一种利用Image J和Photoshop对植物盖度分析的方法

摘要

本发明公开了植被研究技术领域的一种利用Image J和Photoshop对植物盖度分析的方法，包括以下步骤：S1：植物盖度图像采集：于草原植被设立长宽各1m的样方，用数码设备从正上方拍摄；S2：盖度图像处理：通过Photoshop软件分别对拍摄的图像进行图像几何畸变矫正和去除图像背景干扰；S3：植物盖度测量：图像在经过所述图像几何畸变矫正和去除图像背景干扰后，进入Image J软件进行分析。使用Image J软件和Photoshop软件联合进行数据分析，简化软件分析处理流程，矫正盖度图像倾斜拍摄造成的图像几何畸变，使其达到即拍即测要求，并且使结果更为准确、客观，从而达到快速量化地表植物盖度变化的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及植被研究技术领域，具体为一种利用Image J和Photoshop对植物盖度分析的方法。

背景技术

植被盖度是评价植被与土壤损害关系的常用参数之一，即植物群落或植物个体地上部分在地面的垂直投影面积与样方面积之比的百分数。通过分析植物盖度，确定地表植物数量以及地表植物数量的物种丰富度，用于监控当地生态系统变化量，从而更好地判断环境变化，对于获取有关植被分析，土地利用，荒漠化和土地退化等方面的信息具有重要意义。同类型方法还有成活率、生物量等，与其他方法相比，盖度分析简单易懂，适用于野外多变的环境与大规模数据分析。

当前，植被盖度估算方法大致可分为两类：遥感估算法和地表实测法。遥感估算法主要分为经验模型法、植被指数法和亚像元分解法，在大尺度的植被盖度估算中有较高使用价值，通过遥感卫星以及航空拍摄对地面植物取样，再通过软件进行系统性的分析，如eCognition、ENVI等。但该方法主要适用于大范围植物盖度分析，并且在实际处理数据中操作复杂、数据量太大、价格昂贵、分析耗时较长，在地表实测分析中实用性较差。当前的地表实测法主要包括目视法、照相法、方格法、仪器测量法等。其中，目视法由于操作简单，经验丰富人员可快速、准确进行判断而被大量使用。但是目视法的结果易受人的主观影响，并且非专业人员判断准确度较差，精度低且耗时长。方格法准确性相对较高，但测量较为耗费时间，需要携带相应工具。仪器测量法如利用光谱仪测量、空间定量计法SQS等，需要购买专业仪器，操作复杂。因此数码法，即照相法是未来野外取样发展的趋势。

照相法是随着便携数码相机的发展从而出现的一种方法，由于其具有经济、高效、灵活、准确度高等优点，而被国内外众多学者应用于植被盖度数据存储分析，随着数码照相技术应用，大量相关软件、程序被研发出应用于相关数据分析。常用方法包括使用Photoshop、ImageJ、WinCAM等软件对采样现场拍摄图像进行处理，计算相应植物盖度。这些方法主要通过图像植物像素点占总像素点比例作为植物盖度，以及对拍摄图像不同波段进行分析，并且由于像素点分析方法有着客观、一致、精确度高和易于推广等优点，使其成为最主要的使用方法。但这一方法也存在一些缺点，比如：在软件处理中，如WinCAM、Photoshop对于相关软件学习程度较低人员而言处理相对复杂、处理效率较慢，在图像处理中，图像分辨率与植被像素识别方面容易产生误差。因此研究团队通过综合分析数码与遥感影像，建立植被盖度提取经验模型来进行植被盖度数据提取，或采取地面数据提取中利用的RGB阈值法来进行分析。但建立的经验模型输入虽然提高了植被盖度测量精度，但仍有缺点，如对与地面采样点的选取要求严格，对于几何畸变图像分析能力差，RGB阈值法数据仍存在较大误差，对于非专业人员来说要得到所需结果需要通过复杂的计算。

因此针对现存数码照相测量野外植物盖度，数据读取方式不同等缺陷，如对图像拍摄要求较高、测量操作复杂、目视法误差较大，野外环境拍摄时导致的几何畸变图像等问题，本发明通过对已有方法优化，对不同软件处理数据进行对比，以位于我国西南片区的若尔盖草原作为研究对象，首次使用ImageJ软件和Photoshop软件联合进行数据分析，简化软件分析处理流程，矫正盖度图像倾斜拍摄造成的图像几何畸变，使其达到即拍即测要求，并且使结果更为准确、客观，从而达到快速量化地表植物盖度变化的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用Image J和Photoshop对植物盖度分析的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用Image J和Photoshop对植物盖度分析的方法，包括以下步骤：

