定量研究濕地植被？新趨勢(shì)髙光譜遙感助力

發(fā)布日期：2018-11-30 00:00 瀏覽量：8468

現(xiàn)代遙感技術(shù)，己經(jīng)構(gòu)成地面、空中、太空3個(gè)立體層面，正在向高空間分辨率（分辨率在10m以下〉、高光譜分辨率（分辨率為3~6nm)和高時(shí)間分辨率(分辨時(shí)間在半小時(shí)以內(nèi))3個(gè)方向發(fā)展。

高光譜遙感概念

高光譜遙感已成為對(duì)地觀測(cè)的強(qiáng)有力工具，它的出現(xiàn)使得遙感技術(shù)的應(yīng)用可以在光譜這一維度上進(jìn)行空間信息展開，準(zhǔn)實(shí)時(shí)地獲取研究對(duì)象的影像和每個(gè)像元的光譜分布，允許對(duì)地面目標(biāo)物直接識(shí)別并能對(duì)微弱光譜差異進(jìn)行定量分析。

高光譜分辨率遙感（ Hyperspectral remote sensing)是遙感發(fā)展的前沿之一，它利用很多很窄的電磁波波段測(cè)量獲取感興趣物體的有關(guān)數(shù)據(jù)，其基礎(chǔ)是測(cè)譜學(xué)（Spectroscopy)。測(cè)譜學(xué)在20世紀(jì)就被用于識(shí)別分子、原子及其結(jié)構(gòu)。而隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感信息在波譜分辨率、時(shí)間分辨率和空間分辨率上都有了飛速的進(jìn)展，尤其以光譜分辨率的提高為明顯發(fā)展趨勢(shì)。

高光譜遙感發(fā)展

20世紀(jì)80年代建立了成像光譜學(xué)（ Imaging spectroscopy)，它可以在電磁波的紫外、可見光、近紅外、中紅外以至熱紅外區(qū)域，獲取許多非常窄而且光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)。對(duì)大量地球表面物質(zhì)的光譜測(cè)量表明，不同的物體會(huì)表現(xiàn)出不同的光譜反射和輻射特征，這種特征引起吸收蜂和反射蜂的波長(zhǎng)寬度在4~5nm。對(duì)于普通的寬波段遙感源，如MSS和TM等(波段寬度在100~200nm間），就無法探測(cè)出那些具有診斷性光譜特征的地表物質(zhì)。

高光譜遙感技術(shù)起步于80年代，發(fā)展于90年代，至今己經(jīng)解決了一系列重大技術(shù)問題，目前正從實(shí)驗(yàn)研究階段轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用階段，從航空系統(tǒng)為主轉(zhuǎn)向航空和航天高光譜遙感系統(tǒng)相結(jié)合的階段。國(guó)際上己有40多套遙感航空成像遙感儀正在運(yùn)行，在實(shí)驗(yàn)、研究和商業(yè)應(yīng)用方面發(fā)揮著重要作用。相對(duì)于寬波段遙感，髙光譜遙感把地物分類從植被，道路、耕地、居民區(qū)、水體等大類區(qū)分帶到了同物種的不同品種精細(xì)劃分，把對(duì)植被的宏觀認(rèn)知帶到了對(duì)植物生化組分研究的微觀境界，展現(xiàn)出巨大的誘人前景。

高光譜遙感光譜儀的應(yīng)用

高光譜遙感需要覆蓋一定波譜范圍的成像光譜及非成像光譜儀作為傳感器，一般搭載于不同飛行高度的飛機(jī)或地面工作平臺(tái)上。用于高光譜遙感的野外便攜式或者室內(nèi)光譜儀一般是非成像的，它們可以測(cè)量目標(biāo)物體的光譜特性，在野外或?qū)嶒?yàn)室測(cè)量礦物、植物或其它物體的光譜反射率、透射率及其它輻射率，不僅能幫助理解航空或航天高光譜遙感數(shù)據(jù)的性質(zhì)，而且可以模擬和定標(biāo)一切成像光譜儀器在升空之前的工作性能，這對(duì)于高光譜遙感的理解和應(yīng)用是非常重要的。

野外光譜儀在自然環(huán)境下測(cè)得的高光譜數(shù)據(jù)可用于不同的遙感領(lǐng)域。

首先，野外光譜儀數(shù)據(jù)可供用來建立和測(cè)試描述表面方向性光譜反射和生物物理屬性的關(guān)系。地表的輻射能抵達(dá)傳感器是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到多種因素影響，包括地面的生物物理性質(zhì)、地表的宏觀微觀糙度、觀測(cè)和光線照射的幾何角度、大氣狀況等因素的影響。

