導(dǎo)讀
背景：植被覆蓋度（FVC）是衡量作物生長狀況的重要參數(shù)，對(duì)作物生長監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。傳統(tǒng)的 FVC 提取方法主要包括目測(cè)法、儀器測(cè)量法和攝影法，其中攝影法因其操作簡單、成本較低、精度較高而被廣泛應(yīng)用。然而，不同土壤濕度、光照條件及數(shù)據(jù)采集時(shí)間可能影響 FVC 的提取精度，限制了其在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的適用性。因此，開發(fā)一種高精度、魯棒性強(qiáng)、不受外界條件影響的 FVC 提取方法具有重要的研究價(jià)值。
近年來，高光譜成像技術(shù)（HSI）因其能夠同時(shí)獲取作物的光譜和空間信息，在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。相比傳統(tǒng)數(shù)字相機(jī)僅依賴 RGB 三通道信息，高光譜相機(jī)能夠獲取植被與非植被像素的光譜反射率，并結(jié)合植被指數(shù)（如 NDVI）有效區(qū)分植被與背景，提高 FVC 提取的準(zhǔn)確性。然而，目前常用的像素二分法受采集條件影響較大，難以滿足不同土壤和時(shí)間條件下的高精度提取需求。因此，本研究提出了一種基于密度峰值 k-均值算法的FVC提取方法，以提高FVC提取的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。
作者信息：劉升平，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，碩士生導(dǎo)師
期刊來源：ScienceDirect
研究內(nèi)容
研究在江蘇揚(yáng)州的盆栽試驗(yàn)田與農(nóng)田實(shí)驗(yàn)區(qū)開展數(shù)據(jù)采集，利用GaiaSky mini2 VN 高光譜相機(jī)和DJI M600無人機(jī)在不同土壤濕度和生長期條件下獲取高光譜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理中，研究采用黑白板校正、大氣校正和 NDVI 計(jì)算來增強(qiáng)植被與背景的區(qū)分度。在 FVC 提取方面，對(duì)比了像素二分法、DPK-means 算法和支持向量機(jī)（SVM）分類，最終，研究通過誤差分析（EF、RMSE）、擬合度（R2）和誤差分布圖評(píng)估不同方法的表現(xiàn)，驗(yàn)證 DPK-means 算法在 FVC 提取中的優(yōu)*性。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
地面數(shù)據(jù)：使用了一臺(tái)GaiaSky mini2 VN高光譜相機(jī)（四川雙利合譜科技有限公司），采集了33張干土的高光譜圖像和14張濕土的高光譜圖像（見圖1-A）。在數(shù)據(jù)采集過程中，相機(jī)高度（鏡頭與小麥冠層之間的距離）為1米，鏡頭垂直向下，拍攝模式為推掃成像。
無人機(jī)數(shù)據(jù)：一架大疆M600無人機(jī)（深圳大疆科技有限公司）搭載高光譜相機(jī)，在50米高度飛行，相機(jī)透鏡垂直向下，拍攝模式為懸停拍攝和推掃成像，每次飛行采集到五十六幅圖像。
圖1.數(shù)據(jù)采集設(shè)備。A. GaiaSky mini2 VN相機(jī) B. 地面數(shù)據(jù)采集設(shè)備C. 無人機(jī)（UAV）數(shù)據(jù)采集設(shè)備
研究方法
為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，首先對(duì)采集的高光譜圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理（圖2），包括黑白板校正、鏡頭畸變校正和大氣校正，以消除光照變化、設(shè)備噪聲和環(huán)境因素的干擾。同時(shí)，利用歸一化植被指數(shù)（NDVI） 計(jì)算紅光（680 nm）和近紅外光（800 nm）反射率，提高植被像素與非植被像素的區(qū)分度。
