指标之一。利用无人机可以云下飞行，易于获取图像，精度高，低成本等优势，研究无人机影像上提取树冠参数的方法，使无人机影像提取林木树冠参数的操作系统化，实现精准高效的森林资源清查和监测。  方法  以福建将乐林场杉木人工纯林为研究对象，采用四旋翼无人机影像为数据源，基于面向对象分类的方法，将杉木纯林的树冠参数从无人机影像中提取出来。面向对象分类的方法需要先利用ESP工具选取最优分割尺度，然后根据影像的分割结果将树冠对象聚为一类，进而统计每个树冠对象栅格像素个数计算出树冠冠幅面积以及林分郁闭度。  结果  面向对象分类有效地对高郁闭度林分进行了树冠的提取。在分割尺度为70时，单木树冠分割效果最好，树冠被单独分割出来，但也存在一定的过分割以及未分割的问题，以至于部分单木的丢失。分割结束后，对分割对象进行特征空间的优化，选取适当的分类特征，最终将研究区分为树冠和林隙两类。通过统计每个对象栅格点数，计算得出的林分因子包括林分郁闭度，树冠面积。以地面实测数据作为参考，冠幅面积提取精度为0.829 1，林分郁闭度测量精度为0.973 1。  结论  研究结果表明，基于无人机高分辨率影像的树冠参数提取在高郁闭度林分同样适用，能有效提高森林资源调查的效率并且能够满足森林资源调查的精度。      

基于色彩和纹理特征的建设用地遥感专题信息自动提取方法

提出了一种基于航空影像的建设用地信息自动提取方法.针对航空影像光谱信息少,色彩信息和纹理信息丰富的特点,该方法首先采用HSV色彩变换和纹理分析手段充分挖掘影像中所包含的色彩信息与纹理信息,在此基础上采用多特征阈值分割技术将色彩信息与纹理信息有机结合进行建设用地信息提取,并使用邻域分析方法对提取结果进行修正.通过对研究区域航空影像的处理,结果表明,该方法提取精度较高,且易于实现.     

纹理特征与面向对象结合的高分影像耕地提取应用

以闪电河乡马神庙村的耕地提取为例,研究了纹理特征与面向对象结合的高分影像耕地提取的应用。结果表明,结合纹理特征增强算法的提取影像的纹理特征进而进行面向对象的影像分类的方法能够显著提高高分辨率遥感影像分类的精度,尤其是对耕地这一拥有规则的纹理特征的植被类型的地表覆盖地类的影像分类的精度有很大提高。     

基于影像分割的覆膜玉米叶绿素含量反演

【目的】快速、准确监测覆膜玉米叶绿素含量,探明将影像地膜和阴影背景像元剔除能否提高光谱和纹理特征反演叶绿素含量的精度。【方法】以无人机多光谱遥感影像数据为基础,以覆膜玉米苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期叶绿素含量为对象,使用监督分类分割影像背景像元和玉米像元,分析背景像元对玉米冠层光谱的影响,计算全像元和玉米像元影像的光谱特征和纹理特征并筛选较优变量输入,利用偏最小二乘、支持向量机和BP神经网络3种机器学习算法建立玉米叶绿素含量的反演模型。【结果】(1)苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期多光谱影像中的背景像元对玉米冠层的光谱均有显著影响。(2)基于玉米像元影像提取的光谱特征、纹理特征和光谱特征+纹理特征为变量输入的反演精度均优于全像元影像(最佳模型建模R 2提高0.078,RMSE和MAE分别降低0.060和0.055 mg·g^-1,验证R 2提高0.109,RMSE和MAE分别降低0.075和0.047 mg·g^-1)。(3)基于玉米像元影像的光谱特征+纹理特征为变量输入的建模精度比仅使用光谱特征或纹理特征为变量输入的建模精度提升显著;其中光谱特征+...     

基于递归纹理特征消除的WorldView-2树种分类

利用遥感影像识别树种是一个尚未解决的科学难题,传统方法在高分辨率影像树种分类中存在着诸多不适宜问题。本文通过提取WorldView-2影像的纹理特征构造高维数据,利用递归特征消除降低数据维数,逐步解除最大似然分类的休斯现象,并将有代表性的纹理特征集合与光谱特征结合,对树种进行分类。结果显示:在递归消除8个纹理特征后,最大似然的休斯现象达到了很好的规避;在结合光谱特征后,分类的总体精度达到了86.39%,Kappa系数达到了0.8410,比基于光谱特征的总体精度和Kappa系数高12.32%和0.1436。研究表明,在高维数据中通过递归特征消除规避最大似然分类的休斯现象,充分结合影像纹理与光谱信息对树种分类可以取得更为理想的结果。      

基于树种分类的高分辨率遥感数据纹理特征分析

遥感图像尤其是高分辨率（1~4 m）遥感图像在树种分类方面有着广阔的应用前景。利用主成分分析法对遥感数据去相关分析,然后通过对纹理提取过程的分析,探讨不同移动窗口大小对纹理特征的影响,以期为中山陵园风景区的森林调查提供依据,分类方法为经典的最大似然分类器。根据不同移动窗口大小的纹理因子相关性和对保持纹理信息丰富度的影响,来选择合适的窗口大小及纹理因子组合,以对树种分类精度的提高程度为评价标准。研究结果表明,利用窗口大小为19 19下的纹理信息可有效提高分类精度,总精度达到66%,Kappa系数达到0.59,比单纯的光谱信息最大似然法图像分类精度高,其中均值与均匀性、对比度、偏斜度纹理因子组合为最佳纹理组合,能有效减少数据冗余。高分辨率遥感数据纹理信息的运用为树种分类识别时的特征选择提供了有利技术参考。图4表3参19     

