中圖分類號：S812；TP751 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0111-07

Abstract：Inorder toextractdesert grassland fractionalvegetationcoverage inrealtime，accuratelyandquickly，this paper proposedalightweightnetwork model method integrated atention mechanism（Lightweightnetwork-Convolutional Block Atention Module，LW—CBAM）based on the collected UAV hyperspectral remote sensing data.This method improved the traditional 2Dconvolution kernel to 3Ddeeplyseparableconvolution kernel，andcombined the multi-branch methodand theatention mechanismmoduletomakethe modellightweightandimprovedtheaccuracyof themodel.Inordertoobtain the optimal model，this paperoptimized the batch size and learning rateof the model.Theresultsshowed thatcompared with popular deep learning methods such as ResNet34，VGG16，MobileNetV2andMobileNetV3，LW—CBAM had a higher classification accuracy，OA was 98.97% ， Kappa coefficient was 97.94，and the model had a higher estimation accuracy for fractional vegetation coverage.The absolute error from the true value was only 0.17% .TheLW— CBAM's parameter count was reduced by over 90% compared to the other models，and its computational requirements were respectively 1.37% ， 0.74% ， 13.33% ，and 14.81% of the four other models. During the model validation stage，the estimation error of fractional vegetation coverage by LW—CBAM was below 0.3% . This model provided a feasible method for estimating fractional vegetation coverage in desert steppe and provided a basis for grassland degradation control.

Keywords：fractional vegetation coverage；hyperspectral remote sensing；deep learning；lightweight network; attention mechanism;desert steppe

0 引言

草原是我國生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一部分[1]。我國的草地面積將近 4×10⁸hm² ，居世界第二位[2]。然而，自從20世紀(jì)60年代以來，草原退化現(xiàn)象在全國各地出現(xiàn)上升趨勢[3]，黨的二十大報告指出，推行草原森林河流湖泊濕地休養(yǎng)生息，提升生態(tài)系統(tǒng)多樣性、穩(wěn)定性、持續(xù)性。全國第六次荒漠化和沙化土地監(jiān)測調(diào)查結(jié)果顯示，內(nèi)蒙古荒漠化土地占全國荒漠化土地面積的 23.04%^[4] ，土地沙化、次生鹽漬化嚴(yán)重，生態(tài)修復(fù)的任務(wù)艱巨[5]

草原荒漠化主要表現(xiàn)為植被蓋度（FVC）減少、植被種類減少、裸地面積增加等，因此， FVC 是荒漠化監(jiān)測的重要指標(biāo)[6。傳統(tǒng)的植被蓋度監(jiān)測方法以地面實測為主，優(yōu)點是精度高、數(shù)據(jù)可靠，但只能在小范圍內(nèi)進行植被蓋度計算[7]。得益于技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感法可以在大范圍內(nèi)對植被蓋度進行反演，但其分辨率不夠高，成本也比較高昂[8]。近年來，無人機（UAV）搭載高光譜儀借助成本低、分辨率高、操作靈活等優(yōu)勢迅速被大范圍應(yīng)用9，可為荒漠草原植被蓋度的計算提供技術(shù)支持。

1數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

植被蓋度通常被定義為植被（包括枝、莖、葉）在單位面積內(nèi)的垂直投影面積所占百分比[10]。張燕斌等[11]采用改進的3D—ResNet模型對荒漠草原地物進行分類，其總體分類精度為 97.73% ，為荒漠草原整體生態(tài)系統(tǒng)研究奠定基礎(chǔ)； Xu 等[12]提出了MSR—3DCNN模型用于高光譜圖像分類，并在3個開源數(shù)據(jù)集上進行試驗。深度可分離卷積（DSC）[13]降低了模型參數(shù)量，為深度學(xué)習(xí)模型的輕量化提供新思路。程鉻杰等[14]提出了輕量化殘差網(wǎng)絡(luò)模型，分類精度較高，且計算量和參數(shù)量較??；孫一帆等[15]提出了融合注意力機制的輕量化關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，在小樣本條件下也有較高的分類精度?，F(xiàn)有的方法存在計算效率不夠高的問題，因此，構(gòu)建一種能夠快速、準(zhǔn)確計算FVC的方法，對荒漠草原的治理具有重要的現(xiàn)實意義。

