關(guān)鍵詞：Matlab圖像識(shí)別；UAV圖像；HSL色彩空間；色彩動(dòng)態(tài)

觀賞海棠Malusspp.為薔薇科Rosaceae蘋果屬M(fèi)alus落葉小喬木，是園林景觀應(yīng)用中常見的觀賞樹種[1-2]，花是其重要的觀賞器官之一。目前，針對(duì)海棠花的研究相對(duì)成熟，多集中于海棠花色動(dòng)態(tài)變化[3-5]、花期物候研究[6-7]，以及花期調(diào)控等方面。海棠花色作為重要的觀賞性狀之一，探究海棠品種群的花色動(dòng)態(tài)變化，不僅能了解不同品種海棠在不同開花階段的花色變化規(guī)律，從而篩選或培育具有特定花色特征的優(yōu)良品種，同時(shí)通過構(gòu)建花色變化模型可預(yù)測(cè)海棠生長過程中的花色，在提高育種效率的同時(shí)為花卉產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持。然而，當(dāng)前對(duì)于植物色彩的研究多采用色差計(jì)[8]或色差儀[9]對(duì)其顏色進(jìn)行測(cè)定。該方法需要人工采集花朵，非常耗費(fèi)人力和時(shí)間，不利于花朵的保存，并且不同種質(zhì)的花色穩(wěn)定性不同[10]，影響花色測(cè)定的準(zhǔn)確性，并且這種傳統(tǒng)方式只能測(cè)定、監(jiān)測(cè)花期階段中某一時(shí)間點(diǎn)的花色，無法對(duì)開花過程中花色動(dòng)態(tài)變化規(guī)律作出解釋。因此尋找省時(shí)省力且高效的手段來探究大樣本品種群之間的色彩變化關(guān)系，對(duì)于花色圖像數(shù)據(jù)庫建立及其他觀賞植物的色彩研究具有十分重要的意義。

無人機(jī)（UAV）和圖像識(shí)別技術(shù)相結(jié)合能在大空間格局下連續(xù)獲取信息，提高對(duì)地面植物監(jiān)測(cè)的效率，其高分辨率、低成本、高機(jī)動(dòng)靈活性等優(yōu)勢(shì)使其在植物物種分割[11-12]、多傳感器植物分析[13-14]、自動(dòng)植物計(jì)數(shù)[15-16]等植物表型研究中得到廣泛應(yīng)用并獲得了有效成果。但是在眾多研究中，卻鮮有關(guān)于應(yīng)用于觀賞花卉植物色彩變化規(guī)律研究的報(bào)道。本研究以70個(gè)海棠品種為研究對(duì)象，基于Matlab圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)UAV圖像中開花區(qū)域進(jìn)行識(shí)別與分割，并提取HSL色彩參數(shù)值，通過計(jì)算和分析色彩參數(shù)來揭示海棠花色動(dòng)態(tài)規(guī)律，實(shí)時(shí)掌握海棠花色變化情況，實(shí)現(xiàn)開花過程的智慧化監(jiān)測(cè)，同時(shí)也為花卉文旅新業(yè)態(tài)建設(shè)提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)仙女鎮(zhèn)（119°55′E，32°42′N）南京林業(yè)大學(xué)海棠種質(zhì)資源圃，屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明。年均氣溫約14.9℃，年均降水量約1000mm，無霜期約320d。試驗(yàn)地地勢(shì)平坦，立地條件一致，土壤為砂壤土，土層深厚肥沃，灌排條件良好?；ㄆ谝话阍?月下旬至4月下旬，觀賞期大約為3周。本試驗(yàn)共選取70個(gè)海棠品種為試驗(yàn)對(duì)象，每個(gè)品種選取3株，皆為資源圃中5～8年生健康苗木，且能穩(wěn)定開花結(jié)實(shí)3年以上的植株。品種名稱見表1。

1.2研究方法

1.2.1無人機(jī)圖像采集

采用大疆公司研發(fā)的Mavic2Pro四旋翼無人機(jī)，搭載的相機(jī)采用了1英寸CMOS影像傳感器，有效像素為2000萬。2023年3月20日—2023年4月30日（初花期—末花期）每天上午7：00—9：00利用無人機(jī)獲取海棠圖像。拍攝時(shí)，相機(jī)鏡頭垂直向下，焦距28mm。飛行模式采用手動(dòng)飛行，無人機(jī)飛行高度在距冠層5m左右，飛行時(shí)攝像機(jī)云臺(tái)角度為90°。獲取圖像格式為JPEG，分辨率為5472像素×3648像素，共獲得2459張圖像樣本。