其次，光譜測(cè)量學(xué)用來描述表面反射特性，以便為航空和航天傳感器定標(biāo)。

再次，當(dāng)有些應(yīng)用不需要圖像數(shù)據(jù)時(shí)，光譜測(cè)量或低空測(cè)量不失為成本低廉、靈活的數(shù)據(jù)采集方法。

很多近年來新問世的高光譜分辨率光譜儀可以被用于多種研究目的，特別是地物光譜分析，如利用便攜式光譜儀到野外測(cè)定各種覆被類型的光譜值，可幫助理解各種地物的光譜特征和提高不同種類遙感數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用精度。

地面非成像光譜儀的工作原理是由光譜儀通過光導(dǎo)線探頭獲取目標(biāo)光線，經(jīng)由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入計(jì)算機(jī)。整個(gè)測(cè)量過程由計(jì)算機(jī)通過操作員控制。

便攜式計(jì)算機(jī)控制光譜儀并實(shí)時(shí)將光譜測(cè)量結(jié)果顯示于屏幕上，為了測(cè)定目標(biāo)光譜，需要測(cè)定三類光譜輻射值：

第一類，稱為暗光譜，即沒有光線進(jìn)入光譜儀時(shí)由儀器記錄的光譜（通常是系統(tǒng)本身的噪聲值，取決于環(huán)境和儀器本身溫度）；

第二類，為參考光譜或稱標(biāo)準(zhǔn)板白光，世界上是從較完美的勃朗體（漫輻射體）——標(biāo)準(zhǔn)板上測(cè)得的光譜；

第三類，為樣本光譜或目標(biāo)光譜，是從感興趣的目標(biāo)物上測(cè)得的光譜。

為了避免光飽和或光量不足，依照測(cè)量時(shí)候的光照條件和環(huán)境溫度需要調(diào)整光譜儀的測(cè)定時(shí)間。最后，感興趣目標(biāo)的反射光譜是在相同的光照條件下同步參考光輻射值除目標(biāo)光輻射值得。

因此，目標(biāo)反射光譜是個(gè)相對(duì)參考光譜輻射的比值（光譜反射率)。運(yùn)用地物光譜輻射儀和空間遙感探測(cè)在時(shí)間上同步探測(cè)的方法正在被廣大研究者采用，例如Artigas和Yang (2005)用空間高光譜影像和地面采集的鹽沼多跡象反射光譜相結(jié)合，分析并利用非參數(shù)U統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)了互花米草（Spartina alterniflora）和蘆葦（Phragmites australis）的活力梯度。

高光譜分辨率遙感與傳統(tǒng)遙感手段的比較

與傳統(tǒng)遙感手段相比，高光譜分辨率遙感具有窄波段、多信道、圖像與光譜合而為一的優(yōu)點(diǎn)，它在其光譜范圍內(nèi)連續(xù)采樣，而多光譜數(shù)據(jù)來源于傳統(tǒng)的多光與傳統(tǒng)遙感手段相比，高光譜分辨率遙感具有窄波段、多信道、圖像與光譜合而為一的優(yōu)點(diǎn)，它在其光譜范圍內(nèi)連續(xù)采樣，而多光譜數(shù)據(jù)來源于傳統(tǒng)的多光譜/寬光譜傳感器，在光譜范圍內(nèi)不連續(xù)采樣。

高光譜分辨率遙感以納米級(jí)的超高光譜分辨率和幾十或幾百波段同時(shí)對(duì)地物成像，從而獲得地物的連續(xù)光譜信息和更多的精細(xì)光譜信息。這些特征非常有利于地物的精細(xì)識(shí)別和分類，能大大改善對(duì)植被類型的識(shí)別和分類精度，提高植被參數(shù)的估測(cè)和反演精度。

具體來說，高光譜分辨率遙感與傳統(tǒng)的遙感技術(shù)相比主要具有以下優(yōu)勢(shì)：

1) 光譜分辨率高。波段范圍一般小于10 nm，且連續(xù)的光譜使得根據(jù)光譜數(shù)據(jù)庫光譜直接匹配識(shí)別植被類型和土地覆蓋類型成為可能；

2) 波段多。超多光譜波段使得根據(jù)混合光譜模型進(jìn)行混合像元分解獲取子像元信息的能力得到提高，波段數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于多光譜圖像，提供了更為豐富的信息，可以解決在多光譜遙感中不能解決的目標(biāo)探測(cè)和分類問題；

3) 高光譜成像數(shù)據(jù)窄波段信道信息比多光譜掃描的寬波段信息具有較低的信噪比；

4)根據(jù)光譜獲取的光譜吸收特征信息、可以實(shí)現(xiàn)植被生物化學(xué)成份（葉綠素、木質(zhì)素、水分含量等等）定量填圖；

5) 高光譜成像數(shù)據(jù)應(yīng)用成像范圍及應(yīng)用領(lǐng)域比多光譜掃描數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍大，領(lǐng)域更廣。

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