本文采用無人機搭載高光譜儀組建無人機高光譜遙感系統(tǒng)，對研究區(qū)荒漠草原的高光譜影像進行采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理，構(gòu)建一種融合注意力機制的輕量化網(wǎng)絡(luò)模型（LW一CBAM），對高光譜影像中的植被和非植被進行分類并計算FVC，與ResNet34、VGG16、MobileNetV2、MobileNetV3等目前流行的深度學(xué)習(xí)方法進行對比。旨在為以無人機高光譜遙感為手段的草原監(jiān)測奠定基礎(chǔ)，為草原退化治理提供依據(jù)。

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院四子王基地，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部的烏蘭察布市四子王旗格根塔拉草原，地理坐標(biāo)北緯 41^°78^′ 、東經(jīng) 111^°88^′ 。該區(qū)域海拔在 1 400～1 500m ，屬于溫帶大陸性氣候，全年平均氣溫在 1^°C～6^°C ，年降水量為 280mm^[16] ，主要集中在 6-9 月。土壤類型大部分為淡栗鈣土，土壤有機碳含量為 16g/kg ，含氮量為 1.67g/kg 。作為我國荒漠草原的典型代表，其植被稀疏低矮、種類貧乏，主要有短花針茅、冷蒿、無芒隱子草、錦雞兒、駝絨藜等。

1.2無人機高光譜遙感系統(tǒng)

無人機高光譜遙感系統(tǒng)由A3Pro飛行控制系統(tǒng)控制的大疆 M600Pro 六旋翼無人機、GaiaSky-mini型高光譜儀、如影云臺MX、小型機載計算機組成，如圖1所示。無人機采用大疆經(jīng)緯 M600Pro 六旋翼無人機，空機重量為 9.5kg （含電池），最大起飛重量為 15.5kg ，滿載時可持續(xù)飛行 16min 。高光譜儀采用GaiaSky一mini型高光譜儀，光譜通道數(shù)為256，光譜范圍為 400～1000nm 光譜分辨率為 3.5nm ，圖像分辨率為775像素 ×696 像素，掃描方式為懸停內(nèi)置掃描。機載計算機的CPU為Inteli7—7567U，配有512G的固態(tài)硬盤。

1.3數(shù)據(jù)采集

無人機數(shù)據(jù)采集時間為2023年7—8月，包括高光譜數(shù)據(jù)采集和可見光數(shù)據(jù)采集。在研究區(qū)內(nèi)隨機布置60個大小為 1m×1m 的樣方，使用小旗和地墊輔助標(biāo)記樣方。為降低天氣等外部條件對數(shù)據(jù)采集的影響，選擇時間為10：00—14：00，且在天氣晴朗、無云霧遮擋、風(fēng)力低于3級（少風(fēng)或微風(fēng)）的條件下采集。高光譜數(shù)據(jù)采集時無人機飛行高度為 20m ，空間分辨率為1.73cm/pixel ，且對每個地物樣方拍攝3次。每個架次起飛前后分別進行標(biāo)準(zhǔn)白板校正，將光照強度的變化對高光譜圖像的影響降到最低。可見光數(shù)據(jù)采集使用大疆精靈3無人機采集，采集高度為 8m ，每個樣方拍攝2次。

1.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過人工對比，剔除成像不佳、過度曝光以及欠曝光的圖像，將高光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)人SpecVIEW軟件，結(jié)合采集的白幀和黑幀對反射率進行校正。圖2為經(jīng)過反射率校正后的光譜曲線?？梢钥闯?，植被和非植被的反射率曲線存在明顯差異，在 680nm 處植被反射率曲線有明顯的“波谷”，之后快速上升，而非植被在 400～ 800nm 上升較為平緩，且無明顯波動。反射率的差異為精確區(qū)分植被和非植被以及FVC的計算提供可能。

圖2植被和非植被的反射率曲線 Fig.2Reflectance curve of vegetation and non-vegetation

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相比傳統(tǒng)的遙感圖像，高光譜圖像具有分辨率高、特征維數(shù)高的特點，但同時也存在信息冗余的問題，在數(shù)據(jù)處理過程中會出現(xiàn)維數(shù)災(zāi)難和Hughes現(xiàn)象[17]。為避免模型學(xué)到無關(guān)信息，采用主成分分析（PCA）[18，19]法對高光譜數(shù)據(jù)進行降維處理。表1為高光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過PCA后主成分的協(xié)方差貢獻率。可以看出，經(jīng)過PCA降維后，前30個主成分的累計協(xié)方差貢獻率為 99.80% ，基本可以包含原始高光譜圖像的全部信息，因此，選擇將高光譜數(shù)據(jù)降至30維。為方便處理，將高光譜圖像進行裁剪，最終高光譜圖像的尺寸為500lines ×500 samples ×30 bands。