1.2.2圖像預(yù)處理

采用AdobePhotoshop軟件進(jìn)行圖像裁剪并進(jìn)行陰影高光校正，去除因光線條件變化對(duì)圖像識(shí)別分割精度的影響，增強(qiáng)畫面細(xì)節(jié)，改善圖像質(zhì)量，便于對(duì)目標(biāo)區(qū)域的識(shí)別和提?。▓D1）。

1.2.3開花區(qū)域識(shí)別和色彩參數(shù)提取

HSL是一種將RGB色彩模型中的點(diǎn)在圓柱坐標(biāo)系中的表示法，它更接近人肉眼能感知的色彩，是運(yùn)用最廣的顏色系統(tǒng)之一，其中H代表色相（0°～360°），S代表飽和度（0～1.00），L代表亮度（0～1.00）。使用Matlab提取H、S、L3個(gè)通道分量的參數(shù)值，通過訓(xùn)練、優(yōu)化通道分量實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的識(shí)別分割。利用Matlab2022軟件對(duì)無人機(jī)圖像的開花區(qū)域進(jìn)行識(shí)別和分割，并通過Photoshop軟件輔助驗(yàn)證其識(shí)別精度，最終獲得無人機(jī)圖像中海棠開花區(qū)域，作為海棠花色參數(shù)提取的基礎(chǔ)。

采用Photoshop軟件顏色吸管工具提取圖像開花區(qū)域的像素點(diǎn)，70個(gè)觀賞海棠品種花色提取均從初花期開始到末花期結(jié)束為止，每3d提取1次顏色參數(shù)，獲得HSL色彩參數(shù)，即為該圖像樣本的色彩參數(shù)。根據(jù)每個(gè)品種花期持續(xù)時(shí)間，最終可得到8次提取結(jié)果，將8次的提取結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析繪制三維圖和頻數(shù)分布圖。

計(jì)算同一品種不同花期階段的色差值ΔE：

式中，ΔH、ΔS、ΔL分別表示3個(gè)花期（初花期、盛花期、末花期）的色相之差、飽和度之差、亮度之差。

1.3數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用Origin2022軟件作圖及聚類分析；無人機(jī)圖像采用Matlab2022軟件和AdobePhotoshop軟件進(jìn)行處理。

2結(jié)果與分析

2.1Matlab軟件識(shí)別結(jié)果

海棠花色主要集中在紅色、粉色和白色，因此對(duì)目標(biāo)區(qū)域的識(shí)別主要是提取這3種顏色特征的范圍值，最終得到70個(gè)海棠品種3個(gè)通道分量范圍，具體參數(shù)值如表2所示。

在Photoshop中利用直方圖獲得Matlab分割的海棠無人機(jī)圖像開花區(qū)域的像元數(shù)量，與Photoshop中“色彩范圍”工具提取的海棠開花區(qū)域作對(duì)比，結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，不同海棠品種之間無人機(jī)圖像的識(shí)別率不同，識(shí)別率最低的是20號(hào)‘亞當(dāng)斯’，識(shí)別率最高的是68號(hào)‘磊沁’。70個(gè)海棠品種整體的識(shí)別率達(dá)到了91.6%，3個(gè)色系品種識(shí)別率由大到小分別是白色系（95.0%）、粉色系（92.3%）、紅色系（85.9%）。

