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定量研究湿地植被?新趋势髙光谱遥感助力

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2018-11-30

现代遥感技术,己经构成地面、空中、太空3个立体层面,正在向高空间分辨率(分辨率在10m以下〉、高光谱分辨率(分辨率为3~6nm)和高时间分辨率(分辨时间在半小时以内)3个方向发展。

 

高光谱遥感概念

 

高光谱遥感已成为对地观测的强有力工具,它的出现使得遥感技术的应用可以在光谱这一维度上进行空间信息展开,准实时地获取研究对象的影像和每个像元的光谱分布,允许对地面目标物直接识别并能对微弱光谱差异进行定量分析。

 

高光谱分辨率遥感( Hyperspectral remote sensing)是遥感发展的前沿之一,它利用很多很窄的电磁波波段测量获取感兴趣物体的有关数据,其基础是测谱学(Spectroscopy)。测谱学在20世纪就被用于识别分子、原子及其结构。而随着遥感技术的不断发展,遥感信息在波谱分辨率、时间分辨率和空间分辨率上都有了飞速的进展,尤其以光谱分辨率的提高为明显发展趋势。

 

高光谱遥感发展

 

20世纪80年代建立了成像光谱学( Imaging spectroscopy),它可以在电磁波的紫外、可见光、近红外、中红外以至热红外区域,获取许多非常窄而且光谱连续的图像数据。对大量地球表面物质的光谱测量表明,不同的物体会表现出不同的光谱反射和辐射特征,这种特征引起吸收蜂和反射蜂的波长宽度在4~5nm。对于普通的宽波段遥感源,如MSS和TM等(波段宽度在100~200nm间),就无法探测出那些具有诊断性光谱特征的地表物质。

 

高光谱遥感技术起步于80年代,发展于90年代,至今己经解决了一系列重大技术问题,目前正从实验研究阶段转向实际应用阶段,从航空系统为主转向航空和航天高光谱遥感系统相结合的阶段。国际上己有40多套遥感航空成像遥感仪正在运行,在实验、研究和商业应用方面发挥着重要作用。相对于宽波段遥感,髙光谱遥感把地物分类从植被,道路、耕地、居民区、水体等大类区分带到了同物种的不同品种精细划分,把对植被的宏观认知带到了对植物生化组分研究的微观境界,展现出巨大的诱人前景。

 

高光谱遥感光谱仪的应用

 

高光谱遥感需要覆盖一定波谱范围的成像光谱及非成像光谱仪作为传感器,一般搭载于不同飞行高度的飞机或地面工作平台上。用于高光谱遥感的野外便携式或者室内光谱仪一般是非成像的,它们可以测量目标物体的光谱特性,在野外或实验室测量矿物、植物或其它物体的光谱反射率、透射率及其它辐射率,不仅能帮助理解航空或航天高光谱遥感数据的性质,而且可以模拟和定标一切成像光谱仪器在升空之前的工作性能,这对于高光谱遥感的理解和应用是非常重要的。

 

野外光谱仪在自然环境下测得的高光谱数据可用于不同的遥感领域。

 

首先,野外光谱仪数据可供用来建立和测试描述表面方向性光谱反射和生物物理属性的关系。地表的辐射能抵达传感器是一个复杂的过程,受到多种因素影响,包括地面的生物物理性质、地表的宏观微观糙度、观测和光线照射的几何角度、大气状况等因素的影响。

 

其次,光谱测量学用来描述表面反射特性,以便为航空和航天传感器定标。

 

再次,当有些应用不需要图像数据时,光谱测量或低空测量不失为成本低廉、灵活的数据采集方法。

 

很多近年来新问世的高光谱分辨率光谱仪可以被用于多种研究目的,特别是地物光谱分析,如利用便携式光谱仪到野外测定各种覆被类型的光谱值,可帮助理解各种地物的光谱特征和提高不同种类遥感数据的分析应用精度。

 

地面非成像光谱仪的工作原理是由光谱仪通过光导线探头获取目标光线,经由模/数转换器变成数字信号,进入计算机。整个测量过程由计算机通过操作员控制。

 

便携式计算机控制光谱仪并实时将光谱测量结果显示于屏幕上,为了测定目标光谱,需要测定三类光谱辐射值:

第一类,称为暗光谱,即没有光线进入光谱仪时由仪器记录的光谱(通常是系统本身的噪声值,取决于环境和仪器本身温度);

第二类,为参考光谱或称标准板白光,世界上是从较完美的勃朗体(漫辐射体)——标准板上测得的光谱;

第三类,为样本光谱或目标光谱,是从感兴趣的目标物上测得的光谱。

为了避免光饱和或光量不足,依照测量时候的光照条件和环境温度需要调整光谱仪的测定时间。最后,感兴趣目标的反射光谱是在相同的光照条件下同步参考光辐射值除目标光辐射值得。

 

因此,目标反射光谱是个相对参考光谱辐射的比值(光谱反射率)。运用地物光谱辐射仪和空间遥感探测在时间上同步探测的方法正在被广大研究者采用,例如Artigas和Yang (2005)用空间高光谱影像和地面采集的盐沼多迹象反射光谱相结合,分析并利用非参数U统计检验了互花米草(Spartina alterniflora)和芦苇(Phragmites australis)的活力梯度。

 

高光谱分辨率遥感与传统遥感手段的比较

 

与传统遥感手段相比,高光谱分辨率遥感具有窄波段、多信道、图像与光谱合而为一的优点,它在其光谱范围内连续采样,而多光谱数据来源于传统的多光与传统遥感手段相比,高光谱分辨率遥感具有窄波段、多信道、图像与光谱合而为一的优点,它在其光谱范围内连续采样,而多光谱数据来源于传统的多光谱/宽光谱传感器,在光谱范围内不连续采样。

 

高光谱分辨率遥感以纳米级的超高光谱分辨率和几十或几百波段同时对地物成像,从而获得地物的连续光谱信息和更多的精细光谱信息。这些特征非常有利于地物的精细识别和分类,能大大改善对植被类型的识别和分类精度,提高植被参数的估测和反演精度。

 

具体来说,高光谱分辨率遥感与传统的遥感技术相比主要具有以下优势:

1) 光谱分辨率高。波段范围一般小于10 nm,且连续的光谱使得根据光谱数据库光谱直接匹配识别植被类型和土地覆盖类型成为可能;

2) 波段多。超多光谱波段使得根据混合光谱模型进行混合像元分解获取子像元信息的能力得到提高,波段数目远远多于多光谱图像,提供了更为丰富的信息,可以解决在多光谱遥感中不能解决的目标探测和分类问题;

3) 高光谱成像数据窄波段信道信息比多光谱扫描的宽波段信息具有较低的信噪比;

4)根据光谱获取的光谱吸收特征信息、可以实现植被生物化学成份(叶绿素、木质素、水分含量等等)定量填图;

5) 高光谱成像数据应用成像范围及应用领域比多光谱扫描数据的应用范围大,领域更广。


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