地面成像和非成像地物光譜儀在不同水分環(huán)境下濕地植被光譜特征對(duì)比研究——以東洞庭湖濕地區(qū)域苔草植被光譜特征為例

引言

在較為復(fù)雜的濕地生態(tài)系統(tǒng)中，高光譜遙感憑借其成百上千波段數(shù)量、極高的光譜分辨率，以及波譜特征敏感的巨大優(yōu)勢(shì)，在濕地資源遙感定量監(jiān)測(cè)、濕地類型空間分布特征、濕地植被生理生態(tài)遙感反演等方面發(fā)揮重要的作用。濕地植被是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，近些年國內(nèi)外學(xué)者對(duì)濕地植被信息的高光譜遙感提取技術(shù)研究也非常廣泛和深入。林川、宮兆寧等基于光譜特征變量，研究了濕地典型植物生態(tài)類型識(shí)別方法。李鳳秀等通過實(shí)測(cè)不同蓋度和水深條件下的小葉樟灌層反射率和葉綠素濃度，基于可見光－近紅外波段建立相關(guān)植被指數(shù)，找出了與葉綠素有著最佳相關(guān)性波段組合的植被指數(shù)。鄒維娜等分析了蓋度與冠層水深對(duì)沉水植物水盾草光譜特性的影響，研究表明：不同蓋度的水盾草群落光譜反射率的基本特征主要體現(xiàn)在綠光和近紅外波段。Schmidt等使用野外便攜式地物光譜儀測(cè)量了荷蘭南部海岸鹽沼濕地的27種濕地植被的反射光譜，利用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、連續(xù)統(tǒng)去除法以及距離分析法，最終篩選出了6個(gè)用于分類的最優(yōu)波段。Zomer等使用野外便攜式光譜輻射計(jì)測(cè)定了美國加利福尼亞州帕切科溪鹽沼濕地7種濕地植被類型的冠層和葉片光譜，然后，利用得到的地物光譜曲線建立波譜庫，為基于高光譜遙感影像的濕地植被分類提供科學(xué)依據(jù)。

在這些研究中，主要是航空成像高光譜數(shù)據(jù)和地面非成像高光譜數(shù)據(jù)的研究和應(yīng)用，但基于地面成像高光譜的濕地植被圖譜特征分析和監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的研究非常少，地物光譜儀雖可以對(duì)作物個(gè)體進(jìn)行研究，但是它不能成像，采集的作物冠層光譜信息是混合的，使其構(gòu)建的各種反演模型的精度受到限制。因此，本研究利用成像光譜儀和非成像地物光譜儀在濕地生態(tài)系統(tǒng)中最為敏感的水分環(huán)境下采集單一植被尺度的濕地植被苔草的葉片光譜信息，對(duì)比分析兩儀器獲得的高光譜反射差異，用地物光譜儀作標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證成像光譜儀獲取數(shù)據(jù)的可靠性；然后，選取典型的植被指數(shù)探究在不同水分梯度環(huán)境的苔草植被光譜差異，為進(jìn)一步研究地面成像光譜儀在高光譜濕地信息提取方向提供支持。

材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

本研究選擇的試驗(yàn)地點(diǎn)位于長江中下游荊江江段，湖南省東北部岳陽市境內(nèi)的東洞庭湖，該區(qū)域是“國際濕地公約”收錄的由中國政府指定的國際重要濕地自然保護(hù)區(qū)之一。該區(qū)域地處亞熱帶濕潤氣候區(qū)，濕地類型和濕地植被都非常典型，日照充足，雨量充沛，有豐富的沉水、浮水和挺水植物。苔草大量成片分布在東洞庭湖濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)，屬于該濕地典型的植物種類。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案和測(cè)定方法

1）實(shí)驗(yàn)方案利用土壤水分速測(cè)儀，測(cè)得集中分布的水分梯度環(huán)境，以苔草為例選擇了土壤水分分別為51%、32%、14%的3個(gè)苔草分布區(qū)域集中測(cè)量，對(duì)單一濕地植被類型尺度的成像光譜儀和地物光譜儀在的對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是不同土壤水分含量下和苔草植被指數(shù)的相關(guān)性分析，進(jìn)而分析比較適合用于分類的土壤水分分布環(huán)境。