表1協(xié)方差貢獻率Tab.1 Covariance contribution rate

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在ENVI5.6軟件中使用ROI感興趣區(qū)域制作標(biāo)簽數(shù)據(jù)集，其中植被像元24809個，非植被像元26673個，共有51482個樣本，將總樣本的 40% 作為訓(xùn)練集，其余作為測試集。

1.5 FVC真實值

為確定FVC的真實值，使用大疆精靈3無人機采集樣方的可見光圖像，此操作在完成樣方的高光譜數(shù)據(jù)采集后進行。為了使可見光圖像與 500lines×500 samples的高光譜影像相對應(yīng)，使用PhotoshopCC2015對可見光圖像進行裁剪，保證可見光圖像的植被蓋度可以作為真實值。支持向量機（SVM是一種機器學(xué)習(xí)算法，常被用于二分類問題，因此，選用SVM對可見光圖像進行監(jiān)督分類并結(jié)合目視解譯法得到FVC真實值。

將裁剪后的可見光圖像導(dǎo)人ENVI5.6中，首先對圖像進行歸一化處理，接著通過ROI感興趣區(qū)域定義訓(xùn)練樣本（訓(xùn)練樣本約占總樣本的 15%～20% ，并計算樣本的可分離度。可分離度的值為 0～2.0 ，可分離度大于1.9，說明樣本之間可分離性很好；可分離度小于1.8，則需要重新選擇樣本。最后使用SVM監(jiān)督分類對整幅圖像進行分類，通過目視解譯法對分類錯誤的區(qū)域進行調(diào)整，之后分別統(tǒng)計植被和非植被的像元個數(shù)，植被像元數(shù)與總像元數(shù)的比值即為FVC真實值。通過SVM對可見光圖像進行監(jiān)督分類并結(jié)合目視解譯法最終得到植被蓋度的真實值為 50.92% 。

2 研究方法

2.1 注意力機制

注意力機制被廣泛應(yīng)用于深度學(xué)習(xí)中，本文將3D卷積注意力機制模塊（CBAM）[20]融入深度學(xué)習(xí)模型，其可以分為兩部分：第一部分為通道注意力機制；第二部分為空間注意力機制。圖3為CBAM的整體結(jié)構(gòu)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)輸入的特征尺寸為 H×W×C ，首先在空間維度（H，W 維度）分別作3DGlobalAveragePooling和3DGlobalMaxPooling，接著進行通道壓縮、展開操作， r 為通道 C 下降的倍數(shù)，即可得到每個 c 的權(quán)重，將二者相加后與原始特征圖相乘即可得到通道加權(quán)后的特征圖。之后在 c 維度分別作3DGlobalAveragePooling和3DGlobalMaxPooling，將二者在通道維度拼接，再通過卷積將通道合二為一，即可得到空間權(quán)重圖，將其與通道加權(quán)特征圖相乘即可得到通道空間加權(quán)的特征圖。

圖3卷積注意力機制模塊 Fig.3 Convolutional block attention module

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2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算量大、運算時間長，而深度可分離卷積（DSC）的出現(xiàn)大大減少了模型的參數(shù)量和運算量。因此，選擇使用DSC，以達到輕量化的目的。圖4為融合注意力機制的輕量化網(wǎng)絡(luò)模型（LW—CBAM的結(jié)構(gòu)圖，通過PCA將高光譜數(shù)據(jù)降至30維，經(jīng)過Patch后以 30×9×9 的大小送人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。首先通過一個 7×7×7 的3D—DSC，并采用ReLU激活函數(shù)進行特征初步提取；接著分為3條支路分別提取特征，第一條支路為 3×3×3 的3D—DSC，第二條支路包括最大池化下采樣和上采樣，將第一條支路和第二條支路提取到的特征在維度方向上進行拼接，并在其后融入CBAM，第三條支路同樣是 3× 3×3 的3D—DSC；最后將第三條支路的特征與拼接后的結(jié)果進行融合，在其后也融入CBAM，通過展平層、全連接層以及Logsoftmax函數(shù)后輸出分類結(jié)果。此外，在每個卷積之后都加入批量歸一化（BN）操作，避免梯度消失與爆炸，加快模型收斂。為避免模型過擬合，在訓(xùn)練階段使用dropout操作，隨機失活 40% 的神經(jīng)元。

