高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于灰度梯度图像分割的单木树冠提取研究

冯静静 张晓丽 刘会玲

冯静静, 张晓丽, 刘会玲. 基于灰度梯度图像分割的单木树冠提取研究[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 16-23. doi: 10.13332/j.1000--1522.20160373
引用本文: 冯静静, 张晓丽, 刘会玲. 基于灰度梯度图像分割的单木树冠提取研究[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(3): 16-23. doi: 10.13332/j.1000--1522.20160373
FENG Jing-jing, ZHANG Xiao-li, LIU Hui-ling. Single tree crown extraction based on gray gradient image segmentation[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(3): 16-23. doi: 10.13332/j.1000--1522.20160373
Citation: FENG Jing-jing, ZHANG Xiao-li, LIU Hui-ling. Single tree crown extraction based on gray gradient image segmentation[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(3): 16-23. doi: 10.13332/j.1000--1522.20160373

基于灰度梯度图像分割的单木树冠提取研究

doi: 10.13332/j.1000--1522.20160373
基金项目: 

国家重大科学仪器设备开发专项 2013YQ12034304

详细信息
    作者简介:

    冯静静。主要研究方向:生态环境遥感。Email: 328303317@qq.com  地址:100083  北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    责任作者:

    张晓丽,教授,博士生导师。主要研究方向:定量遥感。Email: zhang-xl@263.net  地址:同上

  • 中图分类号: S771.8

Single tree crown extraction based on gray gradient image segmentation

  • 摘要: 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。

     

  • 图  1  方法流程

    Figure  1.  Method flow

    图  2  原始影像及不同算子处理后影像

    Figure  2.  Original image and images treated by different operators

    图  3  图像处理流程

    Figure  3.  Image processing flow

    图  4  原始影像、数学形态学处理后不同波段影像及直方图

    Figure  4.  Image and image of bands by mathematical morphology and their histograms

    图  5  不同分割参数结果

    Figure  5.  Images by different segmentation parameters

    图  6  实验区林分树冠提取效果

    Figure  6.  Extraction effects of experiment area crown

    图  7  不同方法树冠提取结果(局部)

    Figure  7.  Crown extraction result by different methods(partly)

    表  1  样本分析

    Table  1.   Sample analysis

    类别
    Type
    选择对象编号
    Selecting object No.
    非树冠对象
    Non-crown object
    树冠对象
    Crown object
    亮度值Brightness 1 48.67 126.83
    2 32.45 111.50
    3 40.48 167.33
    4 58.03 199.25
    5 45.77 173.43
    6 32.33 179.16
    7 23.37 191.56
    8 69.20 190.24
    9 36.82 103.04
    10 64.35 206.49
    11 74.06 150.12
    下载: 导出CSV

    表  2  单木树冠提取结果与对比

    Table  2.   Comparison and extraction results of individual tree

    编号
    No.
    东西冠幅
    East-west crown/m
    南北冠幅
    South-north crown/m
    实测面积
    Measured area/m2
    灰度梯度图像分割法提取的树冠面积
    Crown area extracted by object-oriented segmentation/m2
    相对误差
    Relative error
    原始图像分割提取的树冠面积
    Crown area extracted by original image and object-oriented segmentation/m2
    相对误差
    Relative error
    1 2.60 3.90 8.29 7.76 0.06 9.15 0.10
    2 2.80 2.60 5.72 5.49 0.04 5.44 0.05
    3 2.50 3.00 5.94 5.31 0.11 6.32 0.06
    4 2.90 2.20 5.10 4.43 0.13 4.67 0.08
    5 2.60 3.30 6.83 6.61 0.03 4.52 0.34
    6 3.5 2.5 7.07 6.49 0.08 6.51 0.08
    7 1.90 2.20 3.30 2.87 0.13 3.36 0.02
    8 2.40 1.90 3.63 3.39 0.07 3.36 0.07
    9 2.20 2.60 4.52 4.04 0.11 4.04 0.11
    10 2.40 1.80 3.46 3.02 0.13 3.09 0.11
    11 2.20 2.40 4.15 3.97 0.04 4.07 0.02
    12 2.50 3.10 6.15 5.48 0.11 5.95 0.03
    下载: 导出CSV
  • [1] 曹林, 佘光辉.激光雷达技术估测森林生物量的研究现状及展望[J].南京林业大学学报(自然科学版), 2013, 41(3):163-169. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/njlydxxb201303029

    CAO L, SHE G H. Optimized extraction of forest parameters in subtropical forests based on airborne LiDAR technology[J].Journal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences), 2013, 41(3):163-169. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/njlydxxb201303029
    [2] 张浩, 王祥荣.城市绿地的三维生态特征及其生态功能[J].中国环境科学, 2001, 21(2):101-104. doi: 10.3321/j.issn:1000-6923.2001.02.002

    ZHANG H, WANG X R. Three-dimensional ecological characters of urban green space and its ecological function[J]. China Environmental Science, 2001, 21(2):101-104. doi: 10.3321/j.issn:1000-6923.2001.02.002
    [3] 田方, 李明阳, 葛飒, 等.基于GIS的紫金山国家森林公园声景观空间格局研究[J].南京林业大学学报(自然科学版), 2014, 42(6):87-92. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/njlydxxb201406017

