定量研究濕地植被？新趨勢髙光(guāng)譜遙感助力

發布日期：2018-11-30 00:00 浏覽量：7923

現代遙感技術，己經構成地面、空中、太空3個(gè)立體層面，正在向高(gāo)空間分(fēn)辨率（分(fēn)辨率在10m以下(xià)〉、高(gāo)光(guāng)譜分(fēn)辨率（分(fēn)辨率爲3~6nm)和(hé)高(gāo)時(shí)間分(fēn)辨率(分(fēn)辨時(shí)間在半小時(shí)以内)3個(gè)方向發展。

高(gāo)光(guāng)譜遙感概念

高(gāo)光(guāng)譜遙感已成爲對(duì)地觀測的(de)強有力工具，它的(de)出現使得(de)遙感技術的(de)應用(yòng)可(kě)以在光(guāng)譜這(zhè)一維度上進行空間信息展開，準實時(shí)地獲取研究對(duì)象的(de)影(yǐng)像和(hé)每個(gè)像元的(de)光(guāng)譜分(fēn)布，允許對(duì)地面目标物(wù)直接識别并能對(duì)微弱光(guāng)譜差異進行定量分(fēn)析。

高(gāo)光(guāng)譜分(fēn)辨率遙感（ Hyperspectral remote sensing)是遙感發展的(de)前沿之一，它利用(yòng)很多(duō)很窄的(de)電磁波波段測量獲取感興趣物(wù)體的(de)有關數據，其基礎是測譜學（Spectroscopy)。測譜學在20世紀就被用(yòng)于識别分(fēn)子、原子及其結構。而随著(zhe)遙感技術的(de)不斷發展，遙感信息在波譜分(fēn)辨率、時(shí)間分(fēn)辨率和(hé)空間分(fēn)辨率上都有了(le)飛(fēi)速的(de)進展，尤其以光(guāng)譜分(fēn)辨率的(de)提高(gāo)爲明(míng)顯發展趨勢。

高(gāo)光(guāng)譜遙感發展

20世紀80年代建立了(le)成像光(guāng)譜學（ Imaging spectroscopy)，它可(kě)以在電磁波的(de)紫外、可(kě)見光(guāng)、近紅外、中紅外以至熱(rè)紅外區(qū)域，獲取許多(duō)非常窄而且光(guāng)譜連續的(de)圖像數據。對(duì)大(dà)量地球表面物(wù)質的(de)光(guāng)譜測量表明(míng)，不同的(de)物(wù)體會表現出不同的(de)光(guāng)譜反射和(hé)輻射特征，這(zhè)種特征引起吸收蜂和(hé)反射蜂的(de)波長(cháng)寬度在4~5nm。對(duì)于普通(tōng)的(de)寬波段遙感源，如MSS和(hé)TM等(波段寬度在100~200nm間），就無法探測出那些具有診斷性光(guāng)譜特征的(de)地表物(wù)質。

高(gāo)光(guāng)譜遙感技術起步于80年代，發展于90年代，至今己經解決了(le)一系列重大(dà)技術問題，目前正從實驗研究階段轉向實際應用(yòng)階段，從航空系統爲主轉向航空和(hé)航天高(gāo)光(guāng)譜遙感系統相結合的(de)階段。國際上己有40多(duō)套遙感航空成像遙感儀正在運行，在實驗、研究和(hé)商業應用(yòng)方面發揮著(zhe)重要作用(yòng)。相對(duì)于寬波段遙感，髙光(guāng)譜遙感把地物(wù)分(fēn)類從植被，道路、耕地、居民區(qū)、水(shuǐ)體等大(dà)類區(qū)分(fēn)帶到了(le)同物(wù)種的(de)不同品種精細劃分(fēn)，把對(duì)植被的(de)宏觀認知帶到了(le)對(duì)植物(wù)生化(huà)組分(fēn)研究的(de)微觀境界，展現出巨大(dà)的(de)誘人(rén)前景。

高(gāo)光(guāng)譜遙感光(guāng)譜儀的(de)應用(yòng)