圖4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4Neural network structure

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3 結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)處理在Windows10系統(tǒng)上進行，RAM為16 GB，CPU 為 Intel Core i5-9300H ，顯卡為NVIDIAGeForceGTX1650，4GB獨顯。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型基于Pytorch1.13.0框架編寫，編譯器選擇Anaconda 的 Spyder。

輸人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像大小為30像素 ×9 像素 ×9 像素，訓(xùn)練批次為100，采用交叉熵?fù)p失函數(shù)，優(yōu)化器選擇Adam。并選用ResNet34、VGG16、MobileNetV2、MobileNetV3等目前流行的深度學(xué)習(xí)模型與LW—CBAM模型進行對比。

3.1 評價指標(biāo)

對于分類精度，選用總體分類精度（OA）和Kappa系數(shù)21進行評價。 OA 為被正確分類的像元個數(shù)除以總像元個數(shù)。 OA 越高， Kappa 越大，模型效果越好。OA和Kappa系數(shù)的計算如式（1）和式（2）所示。

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式中： k 分類的類別數(shù)；x_ii （204 第 i 類樣本中被正確分類的個數(shù)；n （2 樣本總數(shù)量；P e 期望分類精度；P_o 總體分類精度。

假設(shè)每一類真實樣本個數(shù)分別為 x₁，x₂，…，x_a ， 預(yù)測出的每一類樣本個數(shù)為 y₁，y₂，…，y_a ，則

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對于植被蓋度的計算結(jié)果，選用估算值與真實值的絕對誤差 （AE ）進行評價，絕對誤差越小，植被蓋度的計算結(jié)果越準(zhǔn)確。絕對誤差的計算如式（4）所示。

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式中： Z （20 -FVC的估算值；

? （204號 -FVC的真實值。

對于模型輕量化，選擇參數(shù)量（Params）、運算量（Flops）^[22] ，并輔以訓(xùn)練時間和預(yù)測時間進行評價，Params和Flops運算量越小，訓(xùn)練時間和預(yù)測時間越短，表明模型越輕量化。

3.2 結(jié)果分析

為得到最優(yōu)模型，將LW—CBAM模型進行批量大?。╞atchsize）和學(xué)習(xí)率（learningrate）的優(yōu)化。為避免模型運算的偶然性，數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)運算取平均值的結(jié)果。評估batchsize對模型效果的影響時，分別設(shè)置32、64、128、256共4種不同的batchsize，學(xué)習(xí)率為0.001。表2為對比結(jié)果，可以看出，在4種不同的batchsize下， OA 均高于 97.9% ，當(dāng)batchsize為64時，取得最佳分類精度 98.44% 。

表2批量大小優(yōu)化結(jié)果對比Tab.2Comparison of optimization results for batch sizt

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在batch size為64的基礎(chǔ)上，設(shè)置0.00l、0.004、0.007，0.01，0.02 共5種不同的learningrate，目的是確定最佳的learningrate參數(shù)。由表3可知， OA 介于 98%～99% ，當(dāng)學(xué)習(xí)率為0.01時，總體分類精度最高為 98.97% 。在試驗過程中，當(dāng)learningrate為0.02時，訓(xùn)練后期準(zhǔn)確率振蕩劇烈，這是學(xué)習(xí)率過大導(dǎo)致的。因此，經(jīng)過優(yōu)化后，最終的批量大小和學(xué)習(xí)率分別為64、0.01。

表3學(xué)習(xí)率優(yōu)化結(jié)果對比 Tab.3Comparison of optimization results for learning rate

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為更好地評估模型的性能，將LW一CBAM與ResNet34、VGG16、MobileNetV2、MobileNetV3等深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型進行對比。圖5為5種模型的OA和Kappa系數(shù)對比。由圖5可知， OA 與Kappa系數(shù)的變化呈現(xiàn)相同的趨勢， OA 高的模型Kappa系數(shù)也高，其關(guān)系為LW—CI BAMgt; MobileNetV3gt;VGG16gt; MobileNet V2gt; ResNet34。需要說明的是，本文對Kappa系數(shù)做了放大100倍的處理。LW—CBAM的 OA 和 Kappa 系數(shù)分別為 98.97% 797.94，MobileNetV3的分類精度緊隨其后，分別為97.76%.96.15 。VGG16的性能處于5種模型的中間位置，分類精度為LW一CBAM的 98.30% 、96.54% 。MobileNetV2的效果表現(xiàn)不佳，OA和Kappa系數(shù)僅為 95.57%.91.13 。ResNet34的OA和Kappa系數(shù)最低，分別為 94.58% 、89.14，相比于LW—CBAM，分別降低 4.39%.8.8 。