2.2無人機(jī)圖像提取觀賞海棠花色的HSL色彩空間分布

從圖2、3可以看出觀賞海棠花朵在HSL色彩空間中隨時(shí)間變化而表現(xiàn)出有規(guī)律性的變化動(dòng)態(tài)分布格局。

在H維度方向上，位點(diǎn)分布呈現(xiàn)“集中-分散-集中”的趨勢(shì)，整體由紅色區(qū)域向黃色區(qū)域轉(zhuǎn)變。前3次的提取結(jié)果表明70個(gè)海棠品種在起始階段大多分布在高H值的紅色區(qū)域（第1次94.3%，第2次95.7%，第3次87.1%），并且位點(diǎn)呈現(xiàn)左移趨勢(shì)；品種色相值從330°～360°（第1次80.0%，第2次47.1%，第3次15.7%）逐漸移向300°～330°（第1次14.3%，第2次48.6%，第3次71.5%）。在第4次、第5次提取中，觀賞海棠品種的花期進(jìn)入盛開階段，色相值的分布范圍開始呈現(xiàn)擴(kuò)散趨勢(shì)，分別有21.4%、33.3%的品種分布在0°～180°，有21.4%、13.6%的品種色相角分布在180°～300°，仍有50%的品種分布在300°～330°，而僅有7.1%和3.1%的品種依然分布在330°～360°。第6次提取中，一些品種開始進(jìn)入末花期，可提取的品種數(shù)量開始減少，色相值為0°～90°、150°～210°、240°～360°，有35.7%的品種色相值分布在0°～30°，在300°～330°的品種數(shù)量占比減少到22.9%。第7次，品種數(shù)量持續(xù)減少到20個(gè)，色相值分布在0°～30°的品種數(shù)量占比增加到72.5%，分布在30°～150°的品種有15.9%，僅有8.7%的品種依然分布在300°～360°。第8次，僅有3個(gè)品種仍在花期內(nèi)，色相值分布范圍和變化趨勢(shì)與第7次基本保持一致。

在S維度方向上，色彩飽和度整體呈下降的趨勢(shì)，整體分布范圍呈現(xiàn)先擴(kuò)大后縮小的趨勢(shì)，位點(diǎn)分布呈現(xiàn)“集中—分散—集中”的趨勢(shì)。第1次，色彩飽和度集中分布在0.30～0.80，平均飽和度為0.53，有20%的色彩飽和度分布在0.30～0.40，24.3%的色彩飽和度分布在0.40～0.50。在第2次提取中，色彩飽和度分布范圍為0.50～1.00，平均飽和度為0.69，有66.7%的品種色彩飽和度分布在0.50～0.80。第3次，色彩飽和度分布在0.50～1.00，平均飽和度為0.67，有60.3%的品種色彩飽和度在0.60～0.90。第4次，色彩飽和度在各區(qū)間均有分布，仍有49.2%的品種集中分布在0.5～0.8，平均飽和度為0.54，低飽和度（0～0.30）的品種數(shù)量在增多，高飽和度（0.80～1.00）的品種數(shù)量在減少。從第5次開始，品種數(shù)量開始減少，整體變化延續(xù)第4次的變化，色彩飽和度在各區(qū)間分布更加平均，平均飽和度為0.49。第6次的平均飽和度為0.44，品種數(shù)量減少22個(gè)，有19.6%的品種色彩飽和度在0.50～0.80，低飽和度（0～0.30）的品種數(shù)量增加到56.1%。第7次、第8次的色彩平均飽和度為0.33和0.39，色彩飽和度均分布在0～0.50，沒有高飽和度（0.80～1.00）品種。

在L維度方向上，位點(diǎn)逐漸上移，并且分布范圍逐漸縮小，呈現(xiàn)“分散—集中”的趨勢(shì)，表明隨著時(shí)間的推移海棠品種的亮度逐漸升高。第1次的位點(diǎn)分布較為分散，均在0.20～1.00，有67.2%的品種亮度集中分布在0.40～0.60，平均亮度為0.49。第2次亮度范圍在0.40～1.00，分布范圍縮小，有70%的品種亮度在0.50～0.70，平均亮度為0.61。第3次、第4次的亮度范圍仍在0.40～1.00，但位點(diǎn)逐漸上移，向高亮度（0.70～1.00）的方向變化，平均亮度為0.70和0.77，品種占比從17.1%（第2次）逐漸增加到46.4%（第3次）、65.2%（第4次）。第5次，品種數(shù)量開始減少，亮度集中分布在0.50～1.00，其中有44.1%的品種亮度分布在0.90～1.00，平均亮度為0.84。第6次和第7次延續(xù)之前的變化趨勢(shì)，亮度仍集中分布在0.50～1.00，并且品種數(shù)量占比由67.2%減少到27.5%，平均亮度分別為0.84和0.86；第8次，品種數(shù)量僅有3個(gè)，且亮度分布在0.70～0.90，平均亮度為0.80。

從圖3可以看出，70個(gè)海棠品種的色相H、亮度L在前期都有所集中，隨時(shí)間推移而發(fā)生分化或轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，飽和度S則平均分散且整體由高飽和度向低飽和度變化。色相H維度前期均為紅色系和紫紅色系，隨開花進(jìn)程逐漸向黃色區(qū)域轉(zhuǎn)移；大多數(shù)品種在中高亮度區(qū)間，當(dāng)花期進(jìn)入盛花期，高亮度區(qū)間的數(shù)量增多，呈現(xiàn)為淺淡、明亮的白色系花。