S1：植物盖度图像采集：于草原植被设立长宽各1m的样方，用数码设备从正上方拍摄；

S2：盖度图像处理：通过Photoshop软件分别对拍摄的图像进行图像几何畸变矫正和去除图像背景干扰；

S3：植物盖度测量：图像在经过所述图像几何畸变矫正和去除图像背景干扰后，进入Image J软件进行分析。

优选的，所述数码设备包括但不仅限于具有拍摄功能的手机、数码相机。

优选的，所述S2中图像几何畸变矫正具体实现步骤如下：

S2.1：进入Photoshop软件，选择文件、打开后选择变换工具，通过调节垂直透视和水平透视以及几何畸变，将样方矫正成矩形，消除边缘扭曲；

S2.2：裁剪去掉多余部分进行下一步处理。

优选的，所述S2中去除图像背景干扰具体实现步骤如下：

S2.3：进入Photoshop界面中通过图像栏，打开调整；

S2.4：选择替换颜色，根据需求颜色将对其有干扰的像素点替换为白色像素点。

优选的，所述S2.4中，需求颜色为绿色，所述干扰的像素点为棕色像素点、黑色像素点、灰色像素点。

优选的，所述S3中Image J软件进行分析具体实现步骤如下：

S3.1：打开File，点击Open，选中目标图像打开；

S3.2：于Image中打开Type，选择8-bit选项，将图像处理成黑白模式；

S3.3：点开Image打开Adjust，打开Brightness&Contrast，通过调对比度突出代表植物的像素块；

S3.4：通过Image打开Adjust，打开Threshold，通过调整参数，突出植物像素块、去除多余像素点；

S3.5：打开Analysis，通过Analysis Particle分析植物像素点所占样方百分比获得植物盖度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该种利用Image J和Photoshop对植物盖度分析的方法通过具有拍摄功能的手机、数码相机获得植物盖度图像数据，将获取数据输入电脑进行数据处理。数据获取简单、快捷，省略传统的针刺法获取植物盖度等复杂操作。后续通过相片矫正，以及Photoshop针对性去除植物盖度背景干扰，Image J测量盖度数据，得到更为准确、稳定，具有可靠性的植物盖度数据。并且避免传统目测法要求对盖度测量有一定经验，以及误差较大等缺点。文中对野外盖度图像分析时，目视法、单独Photoshop分析获取盖度数据与Photoshop、Image J联合处理相比偏大，并且差异显著。这可能是背景干扰导致。联合分析消除了盖度图像背景干扰，从而获得了更为准确的植物盖度数据。在几何畸变的图像分析时，目视法数据波动较大，Photoshop分析数据精度较差，联合分析数据结果与垂直拍摄无显著差异数据更为可靠，说明一定斜度拍摄图像导致的畸变矫正后能得到理想盖度。由于取样、读取数据方便，可以在野外直接获取数据，方法操作流程简单方便，能够基础使用Photoshop和Image J工具即可操作。对于野外工作、实验室快速读取结果是一种简单快捷的操作方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明盖度图像处理和植物盖度测量流程图；

图3为本发明不同分析方式初步处理图；

图4为本发明不同盖度分析方式处理结果图；

图5为本发明不同角度拍摄的精度确定模拟图；

图6为本发明垂直拍摄确定的模拟图像的盖度示意图；

图7为本发明倾斜拍摄确定的模拟图像的盖度示意图；

图8为本发明不同方法测试盖度比较图；

图9为本发明垂直或倾斜测试盖度比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明测定的是草地植被绿色叶片的盖度，根据盖度定义和公式，盖度＝绿色像素点数量/样方像素点数量，只要获得影像中样地图像绿色像素点的数量和样方中总像素点数量就可以根据公式计算盖度。因此，本研究通过对获取盖度图像矫正、像素点处理、背景干扰噪点消除，最终计算提取绿色像素点，获取植物盖度。

如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种利用Image J和Photoshop对植物盖度分析的方法，包括以下步骤：

S1：植物盖度图像采集：于草原植被设立长宽各1m的样方，用数码设备从正上方拍摄；数码设备包括但不仅限于具有拍摄功能的手机、数码相机；

S2：盖度图像处理：通过Photoshop软件分别对拍摄的图像进行图像几何畸变矫正和去除图像背景干扰；

S3：植物盖度测量：图像在经过所述图像几何畸变矫正和去除图像背景干扰后，进入Image J软件进行分析。

其中，野外拍摄图像时，由于设备、镜片差异容易造成图像几何畸变，导致软件在分析植被盖度过程中出现问题。本发明的图像几何畸变矫正方法采用Photoshop自带的Camera插件处理图像，矫正图像几何畸变，使软件分析得以顺利进行。

