Ukrainian Journal of Physical Optics


2023 Volume 24, Issue 2


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

Markov random field-based segmentation algorithm for the images of cotton plants taken from unmanned aerial vehicles

Qianqian Zhen and Huichao Gu

School of Software Engineering, Anyang Normal University, Anyang 455000, Henan, China

ABSTRACT

Segmentation of aerial images of crop is an important method for the crop prediction and analysis based on plant-protecting unmanned aerial vehicles (UAVs). The problem is that the accuracy of traditional crop-image segmentation based on a super-green feature is not high enough and, moreover, the corresponding algorithm can reveal great differences in the precision for different crops. In this study, we use a Markov random-field segmentation model for the aerial images taken from the plant-protecting UAVs. A standard K-mean algorithm is employed to mark the observation field and the model parameters are estimated by an expectation-maximization method. For deriving the segmentation results, an iterated conditional-modes algorithm is applied. The experimental results testify that the approach of Markov random fields can segment efficiently the cotton-plant images obtained from the UAVs. Then the segmentation accuracy becomes higher and the algorithm adaptability better. However, the processing time increases and the real-time regime can be questioned when the number of segmented image pixels exceeds a critical value.

Keywords: image segmentation, Markov random fields, iterated conditional-modes algorithm, unmanned aerial vehicles for plant protection

UDC: 004.932.2

    1. Jiang Nan, Dai Jianguo, Xue Jinli, Zhang Guoshun and He Xiangliang, 2021. Cotton growth parameter monitoring based on visible image of UAV and convolutional neural network. J. Shihezi Univ. (Nat. Sci.). 39: 282-288.
    2. Zhou Liwa and Liu Xuelei, 2021. Analysis of the market status and development prospects of the agricultural plant protection UAV industry. Heilongjiang Grain. 11: 121-122.
    3. Wang Zhigang and Feng Yunchao, 2021. Brain tumor image segmentation method based on MRF and mixed kernel function clustering. Electron. Meas. Technol. 44: 93-97.
    4. Xiao Shuang, Ba Jing, Guo Qiang, Fu Li-yun, Guo Qiang, Zhang Lin and Luo Cong, 2020. Research and application of nonlinear pre-stack seismic inversion based on Gaussian prior and Markov random field constraints. Prog. Geophys. 35: 2250-2258.
    5. He GaoFeng, Luo Xianqi, Fan Xunyi and Zhang Yong, 2019. Analysis on karst development laws of tunnels based on the Markov random field. Mod. Tunn. Technol. 56: 56-64.
    6. Lyu Ning, Xiao Jian, Gao, Ouyang Xuefeng and Luo Zhongjie, 2022. Image segmentation algorithm on contour defects for stamping part based on improved MRF. Forg. Stamp. Technol. 47: 101-109.
    7. Zhang Ling, Tan Xuan, Song Dongmei, Wang Bin and Li Rui-lin, 2019. Study on the MRF-based method for damaged buildings extraction from the single-phase seismic image. Seismol. and Geolog. 41: 1273-1288.
    8. Li Pengju, Zhang Yasheng, Fang Yuqiang and Yin Zhiyong, 2021. Denoising algorithm based on improved Markov random field for event camera. Infrared and Laser Engin. 50: 20210294. doi:10.3788/irla20210294
    9. Feng A, Zhou J, Vories E and Sudduth K A, 2020. Evaluation of cotton emergence using UAV-based imagery and deep learning. Comp. Electron. Agricult. 177: 105711. doi:10.1016/j.compag.2020.105711
    10. Huang Peng, Zheng Qi and Liang Chao, 2020. Overview of image segmentation methods. Geomat. Inform. Sci. Wuhan Univ. 66: 519-531.
    11. Zheng Xiaonan, Yang Fan and Li Fuzhong, 2020. Overview of crop image segmentation algorithm. Mod. Comp. 19: 72-75.
    12. Wang Chang,Zhang Yongsheng and Wang Xu, 2021. SAR image change detection based on variational method and Markov random field fuzzy local information C-means clustering method. Geom. Inform. Sci. Wuhan Univ. 46: 844-851.
    13. Yan Tinglong, Li Ying and Wang Fengqian, 2022. Recognition and division of aircraft flight action based on MRF model. Comp. Engin. Sci. 44: 159-164.
    14. Zhang Yinhui, 2010. Research on multiscale Markov random fields for image segmentation [PhD Thesis]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, China.
    15. Zhao Quan-hua, Shi Xue, Wang Yu and Li Yu, 2017. Remote sensing image segmentation of variable class space constrained Gaussian mixture model. J. Commun. 02: 34-43.
    16. Ren Ran and Liu Hongshen, 2021. An image segmentation method based on Markov random field. J. Anhui Univ. Technol. Nat. Sci. Ed. 03: 252-255.
    17. Yu Miao, Hu Zhan-Yi. Higher-order Markov random fields and their applications in scene understanding. Acta Automatica Sinica, 2015, 41 (7): 1213-1234.
    18. Li Lu, Fan Wentao and Du Jixiang, 2017. Brain MR image segmentation based on Student's t-mixture model with Markov random field. J. Shandong Univ. Engin. Sci. 47: 49-55.

    Сегментація аерофотознімків врожаю – це важливий метод прогнозування та аналізу врожаю на основі безпілотних літальних апаратів (БПЛА) для захисту рослин. Проблема полягає в тому, що точність традиційної сегментації зображень на основі суперзеленого елемента недостатньо висока, а відповідний алгоритм може виявляти значні відмінності в точності для різних культур. У цьому дослідженні ми використали марковську модель випадкового поля для сегментації аерофотознімків БПЛА для захисту рослин. Для позначення поля спостереження використано стандартний алгоритм K-середнього, а параметри моделі оцінено за методом максимізації очікування. Для одкржання результатів сегментації застосовано ітерований алгоритм умовних режимів. Експериментальні результати засвідчують, що підхід випадкового марковського поля може ефективно сегментувати зображення бавовнику, отримані з БПЛА. Крім того, точність сегментації стає вищою, а алгоритм – більш адаптивним. Однак коли кількість пікселів сегментованого зображення перевищує деяке критичне значення, час опрацювання зростає, а досягнення режиму реального часу стає проблемним.

    Ключові слова: марковське випадкове поле, ітерований алгоритм умовного режиму, безпілотні літальні апарати захисту рослин, сегментація зображення


© Ukrainian Journal of Physical Optics ©