一、典型地物光譜特征分析

不同類型的地物具有獨(dú)特的光譜特征。通過分析光譜曲線之間的差異，可以有效地識(shí)別不同類型的地物。本章節(jié)繼續(xù)對(duì)研究區(qū)內(nèi)典型地物的原始光譜曲線進(jìn)行分析，然后采用不同的光譜數(shù)學(xué)變換方法對(duì)原始曲線進(jìn)行處理，增強(qiáng)地物之間的光譜差異，為后續(xù)的地物光譜特征波段篩選和地物分類提供基礎(chǔ)。

原始光譜特征分析

2.1 其他地物光譜特征分析

不同時(shí)期、不同傳感器的遙感影像所表現(xiàn)出來的同種地物的光譜特征也不同，根據(jù)不同光譜特征所采用的識(shí)別分類方法也有所區(qū)別，因此，對(duì)不同時(shí)期影像的不同地物進(jìn)行光譜特征分析是很有必要的。

2020年3月15日獲取的影像只包含了少量建設(shè)用地（研究區(qū)內(nèi)的道路）和裸灘，缺少居民地。建設(shè)用地和裸灘的光譜曲線趨勢(shì)幾乎相同，在865nm和940nm處建設(shè)用地的反射率小于裸灘，其余波段建設(shè)用地的反射率均大于裸灘，且大部分波段二者差異為0.1左右，說明建設(shè)用地和裸灘的可區(qū)分性大。2020年6月17日3類其它地物的光譜曲線趨勢(shì)相似，光譜差異明顯，可區(qū)分性強(qiáng)。居民地和建設(shè)用地在可見光區(qū)域反射率呈上升趨勢(shì)，裸灘光譜曲線平緩，且居民地和建設(shè)用地的反射率遠(yuǎn)高于裸灘，建設(shè)用地和居民地之間差異較小，反射率由高到低依次為：建設(shè)用地>居民地>裸灘；在近紅外區(qū)域，除最后一個(gè)波段外，其余波段的反射率順序依然是建設(shè)用地>居民地>裸灘，且三者之間的差異均衡，居民地和建設(shè)用地之間的差異增大?？傊摃r(shí)期其它地物之間差異顯著。2020年10月10日3類其它地物的反射率由高到低的順序與2020年6月17日的順序一致。區(qū)別在于該時(shí)期其它地物的光譜曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，三者之間在500nm之后的波長差異顯著，可分性強(qiáng)。2020年11月11日的3類其它地物光譜曲線趨勢(shì)相似，在510nm和760nm附近均形成一個(gè)明顯的反射峰，在440～550nm波長范圍內(nèi)，3類地物的反射率順序由高到低為：建設(shè)用地>居民地>裸灘，在550nm處裸灘反射率超過居民地，在550～880nm范圍內(nèi)，反射率順序變?yōu)榻ㄔO(shè)用地>裸灘>居民地，總體來看，3類其他地物有一定可分性。

圖9不同時(shí)期其它地物原始光譜均值曲線

2021年1月18日4類其它地物總體呈上升趨勢(shì)，裸灘反射率最低，且與其余3類差異明顯，可以區(qū)分識(shí)別，淺水灘在440～700nm范圍內(nèi)與居民地、建設(shè)用地的光譜曲線幾乎重合，在700nm之后，反射率高于居民地和建設(shè)用地，在該波長范圍內(nèi)可以被有效識(shí)別，建設(shè)用地和居民地的光譜曲線在全波段幾乎重合，需進(jìn)一步進(jìn)行變換，以放大二者的差異。

三、包絡(luò)線去除光譜特征分析

3.1 包絡(luò)線去除法

包絡(luò)線去除法是一種非線性方法，用于處理光譜曲線，通過標(biāo)準(zhǔn)化地物的光譜曲線，分析其反射和吸收特征。這種方法最初是Clark等人在反射光譜遙感方面提出的。該方法對(duì)于反射率較小且相似的波段非常有效，可以增強(qiáng)不同地物之間的光譜差異性，有助于進(jìn)行光譜曲線特征的數(shù)量比較，并篩選出具有代表性的特征波段，最終用于地物的分類和識(shí)別。原始光譜曲線可有效區(qū)分水體、植被和其它地物三大類，為了進(jìn)一步增強(qiáng)地物的吸收反射特征，獲取精細(xì)識(shí)別地物的特征波段，在大類可區(qū)分的基礎(chǔ)上，分別對(duì)研究區(qū)3大類地物的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)線去除，獲得其包絡(luò)線去除光譜曲線，本文利用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)地物原始反射率數(shù)據(jù)的包絡(luò)線去除變換。