高(gāo)光(guāng)譜遙感需要覆蓋一定波譜範圍的(de)成像光(guāng)譜及非成像光(guāng)譜儀作爲傳感器，一般搭載于不同飛(fēi)行高(gāo)度的(de)飛(fēi)機或地面工作平台上。用(yòng)于高(gāo)光(guāng)譜遙感的(de)野外便攜式或者室内光(guāng)譜儀一般是非成像的(de)，它們可(kě)以測量目标物(wù)體的(de)光(guāng)譜特性，在野外或實驗室測量礦物(wù)、植物(wù)或其它物(wù)體的(de)光(guāng)譜反射率、透射率及其它輻射率，不僅能幫助理(lǐ)解航空或航天高(gāo)光(guāng)譜遙感數據的(de)性質，而且可(kě)以模拟和(hé)定标一切成像光(guāng)譜儀器在升空之前的(de)工作性能，這(zhè)對(duì)于高(gāo)光(guāng)譜遙感的(de)理(lǐ)解和(hé)應用(yòng)是非常重要的(de)。

野外光(guāng)譜儀在自然環境下(xià)測得(de)的(de)高(gāo)光(guāng)譜數據可(kě)用(yòng)于不同的(de)遙感領域。

首先，野外光(guāng)譜儀數據可(kě)供用(yòng)來(lái)建立和(hé)測試描述表面方向性光(guāng)譜反射和(hé)生物(wù)物(wù)理(lǐ)屬性的(de)關系。地表的(de)輻射能抵達傳感器是一個(gè)複雜(zá)的(de)過程，受到多(duō)種因素影(yǐng)響，包括地面的(de)生物(wù)物(wù)理(lǐ)性質、地表的(de)宏觀微觀糙度、觀測和(hé)光(guāng)線照(zhào)射的(de)幾何角度、大(dà)氣狀況等因素的(de)影(yǐng)響。

其次，光(guāng)譜測量學用(yòng)來(lái)描述表面反射特性，以便爲航空和(hé)航天傳感器定标。

再次，當有些應用(yòng)不需要圖像數據時(shí)，光(guāng)譜測量或低空測量不失爲成本低廉、靈活的(de)數據采集方法。

很多(duō)近年來(lái)新問世的(de)高(gāo)光(guāng)譜分(fēn)辨率光(guāng)譜儀可(kě)以被用(yòng)于多(duō)種研究目的(de)，特别是地物(wù)光(guāng)譜分(fēn)析，如利用(yòng)便攜式光(guāng)譜儀到野外測定各種覆被類型的(de)光(guāng)譜值，可(kě)幫助理(lǐ)解各種地物(wù)的(de)光(guāng)譜特征和(hé)提高(gāo)不同種類遙感數據的(de)分(fēn)析應用(yòng)精度。

地面非成像光(guāng)譜儀的(de)工作原理(lǐ)是由光(guāng)譜儀通(tōng)過光(guāng)導線探頭獲取目标光(guāng)線，經由模/數轉換器變成數字信号，進入計算(suàn)機。整個(gè)測量過程由計算(suàn)機通(tōng)過操作員(yuán)控制。

便攜式計算(suàn)機控制光(guāng)譜儀并實時(shí)将光(guāng)譜測量結果顯示于屏幕上，爲了(le)測定目标光(guāng)譜，需要測定三類光(guāng)譜輻射值：

第一類，稱爲暗光(guāng)譜，即沒有光(guāng)線進入光(guāng)譜儀時(shí)由儀器記錄的(de)光(guāng)譜（通(tōng)常是系統本身的(de)噪聲值，取決于環境和(hé)儀器本身溫度）；

第二類，爲參考光(guāng)譜或稱标準闆白光(guāng)，世界上是從較完美(měi)的(de)勃朗體（漫輻射體）——标準闆上測得(de)的(de)光(guāng)譜；

第三類，爲樣本光(guāng)譜或目标光(guāng)譜，是從感興趣的(de)目标物(wù)上測得(de)的(de)光(guāng)譜。

爲了(le)避免光(guāng)飽和(hé)或光(guāng)量不足，依照(zhào)測量時(shí)候的(de)光(guāng)照(zhào)條件和(hé)環境溫度需要調整光(guāng)譜儀的(de)測定時(shí)間。最後，感興趣目标的(de)反射光(guāng)譜是在相同的(de)光(guāng)照(zhào)條件下(xià)同步參考光(guāng)輻射值除目标光(guāng)輻射值得(de)。