2.3基于HSL色彩空間的觀賞海棠品種群花色聚類分析

盛花期是海棠的主要觀賞期。將70個(gè)海棠品種盛花期的色彩參數(shù)H、S和L繪制聚類分析樹狀圖（圖4）。在遺傳距離41和61處，70個(gè)海棠品種可以劃分為3大色系類群，即粉色系、紅色系和白色系類群，色系類群之間具有明顯不同的色彩參數(shù)特征（表4）。

A類為粉色系品種群，共16個(gè)品種。該類品種群盛花期階段色相值均位于粉紅區(qū)域（H值在300°～330°），飽和度低（S值在0.09～0.59），但花色亮度高（L值在0.39～0.86）。

B類為紅色系品種群，共28個(gè)品種。該類品種群盛花期階段色相值均位于紅色區(qū)域（H值在330°～360°）?；ㄉr艷度高于A類品種群（S值在0.21～0.57），但花色的亮度顯著低于A大類（L值在0.27～0.67）。

C類為白色系品種群，共26個(gè)品種。該類品種群盛花期階段色相角主要位于藍(lán)色區(qū)域（H值在200°～250°），因飽和度極低（S值在0.03～0.13）、色彩極亮度極高（L值在0.70～0.90），而呈現(xiàn)為明亮的“白色”。

2.4觀賞海棠花色還原和色彩淡化節(jié)律

將無人機(jī)提取到的觀賞海棠花色色彩參數(shù)還原后繪制成圖5。色彩飽和度是花色重要的觀賞屬性。從圖5可見，3大色系品種群的花色在初花期皆為程度不一紫紅色。隨時(shí)間推移，盛花期色彩分化程度加大，尤其是粉色系和白色系，肉眼視覺上呈現(xiàn)出較為亮艷的顏色。末花期時(shí)，色彩分化程度進(jìn)一步加大；紅色系較為穩(wěn)定，褪色程度較低；粉色系有不同程度的褪色現(xiàn)象，逐漸淡化為白色、粉白色和極淡灰紫色，色彩的飽和度降低而亮度增加；白色系的褪色現(xiàn)象十分嚴(yán)重，全部淡化為白色或灰白色?？傮w而言，3大色系均呈現(xiàn)出由濃到淡的趨勢(shì)，個(gè)別顏色會(huì)受到光線的影響有所跳動(dòng)，但整體趨勢(shì)相同，但不同色系的淡化節(jié)律不同。

如表5所示，紅色系品種3個(gè)花期階段的色差值接近，整體的淡化程度最小，整個(gè)花期階段的色系都保持在紅色區(qū)域內(nèi)。粉色系品種的色差變化較小、淡化程度較弱，色彩均由紅色轉(zhuǎn)成粉色，最后到淡粉或接近于白色，依次變化。白色系品種的顏色變化主要由飽和度S和亮度L主導(dǎo)，色相H會(huì)因光照變化而變化，尤其在初花期到盛花期過程中表現(xiàn)出極大的色差變化，淡化程度最大。3個(gè)色系的S下降節(jié)律明顯不同。白色系品種在初花期—盛花期迅速下降，而在盛花期—末花期無明顯變化；粉色系品種在整個(gè)花期階段呈勻速下降的趨勢(shì)；紅色系品種在初花期—盛花期下降緩慢，在盛花期—末花期下降速度加快，但整體下降幅度低于粉色系品種。