2）測(cè)定方法采用土壤水分測(cè)定儀測(cè)量不同水分梯度環(huán)境下的苔草分布樣點(diǎn)，然后采集SOC成像高光譜的數(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行反射率轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換之前要先進(jìn)行去除暗電流、波長定標(biāo)、輻射定標(biāo)等操作，去除電子噪聲。電子噪聲受操作環(huán)境影響，如環(huán)境溫度等，所以，在每次實(shí)驗(yàn)開始時(shí)進(jìn)行Dark測(cè)量并保存文件。然后進(jìn)行波長定標(biāo)和輻射定標(biāo)。反射率轉(zhuǎn)換方法：利用實(shí)測(cè)的白板參考板、目標(biāo)采集對(duì)象苔草，采用經(jīng)驗(yàn)線性法算出定標(biāo)系數(shù)，然后提取反射率。苔草反射率=（苔草DN值/參考板DN值）×參考板反射率。參考板反射率是室內(nèi)定標(biāo)得到的值。最終通過成像高光譜軟件處理模塊可將圖像DN值轉(zhuǎn)換為反射率。

結(jié)果和分析

3.1 成像光譜數(shù)據(jù)分析

通過以上測(cè)定方法，在土壤水分分別為51%、32%、14%的3個(gè)苔草分布區(qū)域獲得有效的成像高光譜數(shù)據(jù)和非成像地物光譜儀數(shù)據(jù)各25組，總共75個(gè)樣本。將測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，得到苔草成像光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果，并對(duì)原始成像光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，如圖1所示，可以清楚地看到在可見光、紅外、近紅外區(qū)域的苔草原始光譜曲線特征。通過數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)得到不同梯度的土壤水分分別為51%、32%、14%的環(huán)境下3個(gè)苔草分布區(qū)域的光譜特征曲線，將同區(qū)域采集到的非成像光譜數(shù)據(jù)整理如圖2所示。

圖 1 苔草成像光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果

地面成像光譜儀和地物光譜儀測(cè)得不同水分梯度的苔草光譜在550nm和730nm處有強(qiáng)反射峰，750nm后有近紅外高反射平臺(tái)，690nm和970nm附近有明顯的吸收谷，兩種儀器測(cè)得的苔草光譜曲線特征基本保持一致的變化趨勢(shì)，但是，二者也有非常明顯的區(qū)別：

1）二者在相同水分環(huán)境下的苔草同區(qū)域葉片上獲得的反射率值大小不同，地面成像光譜儀在3個(gè)土壤水分環(huán)境下的苔草葉片光譜值都大于地物光譜儀所采集到的苔草葉片光譜反射值。

2）原始的地面成像光譜儀反射率曲線沒有地物光譜儀測(cè)出的原始光譜曲線平滑，波動(dòng)變化較大，在近紅外波段較明顯，消除噪音后，在970nm處地面成像光譜儀反射率曲線波谷變化幅度更大（如圖2所示）。

圖 2 不同水分環(huán)境下 地面成像光譜儀和 地物光譜儀

從3種不同水分含量的環(huán)境下地面成像光譜儀反射率曲線分析，整體趨勢(shì)完全符合苔草植被光譜曲線特征，差異在于51%土壤水分下的苔草光譜曲線的特征區(qū)域（紅邊，綠邊，近紅外平臺(tái)）都表現(xiàn)出水分的影響直接關(guān)聯(lián)植被的光譜反射特征，且干涉幅度更大，變化更清晰，比較利于后續(xù)的光譜端元聚類分析。結(jié)果表明，通過應(yīng)用成像光譜儀地面成像光譜儀在不同水分環(huán)境下單一植被尺度苔草的葉片光譜數(shù)據(jù)，分析3個(gè)水分梯度下葉片的反射率，可以得出成像光譜儀地面成像光譜儀的反射率曲線和地物光譜儀的趨勢(shì)相近，二者有很好的一致性，表現(xiàn)在550nm和730nm的反射峰，690nm和970nm的吸收谷，以及連續(xù)的近紅外反射平臺(tái)，這個(gè)結(jié)果和前人研究過的Hyperion、CHＲIS、CASI等星載高光譜儀得出的結(jié)論一致。

3.2 不同水分環(huán)境下的苔草成像光譜植被指數(shù)特性分析

為了進(jìn)一步比較和分析植成像光譜儀和非成像光譜儀在苔草單一尺度下，不同水分環(huán)境對(duì)植被光譜的影響，我們采用多類植被指數(shù)分析的方法，對(duì)苔草植被信息特征進(jìn)行分析。本研究選取前人常用的9種植被指數(shù)和濕地區(qū)域苔草在不同水分環(huán)境情況下進(jìn)行分析，以地面成像光譜儀和地物光譜儀各自得到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析成像光譜儀SOC71數(shù)據(jù)的植被分析能力。選取如下植被指數(shù)（見表2）：