圖2.高光譜圖像預(yù)處理流程。
然后，分別采用像元二分法和DPK-means算法提取小麥的FVC，并基于支持向量機(jī)（SVM）監(jiān)督分類結(jié)果對(duì)比分析了兩種方法的提取效果，具體的提取過程如圖3所示。最終，通過誤差分析（EF、RMSE）、擬合度（R2）和誤差分布圖 對(duì)比不同方法的表現(xiàn)，以驗(yàn)證 DPK-means 在植被覆蓋度提取中的適用性和優(yōu)勢(shì)。
圖3.小麥植被覆蓋度（FVC）提取流程
結(jié)果（最終結(jié)果模型對(duì)比，反演圖）
采用像素二分法和DPK-means提取FVC。將像素二分法的固定閾值設(shè)置為T0、T1和T2，DPK-means算法使用高斯核函數(shù)。圖4展示了在兩種土壤條件下，不同方法提取小麥植被覆蓋度（FVC）的效果。
圖4 .兩種土壤條件下FVC提取效果：(1) 干土條件；(2) 濕土條件。A1和A2：可見光圖像；B1和B2：NDVI灰度圖像；C1和C2：通過干土閾值（T0）提取的灰度圖像；D1和D2：通過DPK-means算法提取的灰度圖像；E1和E2：通過濕土閾值（T1）提取的灰度圖像；F1和F2：通過整體閾值（T2）提取的灰度圖像；G1和G2：通過SVM算法提取的灰度圖像。
對(duì)四種方法提取的FVC結(jié)果進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖5所示。其中，SVM提取的FVC值代表通過支持向量機(jī)算法提取的FVC值，而預(yù)測(cè)值則表示不同方法提取的FVC值。從圖5-A至D可以看出，DPK-means算法的擬合精度最高，其R2達(dá)到了0.87。
圖5. 基于SVM的小麥FVC提取結(jié)果擬合效果。A. DPK-means；B. T0；C. T1；D. T2
在無人機(jī)采集的四期高光譜數(shù)據(jù)中，選取了10幅圖像并分析了DPK-means算法在從無人機(jī)高光譜圖像中提取小麥FVC的效果。提取效果如圖6所示。
利用 DPK-means 算法從無人機(jī)（UAV）高光譜圖像中提取的FVC誤差值，按照上述精度評(píng)估方法進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，小麥 FVC 的平均絕對(duì)誤差為 0.044，RMSE為 0.030，且誤差分布相對(duì)集中，與地面高光譜圖像的提取誤差相近。此外，對(duì)比 SVM 監(jiān)督分類提取的 FVC 和 DPK-means 算法提取的 FVC 進(jìn)行線性擬合（如圖7所示），擬合度 R2達(dá)到 0.93。
圖6.無人機(jī)（UAV）高光譜圖像在不同日期的提取結(jié)果：(1)、(2)、(3) 和 (4) 分別為無人機(jī)在D1（2019年3月8日）、D2（2019年3月16日）、D3（2019年3月25日）和D4（2019年4月11日）采集的樣本圖像。A. 可見光圖像；B. NDVI灰度圖像；C. 通過DPK-means算法提取的灰度圖像；D. 通過SVM算法提取的灰度圖像。
圖7.基于SVM的UAV高光譜小麥圖像的FVC擬合結(jié)果
結(jié)論
為了解決傳統(tǒng)像素二分法在不同土壤條件和時(shí)間條件下提取精度不足的問題，本研究提出了一種基于DPK-means算法從小麥NDVI灰度圖像中提取FVC的新方法。通過對(duì)不同日期采集的不同土壤條件下的高光譜圖像進(jìn)行分析，本研究計(jì)算了NDVI圖像，分析了NDVI灰度圖像中植被像素的可分離性，并對(duì)比了像素二分法與DPK-means算法的提取效果。結(jié)果表明，與像素二分法相比，DPK-means算法在從NDVI灰度圖像中提取FVC時(shí)表現(xiàn)更為出色，且受土壤條件和圖像拍攝時(shí)間的影響較小。該方法具有較高的精度和魯棒性，能夠在不同條件下獲得可靠的提取結(jié)果。
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