具体的，S2中图像几何畸变矫正具体实现步骤如下：

S2.1：进入Photoshop软件，选择文件、打开后选择变换工具，通过调节垂直透视和水平透视以及几何畸变，将样方矫正成矩形，消除边缘扭曲，如图2A；

S2.2：裁剪去掉多余部分进行下一步处理，如图2B。

其中，本发明去除图像背景干扰方法的原理是通过图像中不同像素对比，提取图像中特定颜色色域像素，从而计算该颜色像素所占比重来计算植物盖度。但由于野外土壤条件复杂，黑色、棕色包含三原色，对绿色像素提取造成一定影响，导致野外拍摄取样背景受到严重干扰，数据偏差。因此需要通过处理来减少背景干扰。

具体的，所述S2中去除图像背景干扰具体实现步骤如下：

S2.3：进入Photoshop界面中通过图像栏，打开调整；

S2.4：选择替换颜色，根据需求颜色将对其有干扰的像素点替换为白色像素点。

其中，S3中Image J软件进行分析具体实现步骤如下：

S3.1：打开File，点击Open，选中目标图像打开；

S3.2：于Image中打开Type，选择8-bit选项，将图像处理成黑白模式；

S3.3：点开Image打开Adjust，打开Brightness&Contrast，通过调对比度突出代表植物的像素块；

S3.4：通过Image打开Adjust，打开Threshold，通过调整参数，突出植物像素块、去除多余像素点；

S3.5：打开Analysis，通过Analysis Particle分析植物像素点所占样方百分比获得植物盖度，操作步骤见图2E-I。

基于实施例1的方案，本发明与基于不同技术处理数字相机图像方法进行比较，

对传统目视法、单独Photoshop处理以及使用Photoshop和Image J联合分析这三种方法测量所得的若尔盖土地植物盖度数据进行分析，比较处理效果。其中，目视法主要通过6名有一定经验人员目视估算，取每人估算结果平均值。Photoshop单独分析采用方式为单独选择图中绿色像素点、然后利用Photoshop直方图读取像素点，Photoshop结合Image J联合分析采用Photoshop初步处理图像背景、通过Image J读取植物像素点，计算在总体面积中占比。

如图3所示，不同分析方式初步处理图，不同方法处理三张不同植物盖度的图像的方差分析结果表明，如图4所示，图中，PS&IJ表示Photoshop、Image J联合分析拍摄图像；PS表示Photoshop单独分析垂直拍摄图像；VE代表目视法分析；P1、P2、P3分别代表不同盖度图像。目视法、Photoshop单独分析，数据不稳定，标准偏差、方差大于Photoshop、Image J联合分析。并且目视法、Photoshop单独分析值图数值均与Photoshop和Image J联合分析差异显著。

基于实施例1的方案，对Image J处理精确度验证如下：

针对同一图像，三种方法分析结果差异较大的问题，我们设计了一种精度测试方案，对三种方法进一步验证，通过在一张A4纸上随机构建绿色图形代表盖度。通过拍摄图像后，测量A4纸内绿色图形准确面积，即为盖度，随机构建绿色面积为：21.26％，32.54％，41.42％，50.36％，61.7％，71.49％，见图5。

精度验证中每个图像盖度分析三次，由三个人进行，分别对垂直拍摄图像以及倾斜拍摄图像进行Photoshop和ImageJ联合处理、以及Photoshop处理，目视法由有一定经验人员分别对测试图像进行估算，最后对结果进行汇总。图6、图7中，图中V代表正上方垂直拍摄，T代表倾斜拍摄。结果表明，Photoshop结合Image J联合处理得到植物盖度分别为22.03％，34.33％，42.20％，52.56％，61.82％，66.63％，标准偏差较小，和参考值差距不大。与单纯采用Photoshop分析对比，Photoshop和Image J联合分析数据重复性、稳定性较好。并且联合分析的倾斜拍摄数据与标准值无显著差异。

通过对不同处理的结果进行比较(图8，图中，SV表示标准值；PS&IJ V表示Photoshop、Image J联合分析垂直拍摄图像；PS&&IJ T表示Photoshop、Image J联合分析倾斜拍摄图像；PS V表示Photoshop单独分析垂直拍摄图像；PS T表示Photoshop单独分析倾斜拍摄图像；VE代表目视法分析)，数据表示，垂直拍摄和斜向拍摄盖度数据与参考值没有显著差异、各种处理间没有显著差异，表明三种处理方式均可用于盖度分析。但目视法在其中标准偏差较大，说明组内数据波动较大。并且三种方式在盖度较高情况下(盖度>70％)，分析均存在一定低估、可能是采集图像有一定几何畸变造成，对数据分析造成影响。

对PS单独处理以及Photoshop、Image J联合处理垂直、斜向拍摄图像结果比较(图9，图中，SD表示标准值；PS&IJ表示Photoshop、Image J联合分析拍摄图像；PS表示Photoshop单独分析垂直拍摄图像)，结果表明正上方拍摄图像处理两者没有显著差异，但倾斜拍摄有显著差异，其结果可能由于单独使用Photoshop处理，对背景干扰处理能力较弱造成。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。