模型訓(xùn)練完成，需要對整幅高光譜圖像的覆蓋度進行預(yù)測，并與真實值進行對比，表4為5種模型計算FVC的結(jié)果，可以看出，LW—CBAM估算的植被覆蓋度與真實的植被覆蓋度最為接近，其絕對誤差為 0.17% 其次為MobileNetV3，估算植被覆蓋度為 50‰ ，絕對誤差為 0.24% ，VGG16和MobileNetV2模型的估算結(jié)果與真實值相差不大，絕對誤差分別為 0.32%.0.35% ResNet34的預(yù)測結(jié)果與真實值相差最大，絕對誤差為 0.44% 。

表4FVC估算結(jié)果Tab.4Estimation of FVC

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圖5OA和Kappa系數(shù) Fig.5 OA and Kappa coefficient

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表5為各模型參數(shù)的對比，可以看出，LW—CBAM迭代100次的時間為 9.73min ，分別為ResNet34、VGG16、MobileNetV2、MobileNetV3的27.79% 、 60.12% ！ 63.99% 、 66.82% ，預(yù)測時間為18s ，較其他模型分別降低 23.33s，11.39s，15.61s ‘14.63s 。LW一CBAM的參數(shù)量僅為 0.74M ，較ResNet34、VGG16、MobileNetV2、MobileNetV3模型分別下降 99.11%.98.09%.91.90%.92.39% ，降幅均在 90% 以上，運算量分別為其他模型的 1.37% 、0.74%.13.33%.14.81% 。

表5模型參數(shù)對比Tab.5Model parameter comparison

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FVC的可視化對比如圖6所示。

圖6可視化對比 Fig.6Visual contrast chart

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為驗證LW一CBAM在荒漠草原FVC估算方面的有效性，對另外3張高光譜圖像進行FVC估算，結(jié)果如表6所示?？梢钥闯觯琇W—CBAM對3張影像的FVC估算值分別為 51.91%.47.51%.52.56% ，與真實值的絕對誤差均在 0.3% 以下，驗證LW—CBAM在荒漠草原植被蓋度估算中的精準(zhǔn)性。圖7為可視化結(jié)果。

表6FVC估算值與真實值對比 Tab.6Compare the estimated value with the truevalueofFVC

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圖7覆蓋度估算模型可視化結(jié)果

Fig. 7Visualization results of coverage estimation model

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4結(jié)論

通過無人機遙感系統(tǒng)采集荒漠草原的高光譜數(shù)據(jù)，研究融合注意力機制的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對荒漠草原植被蓋度計算的準(zhǔn)確性和快速性。

1）提出一種基于無人機高光譜圖像計算植被蓋度的輕量化網(wǎng)絡(luò)模型（LW—CBAM），并在該模型中融合注意力機制。結(jié)果表明，該模型的OA為 98.97% ，Kappa為97.94，與其余4種模型相比，分類精度更高，且該模型對荒漠草原植被蓋度估算的絕對誤差僅為 0.17% ，可以準(zhǔn)確估算荒漠草原的 FVC 。

2）LW—CBAM舍去傳統(tǒng)的2D卷積模塊，采用3D深度可分離卷積模塊（3D—DSC），使得模型更加輕量化。與ResNet34、VGGl6、MobileNetV2、MobileNetV3相比，LW一CBAM的參數(shù)量降低 90% 以上，運算量分別為4種模型的 1.37%.0.74%.13.33%.14.81% ，且在模型訓(xùn)練時間與預(yù)測時間上都有顯著優(yōu)勢。

3）為驗證LW—CBAM在荒漠化草原蓋度估算方面的有效性，使用模型分別對3張高光譜影像進行植被蓋度估算。結(jié)果表明，LW一CBAM對植被蓋度的估算誤差在 0.3% 以下，實現(xiàn)高精度、快速的荒漠草原植被蓋度估算。

4）LW—CBAM為荒漠草原植被蓋度的計算提供一種切實可行的方法，為以無人機高光譜遙感為手段的荒漠草原監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。

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