3.2 水體包絡(luò)線去除光譜特征分析

在包絡(luò)線去除的光譜曲線中，可以清晰地觀察到不同地物的吸收特征，這些吸收特征通常出現(xiàn)在不同的波段，并且吸收強(qiáng)度也存在差異。

圖10不同時(shí)期水體包絡(luò)線去除均值光譜曲線

在2020年3月15日的包絡(luò)線去除光譜曲線中，可以看出，青色水體有2個(gè)吸收波段，第1個(gè)吸收波段位于443～580nm波長范圍內(nèi)，吸收強(qiáng)度較弱，第2個(gè)吸收波段位于596～926nm波長范圍內(nèi)，該吸收谷吸收強(qiáng)度大于第一個(gè)吸收波段；藍(lán)色水體有3個(gè)吸收波段，第1個(gè)吸收波段為443～490nm，吸收寬度僅有2個(gè)波段，第2個(gè)吸收波段為490～580nm，但吸收強(qiáng)度弱，第3個(gè)吸收波段吸收強(qiáng)度最大，為580～920nm波長范圍內(nèi)；藍(lán)綠色水體和深藍(lán)色水體只有1個(gè)吸收波段，均為443～920nm波長范圍內(nèi)，其光譜曲線趨勢(shì)相似，無法有效區(qū)分二者。

在2020年6月17日的包絡(luò)線去除光譜曲線中，青色水體和藍(lán)綠色水體均有3個(gè)吸收波段，深藍(lán)色水體有兩個(gè)吸收波段，青色水體吸收強(qiáng)度最強(qiáng)的吸收波段為596～910nm，藍(lán)綠色水體為640～910nm，深藍(lán)色水體為580～896nm，吸收強(qiáng)度最大處均為760nm處，且該波段處的吸收強(qiáng)度從大到小依次是：深藍(lán)色水體>青色水體>藍(lán)綠色水體，差異明顯，可以有效區(qū)分3類水體。

在2020年10月10日的包絡(luò)線去除光譜曲線中，3類水體的包絡(luò)線去除光譜曲線趨勢(shì)幾乎一致，在520～566nm波長范圍內(nèi)，均有1個(gè)小型強(qiáng)吸收波段，在該波段范圍內(nèi)，藍(lán)色水體的吸收強(qiáng)度最大處為550nm，而深藍(lán)色水體和藍(lán)黑色水體的均為536nm，且吸收強(qiáng)度從大到小依次是：藍(lán)黑色水體>深藍(lán)色水體>藍(lán)色水體；該時(shí)期包絡(luò)線去除光譜曲線吸收強(qiáng)度最大處位于686～716nm波長范圍內(nèi)，吸收強(qiáng)度差別不大，在700nm之后，深藍(lán)色水體和藍(lán)黑色水體曲線幾乎重疊，不可區(qū)分，二者吸收強(qiáng)度小于藍(lán)色水體。

在2020年11月11日的包絡(luò)線去除光譜曲線中，明顯可區(qū)分5類水體的波長為500nm處，吸收強(qiáng)度從大到小依次是：藍(lán)黑色水體>深藍(lán)色水體>藍(lán)綠色水體>藍(lán)色水體>青色水體，與原始光譜曲線的反射分析一致，在其余波段處均有不同程度的交叉重疊，不利于區(qū)分5類水體。在2021年1月18日的包絡(luò)線去除光譜曲線中，4類水體的包絡(luò)線去除光譜曲線趨勢(shì)相似，吸收波段一致，吸收強(qiáng)度有所不同，可以分為4個(gè)區(qū)間，分別為443～490nm、500～580nm、580nm～709nm和709～926nm。其中，青色水體和藍(lán)色水體在第4區(qū)間，最大吸收深度為0.12左右，符合青色水體和藍(lán)色水體高反射的特征，深藍(lán)色水體在第1、3、4區(qū)間的最大吸收深度相近，吸收深度在0.12～0.14范圍內(nèi)，藍(lán)黑色水體的最大吸收強(qiáng)度位于第1個(gè)吸收區(qū)間，吸收強(qiáng)度達(dá)到0.33，這與藍(lán)黑色水體的低反射，高吸收特性相符合?？傮w來說，在665～670nm波長范圍內(nèi)，4類水體可分性明顯。

