張蓓蓓

(大同市林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，山西 大同 037044)

小尺度樣方植被覆蓋度信息提取方法的探索

張蓓蓓

(大同市林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，山西 大同 037044)

筆者在傳統(tǒng)照像法的基礎(chǔ)上，探索性地用數(shù)碼相機(jī)在小尺度樣方內(nèi)拍攝不同分辨率的數(shù)碼像片，用圖像處理軟件Photoshop提取植被覆蓋度信息，在遙感軟件ENVI下用非監(jiān)督分類的方法對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行再分類。同時(shí)，在原像片的基礎(chǔ)上構(gòu)建驗(yàn)證樣本，并對(duì)植被覆蓋度提取精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，Photoshop提取不同分辨率的植被覆蓋度信息精度較高，總體精度80%以上，Kappa系數(shù)在0.6以上，利用Photoshop軟件對(duì)植被覆蓋度信息提取是一種可行的方法。

數(shù)碼像片;植被覆蓋度;分辨率;精度評(píng)價(jià)

植被覆蓋度作為一個(gè)重要生態(tài)指標(biāo)，在生物多樣性、土地退化與恢復(fù)以及土壤侵蝕模型等研究中被廣泛應(yīng)用。在大尺度上用遙感影像提取植被覆蓋度的方法已很普遍，但遙感影像的獲取往往受到限制，而且所得到的信息是一個(gè)整體值，并未考慮區(qū)域差異性。在實(shí)際研究中最常用的是小尺度樣方內(nèi)的植被覆蓋度，可是在大多情況下植被覆蓋度是目估的。該方法簡(jiǎn)單，但摻雜主觀因素太多，觀測(cè)精度難以保證，且隨著季節(jié)和植物生理周期的變化而變化。目估法測(cè)量植被覆蓋度的人為差異甚至可能大于植被覆蓋度本身的變化，這給植被覆蓋度變化的動(dòng)態(tài)分析帶來很大困難。隨著數(shù)碼相機(jī)性能的提高和價(jià)格的下降，數(shù)碼像片已經(jīng)成為野外調(diào)查的常用資料，可以長(zhǎng)久不失真地保存圖片信息，在郁閉度測(cè)量、樹輪分析中已被廣泛應(yīng)用。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，在小尺度樣方內(nèi)對(duì)植被覆蓋度提取精度及可行性做了進(jìn)一步的研究，以期為今后的研究提供新的思路與方法。

1 研究方法

1.1 材料與方法

1 m2樣方垂直投影區(qū)域5種分辨率的數(shù)碼像片，圖像處理軟件選用Photoshop CS4，植被覆蓋度提取精度用遙感軟件ENVI 4.7，數(shù)據(jù)處理用Excel．

1.2 拍攝角度的選擇

在使用數(shù)碼相機(jī)拍攝過程中，相機(jī)鏡頭光軸與葉片所在平面夾角不同，會(huì)引起像片產(chǎn)生透視變形。筆者使用Photoshop的“自由變換”工具對(duì)圖像進(jìn)行拉伸，先畫出1個(gè)正方形作為參考，把變形工具的4個(gè)角點(diǎn)作為參考點(diǎn)，以免拖動(dòng)時(shí)產(chǎn)生偏差。這樣可以認(rèn)為是在等比例放大和縮小圖像，最大限度地消除了透視變形對(duì)圖像分析過程的影響。

1.3 植被區(qū)域的選取

在Photoshop CS4圖像處理軟件中打開植被圖像(筆者在研究中設(shè)置容差范圍“5～18”)，選區(qū)設(shè)置為“添加到選區(qū)”，再用“魔棒”工具選取圖片中葉片部分，選擇菜單下“選取相似”，這時(shí)整個(gè)圖像區(qū)域內(nèi)所有與選區(qū)圖像信息一致的植被信息就被全部選取。如果對(duì)結(jié)果有疑問，可重新選擇或反復(fù)按上面方法添加選區(qū)，直到結(jié)果符合實(shí)際為止。選擇結(jié)束后打開“圖像”菜單選取“直方圖”工具，記錄顯示參數(shù)中的“像素”數(shù)值，作為計(jì)算系數(shù)。按照植被覆蓋度定義，植被覆蓋度等于選取植被區(qū)域像素個(gè)數(shù)/整幅圖像素個(gè)數(shù)×100%．

1.4 圖像的保存

以上操作結(jié)束后，新建一個(gè)圖層，在其上把選區(qū)填充為黑色。然后用選擇菜單下“反選”選擇植被信息以外的所有區(qū)域，填充為白色。保存為*．tiff圖像即可。此時(shí)的文件是一個(gè)植被區(qū)域?yàn)楹谏?、剩余區(qū)域?yàn)榘咨膱D像。

1.5 分類流程與精度評(píng)價(jià)