表 2 植被指數(shù)及公式

可見光植被指數(shù)：VAＲIgreen、VAＲI700、CAＲI；可見光/近紅外植被指數(shù)：NDVI、EVI、SＲ、DVI；紅邊比值指數(shù)：VOG3、Carter2。從圖3、表3中可以看出，地面成像光譜儀和地物光譜儀測(cè)量的不同水分環(huán)境下的苔草光譜數(shù)據(jù)計(jì)算出來的有代表性的該區(qū)域植被指數(shù)值，其中，成像光譜儀獲取的代表綠色植被反射敏感的可見光/近紅外指數(shù)特征的NDVI、EVI、SＲ和DVI值在3個(gè)水分環(huán)境條件下都表現(xiàn)出了非常直接的相關(guān)關(guān)系，隨著土壤水分的降低，這幾種指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與地物光譜儀獲取數(shù)據(jù)略高，和前面分析的光譜曲線特征有很好的一致性，數(shù)據(jù)可靠。

圖3 51%水分環(huán)境下的苔草成像光譜植被指數(shù)結(jié)果

表3 不同水分環(huán)境下的苔草純像元區(qū)域成像光譜植被指數(shù)結(jié)果

同樣，圖3和表3顯示在可見光和紅邊比值區(qū)域的結(jié)果也表現(xiàn)出很好的相關(guān)關(guān)系?？偟膩碚f，選取了3種可見光植被指數(shù)、4種可見光/近紅外植被指數(shù)、2種紅邊比值指數(shù)，共計(jì)9種植被指數(shù)分析成像光譜儀地面成像光譜儀與非成像光譜儀地物光譜儀在不同水分環(huán)境梯度下苔草植被的植被指數(shù)特征，計(jì)算結(jié)果表明所選擇的植被指數(shù)變化趨勢(shì)相同，說明成像光譜儀和地物光譜儀獲取的數(shù)據(jù)有很好的一致性。

4、結(jié)語

利用地面成像光譜儀成像光譜儀和地物光譜儀地物光譜儀在濕地區(qū)域獲取了典型濕地植被苔草光譜反射數(shù)據(jù)信息，并比較在不同水分環(huán)境下苔草純像元區(qū)域成像光譜特征和植被指數(shù)特征，從而了解和掌握了成像光譜儀在單一尺度的苔草區(qū)域的光譜特征。研究證明，成像光譜儀的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為可以在光譜成像圖像上精確地選擇研究范圍，能和葉片提取生理生化參數(shù)的部位達(dá)到一致。從兩儀器獲得的植被指數(shù)來看，成像光譜儀地面成像光譜儀得到的值相對(duì)于地物光譜儀更準(zhǔn)確，從側(cè)面說明可見光譜數(shù)據(jù)可以確定選取區(qū)域，與生化參數(shù)同部位獲取，這樣可以提高植被生化相關(guān)參數(shù)提取的精度。綜上，成像光譜儀獲取的數(shù)據(jù)具有圖譜合一、光譜曲線特征可靠的特征，在濕地近地高光譜遙感研究中具有很大潛力，拓展了濕地資源遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段。

推薦：

便攜式地物光譜儀iSpecField-NIR/WNIR

專門用于野外遙感測(cè)量、土壤環(huán)境、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新明星產(chǎn)品，由于其操作靈活、便攜方便、光譜測(cè)試速度快、光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是一款真正意義上便攜式地物光譜儀。

無人機(jī)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VM100

一款基于小型多旋翼無人機(jī)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高光譜成像相機(jī)、穩(wěn)定云臺(tái)、機(jī)載控制與數(shù)據(jù)采集模塊、機(jī)載供電模塊等部分組成。無人機(jī)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)通過獨(dú)特的內(nèi)置式或外部掃描和穩(wěn)定控制，有效地解決了在微型無人機(jī)搭載推掃式高光譜照相機(jī)時(shí)，由于振動(dòng)引起的圖像質(zhì)量較差的問題，并具備較高的光譜分辨率和良好的成像性能。

便攜式高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VS1000

專門用于公安刑偵、物證鑒定、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新產(chǎn)品，主要優(yōu)勢(shì)具有體積小、幀率高、高光譜分辨率高、高像質(zhì)等性價(jià)比特點(diǎn)采用了透射光柵內(nèi)推掃原理高光譜成像，系統(tǒng)集成高性能數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)，高速USB3.0接口傳輸，全靶面高成像質(zhì)量光學(xué)設(shè)計(jì)，物鏡接口為標(biāo)準(zhǔn)C-Mount，可根據(jù)用戶需求更換物鏡。