3.3植被包絡(luò)線去除光譜特征分析

圖11各個(gè)時(shí)期植被均表現(xiàn)出明顯的植被特征，其中在可見光區(qū)域的吸收強(qiáng)度大于近紅外區(qū)域，符合植被在可見光區(qū)域反射率低、近紅外區(qū)域高反射的特性。不同種類的植被在不同的吸收波段表現(xiàn)出不同的吸收強(qiáng)度，而同一種植被在同一吸收波段的吸收強(qiáng)度也可能存在差異。通過包絡(luò)線去除變換后，植被在可見光區(qū)域吸收強(qiáng)度大的波段具有明顯差異，可以用于區(qū)分不同種類的植被。但在近紅外區(qū)域，不同種植被的光譜曲線存在嚴(yán)重的交叉重疊，光譜特征差異較小，因此不適合用于植被分類。2020年3月15日的3類植被包絡(luò)線去除光譜曲線中，蘆葦-南荻群落和薹草-虉草群落的“藍(lán)谷”特性不明顯；在650～700nm波長范圍內(nèi)，兩類植被的吸收強(qiáng)度最大，在可見光區(qū)域的絕大多數(shù)波段都明顯可分。而在近紅外區(qū)域，由于植被的高反射特性，植被吸收強(qiáng)度弱，差異小。

圖11不同時(shí)期植被包絡(luò)線去除均值光譜曲線

2020年6月17日的5類植被包絡(luò)線去除光譜曲線中，在500～550nm波長范圍內(nèi)，四類植被均表現(xiàn)出了由“藍(lán)谷”引起的小型吸收谷，但在吸收強(qiáng)度和吸收顯著度上有所不同，吸收深度從大到小依次為：薹草-虉草群落>林地>蘆葦-南荻群落>農(nóng)田，且農(nóng)田的吸收谷更為明顯，林地和薹草-虉草群落的吸收谷較小；四類植被的最大吸收深度依然是650～700nm的“紅谷”區(qū)域，農(nóng)田的吸收深度最小，林地和薹草-虉草群落的吸收深度最大，在可見光區(qū)域，林地和薹草-虉草群落的光譜曲線幾乎重疊，說明包絡(luò)線去除未能放大二者之間的差異，其余兩類植被可分性明顯。在近紅外區(qū)域，5類植被交叉重疊嚴(yán)重，不可依此區(qū)分識(shí)別。

圖12同種植被不同時(shí)期包絡(luò)線去除均值曲線

2020年10月10日的2類植被包絡(luò)線去除光譜曲線中，全波段來看，二者在某些波段有一定的可分性，例如，536nm、596～700nm、730～760nm和760～806nm波長范圍內(nèi)，但是差異并不顯著，最大吸收深度依然位于“紅谷”區(qū)域，二者之間的可區(qū)分識(shí)別波段需要進(jìn)一步定量分析來確定。2020年3月15日的3類植被包絡(luò)線去除光譜曲線中，4類植被在550nm附近均有一個(gè)吸收深度較深的吸收谷，對(duì)應(yīng)植被的“藍(lán)谷”，在該吸收谷處，林地的吸收深度最大，其余3類植被的吸收深度幾乎相同，在580～700nm波長范圍內(nèi)4類植被的差異明顯，吸收深度從大到小為：林地>農(nóng)田>蘆葦-南荻群落>薹草-虉草群落，在776～806nm波長范圍內(nèi)，4類植被也有一定差異，但是差異較小，是否能區(qū)分4類植被，還需要進(jìn)一步定量分析。2020年3月15日的3類植被包絡(luò)線去除光譜曲線中，由于冬季植被存在枯萎現(xiàn)象的原因，該時(shí)期植被的吸收反射較為混亂，以“紅谷”為例，林地的“紅谷”位于640nm處，蘆葦-南荻群落的位于670nm處，薹草-虉草群落的“紅谷”不明顯，其最大吸收深度位于580nm處，農(nóng)田的“紅谷”位于686nm處，但總體來看，4類植被在可見光區(qū)域的大多數(shù)波段差異明顯，可以認(rèn)為4類植被可以被區(qū)分。

