定量研究濕地植被？新趨勢髙光譜遙感助力

發(fā)布日期：2018-11-30 00:00 瀏覽量：9511

現(xiàn)代遙感技術，己經構成地面、空中、太空3個立體層面，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)和高時間分辨率(分辨時間在半小時以內)3個方向發(fā)展。

高光譜遙感已成為對地觀測的強有力工具，它的出現(xiàn)使得遙感技術的應用可以在光譜這一維度上進行空間信息展開，準實時地獲取研究對象的影像和每個像元的光譜分布，允許對地面目標物直接識別并能對微弱光譜差異進行定量分析。

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量獲取感興趣物體的有關數(shù)據(jù)，其基礎是測譜學（Spectroscopy)。測譜學在20世紀就被用于識別分子、原子及其結構。而隨著遙感技術的不斷發(fā)展，遙感信息在波譜分辨率、時間分辨率和空間分辨率上都有了飛速的進展，尤其以光譜分辨率的提高為明顯發(fā)展趨勢。

高光譜遙感發(fā)展

20世紀80年代建立了成像光譜學（ 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)。對大量地球表面物質的光譜測量表明，不同的物體會表現(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寬度在4~5nm。對于普通的寬波段遙感源，如MSS和TM等(波段寬度在100~200nm間），就無法探測出那些具有診斷性光譜特征的地表物質。

高光譜遙感技術起步于80年代，發(fā)展于90年代，至今己經解決了一系列重大技術問題，目前正從實驗研究階段轉向實際應用階段，從航空系統(tǒng)為主轉向航空和航天高光譜遙感系統(tǒng)相結合的階段。國際上己有40多套遙感航空成像遙感儀正在運行，在實驗、研究和商業(yè)應用方面發(fā)揮著重要作用。相對于寬波段遙感，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劃分，把對植被的宏觀認知帶到了對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或地面工作平臺上。用于高光譜遙感的野外便攜式或者室內光譜儀一般是非成像的，它們可以測量目標物體的光譜特性，在野外或實驗室測量礦物、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，而且可以模擬和定標一切成像光譜儀器在升空之前的工作性能，這對于高光譜遙感的理解和應用是非常重要的。

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

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

其次，光譜測量學用來描述表面反射特性，以便為航空和航天傳感器定標。

再次，當有些應用不需要圖像數(shù)據(jù)時，光譜測量或低空測量不失為成本低廉、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線探頭獲取目標光線，經由模/數(shù)轉換器變成數(shù)字信號，進入計算機。整個測量過程由計算機通過操作員控制。

便攜式計算機控制光譜儀并實時將光譜測量結果顯示于屏幕上，為了測定目標光譜，需要測定三類光譜輻射值：

第一類，稱為暗光譜，即沒有光線進入光譜儀時由儀器記錄的光譜（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，為參考光譜或稱標準板白光，世界上是從較完美的勃朗體（漫輻射體）——標準板上測得的光譜；

第三類，為樣本光譜或目標光譜，是從感興趣的目標物上測得的光譜。

為了避免光飽和或光量不足，依照測量時候的光照條件和環(huán)境溫度需要調整光譜儀的測定時間。最后，感興趣目標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光輻射值得。

因此，目標反射光譜是個相對參考光譜輻射的比值（光譜反射率)。運用地物光譜輻射儀和空間遙感探測在時間上同步探測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合，分析并利用非參數(shù)U統(tǒng)計檢驗了互花米草（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，它在其光譜范圍內連續(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，它在其光譜范圍內連續(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，在光譜范圍內不連續(xù)采樣。

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

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

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)目遠遠多于多光譜圖像，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探測和分類問題；

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、可以實現(xiàn)植被生物化學成份（葉綠素、木質素、水分含量等等）定量填圖；

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