    TIAN F, LI M Y, GE S, et al. GIS-based analysis of soundscape spatical pattern in Zijin Mountain National Forest Park[J]. Journal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences), 2014, 42(6):87-92. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/njlydxxb201406017
    [4] 张慧, 王宏琦, 孙显.结合颜色和纹理特这的树冠提取方法[J].光学技术, 2008, 34(4):613-616. doi: 10.3321/j.issn:1002-1582.2008.04.041

    ZHANG H, WANG H Q, SUN X. Tree crown extraction combining color and texture feature[J]. Optical Technique, 2008, 34(4):613-616. doi: 10.3321/j.issn:1002-1582.2008.04.041
    [5] 付尧, 王新杰, 孙玉军, 等.树冠提取技术研究进展[J].世界林业研究, 2013(4):38-42. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/sjlyyj201304007

    FU Y, WANG X J, SUN Y J, et al. A study of tree crown information extraction method[J]. World Forestry Research, 2013(4):38-42. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/sjlyyj201304007
    [6] POLLOCK R J. The automatic recognition of individual trees in aerial images of forests based on a synthetic tree crown image model[D].Vancouver: The University of British Colombia, 1996: 172.
    [7] COLGEON F A. A crown-following approach to the automatic delineation of individual tree crowns in high spatial resolution aerial images[J].Canadian Journal of Remote Sensing, 1995, 21(3):274-282. doi: 10.1080/07038992.1995.10874622
    [8] BRANDTBERG T, WALTER F.Automated delineation of individual tree crowns in high spatial resolution aerial images by multiple-scale analysis[J].Machine Vision and Applications, 1998, 11(1):64-73. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=e73025357ffc780f3b720edeaedf5d85
    [9] 刘晓双, 黄建文, 鞠洪波.高空间分辨率遥感的单木树冠自动提取方法与应用[J].浙江林学院学报, 2010, 27(1):126-133. doi: 10.3969/j.issn.2095-0756.2010.01.021

    LIU X S, HUANG J W, JU H B.Research progress in the methods and applications of individual tree crown's automatic extraction by high spatial resolution remote sensing[J].Journal of Zhejiang Forestry College, 2010, 27(1):126-133. doi: 10.3969/j.issn.2095-0756.2010.01.021
    [10] 黄建文, 鞠洪波, 赵峰, 等.利用遥感进行退耕还林成活率及长势监测方法的研究[J].遥感学报, 2007, 11(6):899-905. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ygxb200706018

    HUANG J W, JU H B, ZHAO F, et al.Research on monitoring survival rate and growth condition of farmland returned to forests using remote sensing data[J].Journal of Remote Sensing, 2007, 11(6):899-905. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ygxb200706018
    [11] 万丽, 陈普春.一种基于数学形态学的图像对比度增强算法[J].现代电子技术, 2009(13):131-133. doi: 10.3969/j.issn.1004-373X.2009.13.041

    WAN L, CHEN P C. Algorithm of image contrast enhancement based on mathematical norphology[J]. Modern Electronic Technology, 2009(13):131-133. doi: 10.3969/j.issn.1004-373X.2009.13.041
    [12] 陈书海, 傅录祥.实用数字图像处理[M].北京:科学出版社, 2005.

    CHEN S H, FU L X. Practical digital image processing[M]. Beijing: Science Press, 2005.
    [13] 李弼程, 彭天强, 彭波, 等.智能图像处理技术[M].北京:电子工业出版社, 2004.

    LI B C, PENG T Q, PENG B, et al. Intelligent image processing technology[M]. Beijing:Electronics Industry Publishing House, 2004.
    [14] GONZALES R C, WOODS R E.Digital image processing[M]. Beijing :Publishing House of Electronics Industry, 2003.
    [15] 崔屹.图像处理及分析-数学形态学方法及应用[M].北京:科学出版, 2001.

    CUI Y. Image processing and analysis method of mathematical morphology and application[M]. Beijing: Science Press, 2001.
    [16] 贺洪元.面向对象高分辨率影像多尺度分割[D].武汉: 华中科技大学, 2013.

    HE H Y. Multi-scale segmentation of object oriented high resolution image[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2013.
    [17] 孙燕霞.面向对象的高分影像最优分割尺度方法的研究与应用[J].黑龙江科技信息, 2013(24):93-94. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hljkjxx201324103

    SUN Y X.Object-oriented high image optimal cut and application scale method[J]. Heilongjiang Science and Technology Information, 2003(24):93-94. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hljkjxx201324103
    [18] 张凝, 冯跃文, 张晓丽, 等.结合航空影像纹理和光谱特征的单木冠幅提取[J].北京林业大学学报, 2015, 37(3):13-19. doi: 10.13332/j.1000-1522.20140309

    ZHANG N, FENG Y W, ZHANG X L, et al. Extracting individual tree crown by combining spectral and texture features from aerial images[J].Journal of Beijing Forestry University, 2015, 37(3):13-19. doi: 10.13332/j.1000-1522.20140309
  • 加载中
图(7) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  627
  • HTML全文浏览量:  555
  • PDF下载量:  23
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-11-16
  • 修回日期:  2016-12-21
  • 刊出日期:  2017-03-01

目录

    /

    返回文章
    返回