圖12可以看出：林地、蘆葦-南荻群落以及薹草-虉草群落三類自然植被的最大吸收強(qiáng)度均發(fā)生在夏季，而農(nóng)田的最大吸收強(qiáng)度則在秋季，四類植被在冬季時(shí)吸收強(qiáng)度均最弱。

3.4其他地物包絡(luò)線去除光譜特征分析

整體來看，由于不同時(shí)期影像衛(wèi)星傳感器的差異，以及樣本選取存在的一定誤差，使得同種地物的吸收反射特征都存在一定差異。如2020年3月15日所示的包絡(luò)線去除后的光譜曲線，由于該時(shí)期原始光譜曲線的趨勢(shì)基本一致，所以，經(jīng)過包絡(luò)線去除變換后，二者光譜曲線趨勢(shì)依然很相似，但二者在大多數(shù)波段都有明顯的差異，光譜變換前后，2類地物的可區(qū)分性都很強(qiáng)。從2020年6月17日的光譜曲線可以看出，3類其它地物在可見光區(qū)域的吸收強(qiáng)度小于近紅外區(qū)域，最大吸收深度均位于746～760nm波長范圍內(nèi)，分析光譜曲線可以看出，在596～716nm和836～880nm范圍內(nèi)。3類其它地物光譜曲線差異顯著，可作為區(qū)分3類地物的依據(jù)。分析2020年10月10日的光譜曲線可知，在520～700nm波長范圍內(nèi)，3類其它地物的光譜曲線差異顯著，可認(rèn)為在此范圍內(nèi)，可有效區(qū)分3類地物，在近紅外區(qū)域，3類地物光譜曲線交叉重疊嚴(yán)重，差異小，不足以區(qū)分識(shí)別地物。2020年11月11日的其它地物包絡(luò)線去除變換后光譜曲線趨勢(shì)一致，3類地物均有3個(gè)吸收波段，分別為443～500nm、500～760nm和760～926nm。

圖13不同時(shí)期其它地物包絡(luò)線去除均值光譜曲線

在第1個(gè)吸收波段，3類地物在446～490nm范圍內(nèi)存在差異，吸收深度從大到小為：建設(shè)用地>居民地>裸灘；在第2個(gè)吸收波段，通過觀察可知，在531～560nm范圍內(nèi)，3類地物存在差異；在第3個(gè)吸收波段，在833～865nm范圍內(nèi)，3類地區(qū)存在差異，且相差0.1左右，因此，認(rèn)為該范圍可區(qū)分3類其它地物。從2021年1月18日的光譜曲線可以明顯看出，在可見光區(qū)域，裸灘的吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其余3類地物，達(dá)0.46，而其余3類地物在全波段都有交叉重疊現(xiàn)象，淺水灘在近紅外區(qū)域的高反射特征經(jīng)過變化反而與其余地物的差異變小了。

四、總結(jié)

南磯濕地受鄱陽湖水位影響，呈現(xiàn)復(fù)雜的濕地生境類型，且濕地內(nèi)存在南山和磯山兩個(gè)非濕地島嶼，濕地地物和非濕地地物構(gòu)成了復(fù)雜的地物類型，高光譜遙感的迅速發(fā)展為大范圍的地物精細(xì)分類提供重要研究思路。對(duì)地物進(jìn)行光譜特征分析以及識(shí)別光譜差異是高光譜遙感能夠精細(xì)分類的基礎(chǔ)，而對(duì)光譜差異特征波段進(jìn)行選擇和組合，從而使其能有效識(shí)別分類不同地物一直是高光譜研究的重難點(diǎn)之一?；诟吖庾V影像對(duì)地物的光譜特征，特征波段以及識(shí)別分類進(jìn)行研究，為大范圍區(qū)域的精細(xì)分類提供了便利，也對(duì)高光譜技術(shù)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。

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