3討論與結(jié)論

3.1討論

圖像識(shí)別技術(shù)作為植物檢測(cè)和分類的新技術(shù)手段，利用顏色特征[17]、紋理特征[18]等方式識(shí)別特定植物結(jié)構(gòu)領(lǐng)域（花、葉、果）[19-21]得到了廣泛的應(yīng)用。宋英等[22]利用顏色特征識(shí)別小麥赤霉病檢測(cè)率達(dá)到90%以上，李少敏等[23]對(duì)玉米種子的識(shí)別正確率也在90%以上，結(jié)合本研究利用顏色特征識(shí)別分割海棠開花區(qū)域的識(shí)別率為91.6%，再次有效地證明圖像識(shí)別技術(shù)在監(jiān)測(cè)植物花、葉、果的生長過程有很好的效果。對(duì)于觀賞植物來說，植物色彩是衡量觀賞價(jià)值的一個(gè)重要指標(biāo)，利用植物的顏色變化不僅能實(shí)現(xiàn)種群劃分，還能實(shí)現(xiàn)植物物候期的劃分。例如，范俊俊等[24]基于海棠物候期內(nèi)圖像樣本的色彩參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)海棠物候的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，但局限在于樣本只選取了一個(gè)品種，未來還需要擴(kuò)大樣本容量來提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在以往的花色動(dòng)態(tài)研究中，色差計(jì)、色差儀因其測(cè)定準(zhǔn)確度高成為運(yùn)用最廣泛的技術(shù)手段，而本研究首次利用顏色特征識(shí)別分割UAV圖像中的開花區(qū)域并提取HSL色彩參數(shù)，將70個(gè)觀賞海棠品種劃分為粉色系、紅色系和白色系3大類，試驗(yàn)結(jié)果與張往祥等[5]使用色差計(jì)對(duì)海棠品種群花色的測(cè)定和分類結(jié)果基本一致，70個(gè)海棠品種僅有‘凱爾斯’‘豪帕’‘可可辛娜’‘春之頌’‘約翰東’等9個(gè)品種分類存在誤差，一致率為87.1%。這種誤差可能是由于無人機(jī)圖像采集時(shí)受外部環(huán)境光照條件的影響造成圖像顯示的顏色誤差，或者是品種自身的遺傳特性，又或者是紅色和粉色品種的色相值很接近，在顏色參數(shù)提取時(shí)兩個(gè)目標(biāo)物色彩之間色差很小，對(duì)分類結(jié)果有所影響。從提取的顏色參數(shù)來看，色相值H的分布狀況表明海棠花色多集中在200°～360°，缺乏黃色系品種（色相H值在0°～90°）。色差值的變化表明紅色系淡化程度最小且整個(gè)花期色彩飽和度較高，有較高的觀賞價(jià)值；粉色系在盛花期色彩鮮亮，末花期由于淡化程度大，色彩近于白色，觀賞價(jià)值下降。該方法的花色動(dòng)態(tài)規(guī)律與何娜等[4]色差計(jì)測(cè)定結(jié)果相似，極大地提高了花色測(cè)定及色系分類的工作效率，避免了樣本采集和保存過程中出現(xiàn)失誤，適合在宏觀層面監(jiān)測(cè)花色動(dòng)態(tài)變化。但在分類時(shí)，出現(xiàn)部分粉色系品種劃分到紅色系品種的情況，在今后的研究中，需要進(jìn)一步優(yōu)化圖像識(shí)別技術(shù)。

3.2結(jié)論

Matlab軟件識(shí)別無人機(jī)圖像的開花區(qū)域效果較好，識(shí)別率達(dá)91.6%。盛花期是海棠的主要觀賞期，在這個(gè)階段花色也會(huì)逐漸分化，呈現(xiàn)出不同的淡化規(guī)律。粉色系品種群的淡化程度較弱，色彩均由紅色—粉色—淡粉或接近于白色的順序依次變化；盛花期階段色相H平均值為（314.0°±13.5°），飽和度較低，S平均值為（0.26±0.15），但花色亮度高，L平均值為（0.72±0.11）。紅色系品種群整體的淡化程度最小，整個(gè)花期階段的色系都保持在紅色區(qū)域內(nèi)；盛花期階段色相H平均值為（333.0°±7.0°），花色鮮艷度高于粉色系品種群，S平均值為（0.34±0.08），但花色的亮度顯著低于粉色系品種，L平均值為（0.44±0.08）。白色系品種的顏色變化主要由飽和度S和亮度L主導(dǎo)，色相H會(huì)因光照變化而變化，因此其初花期的色相分化程度較大，在初花期到盛花期過程中表現(xiàn)出極大的色差變化；白色系品種的淡化程度最大，盛花期時(shí)均保持低飽和度（0.06±0.03）、高亮度（0.79±0.04）的白色或粉白色；到末花期的過程中，色差變化相對(duì)較小。通過分析無人機(jī)圖像提取的色彩參數(shù)可以得到海棠品種在H、S、L3個(gè)維度上的動(dòng)態(tài)變化并能在宏觀層面實(shí)現(xiàn)海棠的花色分類，同時(shí)能直觀地看出開花過程中的花色變化。對(duì)于海棠表型分類、物候監(jiān)測(cè)等工作能提供新的方法和手段，提升工作效率，同時(shí)也為海棠相關(guān)育種工作提供理論依據(jù)。