基于CART决策树的自然保护区植被类型分布研究

目的针对保护区监测需求，充分发挥GF-1 WFV影像的宽幅特点和面向对象、机器学习算法在遥感影像分类中的优势，提高保护区植被类型遥感监测的精度，为保护区管理决策提供依据。方法以甘肃省白水江国家级自然保护区为研究区，主要数据源包括GF-1 WFV多光谱数据、Landsat-8 OLI遥感数据、DEM数据、野外调查数据等。首先，对GF-1 WFV数据进行多尺度分割，将研究区划分为诸多区域性的分割对象；然后，以分割对象为基本单元，研究光谱特征、几何特征、纹理特征不同组合情况下，基于CART决策树分类的结果；最后，利用训练样本建立基于TTA的精度检验，并基于混淆矩阵对分类结果进行分析。结果在多尺度分割过程中，形状因子、紧致度分别设置为0.2和0.5时地物边界显示较好；当形状因子和紧致度固定时，研究区最佳分割尺度为40。精度检验结果表明，基于CART决策树的保护区植被类型分类结果整体精度均在83%以上，Kappa系数在0.80以上，优于最邻近分类法和支持向量机分类算法，其中基于光谱特征、几何特征、纹理特征的CART决策树分类结果精度最高，总体精度为85.18%，Kappa系数为0.832 2，优于光谱特征分类、光谱特征结合几何特征分类的方法。结论基于CART决策树算法和面向对象方法的GF-1遥感影像分类方法适用于保护区植被类型分布研究，可有效辅助保护区监测工作。      

基于无人机可见光影像和面向对象的树种分类研究

针对目前林业部门人工调查树种存在效率低、成本高等问题,采用无人机遥感技术进行树种分类识别,提高树种调查效率,辅助林业管理部门进行林木种植结构分析、病虫害防治等工作。利用无人机获取矮冬青、三球悬铃木、马尾松和紫叶李的冠层红绿蓝（red-green-blue,RGB）可见光影像,进行数字表面模型（digital surface model,DSM）特征图像提取,通过色彩空间转换提高树种间颜色差异;应用最优尺度分割,以纹理特征、颜色特征及几何特征为分类特征参数,优选最佳分类特征集,以期实现无人机可见光影像的树种分类。结果表明,DSM与RGB特征融合图像提取树种的精度较高,可见光影像分类总精度为91.58%,Kappa系数为0.89;特征融合图像分类总精度为98.27%,Kappa系数为0.98。研究提出的特征融合图像结合面向对象分类方法实现了可见光影像的树种分类,为实现树种计数、统计、分类提供数据参考。     

基于U-Net和分水岭算法的无人机单木树冠提取方法

高分辨率无人机遥感影像单木树冠参数信息提取方法是森林资源精准监测和生态功能评估的重要基础,而自然光照条件下粘连和遮挡单木树冠的准确分割是直接决定单木树冠信息提取精度的关键。针对自然光照条件下山地森林无人机遥感影像中单木树冠相互粘连、遮挡难以分割,以及传统算法泛化能力弱等问题。本研究结合深度学习和标记控制分水岭算法的优点,提出了一种基于U-Net和标记控制分水岭（marker-controlled watershed,MCW）算法（简称U-Net+MCW算法）的山地森林单木树冠提取方法。以新疆山地森林优势树种天山云杉(Picea schrenkiana var.tianschanica)为研究对象,在南山实习林场采集积雪背景下无人机遥感影像作为试验数据,构建了基于深度神经网络U-Net和标记控制分水岭算法的单木树冠提取模型。首先,从无人机遥感影像中选取1 000张训练样本,128张测试样本,并对样本进行标注,通过数据增强将1 000张训练样本扩增为16 000张,按照4∶1分为训练集和验证集,对U-Net模型进行训练,在训练过程中赋予2个或多个树冠间的相邻边界像素较大权重。然后,利用训练好的U-Net模型对测试集样本进行单木树冠提取。最后,在深度神经网络U-Net单木树冠提取的基础上,采用MCW算法对提取结果进行优化,并对单木树冠提取效果进行精度评估。结果表明,U-Net+MCW算法对于单木尺度的F测度为74.04%,比单一使用U-Net模型提高了28.52%,以该方法提取遥感影像中的天山云杉树冠信息为基础,计算其单木树冠面积和冠幅的精度分别为81.05%和89.94%。因此,U-Net+MCW算法能够有效解决自然光照条件下,由于原始图像背景复杂且树冠内部亮度变化不均匀和树冠间粘连、遮挡等因素,导致的单个树冠内、树冠聚集处或连接重叠区域出现的树冠错分割、过分割、合并等问题,是一种低成本、高效率的单木树冠提取方法,能够满足中小尺度山地森林资源调查和监测要求。