在ENVI里打開*．tiff文件，用非監(jiān)督分類里的IsoData方法把黑白圖像分為兩類，在原來數(shù)碼像片圖像的基礎(chǔ)上構(gòu)建驗(yàn)證樣本。本文共設(shè)置了400個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)，驗(yàn)證結(jié)果輸出為*．txt文件，再用Excel軟件打開軟件對(duì)各時(shí)相分類精度進(jìn)行相關(guān)分析和誤差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同分辨率對(duì)植被覆蓋度提取結(jié)果的影響

通過Photoshop CS4軟件提取的植被覆蓋圖，見圖1，圖1-a為研究區(qū)數(shù)碼像片，圖1-b為利用Photoshop植被信息提取的結(jié)果圖。

圖1 植被覆蓋圖

對(duì)同一研究區(qū)5種分辨率下植被覆蓋度進(jìn)行測(cè)定，每幅圖像3次重復(fù)。不同拍攝分辨率對(duì)葉面積測(cè)定的影響見表1.

表1 不同拍攝分辨率對(duì)葉面積測(cè)定的影響

方差分析表明，不同分辨率下測(cè)定結(jié)果之間差異不顯著，說明市面上分辨率一般的普通相機(jī)就能滿足測(cè)定要求。

2.2 精度評(píng)價(jià)

采用制圖精度、用戶精度、總體精度和Kappa系數(shù)對(duì)植被覆蓋分類結(jié)果分別進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，總體精度的計(jì)算公式為:

式中:Pij——誤差矩陣中第i行第j列的像元數(shù)量;

N——用于精度驗(yàn)證的總像元數(shù)。

Kappa系數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:Pij——第i行第j列像元數(shù)量;

Pi——第i行像元數(shù)量;

Pj——為第j列像元數(shù)量。

為使結(jié)果具有可比性，采用同一訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并用同一驗(yàn)證樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，見表2.

表2 不同分辨率基于ENVI的植被覆蓋度精度驗(yàn)證

用ENVI軟件對(duì)Photoshop植被信息提取結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，不同分辨率提取結(jié)果的總體精度均較高，都達(dá)到80%以上。Kappa系數(shù)也較高，達(dá)到0.6以上。分析原因可能是因?yàn)楣P者只將研究類數(shù)分為2類，這就簡(jiǎn)化了計(jì)算過程。研究結(jié)果表明，用Photoshop提取植被覆蓋度信息的方法是可行的，其中分辨率為3 000 pixel/m2×3 000 pixel/m2的植被覆蓋度提取精度和影像總體分類精度均較高，說明分辨率越高提取精度也越高。

3 結(jié)論

該方法是在小尺度樣方中提取植被覆蓋度可行的辦法，但對(duì)于植被高度較高、不能做到垂直投影攝像的地區(qū)會(huì)受到一定影響，特別是葉片重疊區(qū)，用軟件是無法處理的。所以，該方法具有一定局限性。

該方法在研究較多樣地時(shí)，要注意對(duì)樣地照片進(jìn)行編號(hào)，最好在攝像時(shí)就在研究區(qū)域上放入編號(hào)，以免因刪除和修改照片而造成混淆。Photoshop操作的設(shè)置方法會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，容差可設(shè)范圍為1～255，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和情況設(shè)定。如，在做選取操作時(shí)，容差可設(shè)為3～18．Photoshop需要手動(dòng)記錄像素值，選區(qū)如果不保存，就需要重新選取來查看植被像素值。另外，Photoshop只能分成2類，可以滿足提取植被覆蓋度的要求。如果2類以上則Photoshop軟件操作起來就會(huì)非常繁瑣，很難做到。

筆者只是進(jìn)行了一個(gè)探索性的實(shí)驗(yàn)，對(duì)精度評(píng)價(jià)的其它方法還有待嘗試和完善，今后還需與生長(zhǎng)季內(nèi)植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化信息進(jìn)行對(duì)比研究。以日或周變化為單位，結(jié)合葉片長(zhǎng)度和寬度的變化信息，模擬植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化。另外，本方法對(duì)不同拍攝角度的應(yīng)用價(jià)值有待于進(jìn)一步研究。

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Information Extraction Method of Vegetation Coverage in Small Scale

Zhang Beibei
(Datong Institute of Planning and Design Forestry Investigation，037044 Datong，China)

Based on the traditional photographic method，different resolution digital photos were got with digital camera in small scale to extract the vegetation coverage information with image processing software Photoshop and then the coverage information was classified farther by non-supervised classification with remote sensing software ENVI and the extraction accuracy of vegetation coverage was evaluated．The results showed that the extraction information accuracy of vegetation coverage was higher with Photoshop that the overall accuracy was more than 80%and Kappa coefficient was above 0.6，so Photoshop software was a suitable method for the vegetation coverage information extraction in small scale．

Digital photos;vegetation coverage;resolution;accuracy evaluation

Q948

A

1007-726X(2012)03-0018-03

2012-04-19

張蓓蓓(1975— )，女，山西渾源人，1996年畢業(yè)于山西大學(xué)，工程師。