因此，目标反射光(guāng)譜是個(gè)相對(duì)參考光(guāng)譜輻射的(de)比值（光(guāng)譜反射率)。運用(yòng)地物(wù)光(guāng)譜輻射儀和(hé)空間遙感探測在時(shí)間上同步探測的(de)方法正在被廣大(dà)研究者采用(yòng)，例如Artigas和(hé)Yang (2005)用(yòng)空間高(gāo)光(guāng)譜影(yǐng)像和(hé)地面采集的(de)鹽沼多(duō)迹象反射光(guāng)譜相結合，分(fēn)析并利用(yòng)非參數U統計檢驗了(le)互花米草(cǎo)（Spartina alterniflora）和(hé)蘆葦（Phragmites australis）的(de)活力梯度。

高(gāo)光(guāng)譜分(fēn)辨率遙感與傳統遙感手段的(de)比較

與傳統遙感手段相比，高(gāo)光(guāng)譜分(fēn)辨率遙感具有窄波段、多(duō)信道、圖像與光(guāng)譜合而爲一的(de)優點，它在其光(guāng)譜範圍内連續采樣，而多(duō)光(guāng)譜數據來(lái)源于傳統的(de)多(duō)光(guāng)與傳統遙感手段相比，高(gāo)光(guāng)譜分(fēn)辨率遙感具有窄波段、多(duō)信道、圖像與光(guāng)譜合而爲一的(de)優點，它在其光(guāng)譜範圍内連續采樣，而多(duō)光(guāng)譜數據來(lái)源于傳統的(de)多(duō)光(guāng)譜/寬光(guāng)譜傳感器，在光(guāng)譜範圍内不連續采樣。

高(gāo)光(guāng)譜分(fēn)辨率遙感以納米級的(de)超高(gāo)光(guāng)譜分(fēn)辨率和(hé)幾十或幾百波段同時(shí)對(duì)地物(wù)成像，從而獲得(de)地物(wù)的(de)連續光(guāng)譜信息和(hé)更多(duō)的(de)精細光(guāng)譜信息。這(zhè)些特征非常有利于地物(wù)的(de)精細識别和(hé)分(fēn)類，能大(dà)大(dà)改善對(duì)植被類型的(de)識别和(hé)分(fēn)類精度，提高(gāo)植被參數的(de)估測和(hé)反演精度。

具體來(lái)說，高(gāo)光(guāng)譜分(fēn)辨率遙感與傳統的(de)遙感技術相比主要具有以下(xià)優勢：

1) 光(guāng)譜分(fēn)辨率高(gāo)。波段範圍一般小于10 nm，且連續的(de)光(guāng)譜使得(de)根據光(guāng)譜數據庫光(guāng)譜直接匹配識别植被類型和(hé)土地覆蓋類型成爲可(kě)能；

2) 波段多(duō)。超多(duō)光(guāng)譜波段使得(de)根據混合光(guāng)譜模型進行混合像元分(fēn)解獲取子像元信息的(de)能力得(de)到提高(gāo)，波段數目遠(yuǎn)遠(yuǎn)多(duō)于多(duō)光(guāng)譜圖像，提供了(le)更爲豐富的(de)信息，可(kě)以解決在多(duō)光(guāng)譜遙感中不能解決的(de)目标探測和(hé)分(fēn)類問題；

3) 高(gāo)光(guāng)譜成像數據窄波段信道信息比多(duō)光(guāng)譜掃描的(de)寬波段信息具有較低的(de)信噪比；

4)根據光(guāng)譜獲取的(de)光(guāng)譜吸收特征信息、可(kě)以實現植被生物(wù)化(huà)學成份（葉綠素、木(mù)質素、水(shuǐ)分(fēn)含量等等）定量填圖；

5) 高(gāo)光(guāng)譜成像數據應用(yòng)成像範圍及應用(yòng)領域比多(duō)光(guāng)譜掃描數據的(de)應用(yòng)範圍大(dà)，領域更廣。