植被冠層光譜和葉片光譜的尺度轉(zhuǎn)換

1引言

全球氣候變化和強(qiáng)人類活動深刻影響著自然界的水文循環(huán)過程，造成了水生態(tài)惡化、水環(huán)境污染、水災(zāi)害頻發(fā)以及水資源短缺等問題。為破解“四水”問題，新時期水利行業(yè)大力推進(jìn)“補(bǔ)短板”和“強(qiáng)監(jiān)管”業(yè)務(wù)工作。以對地觀測技術(shù)為核心的遙感技術(shù)具有監(jiān)測范圍廣、速度快、頻率高、成本低等優(yōu)勢，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于水利應(yīng)用工作中，其重要分支高光譜遙感在近幾年取得了飛速的發(fā)展，成為水利遙感中的新興技術(shù)。

高光譜遙感憑借窄波段成像技術(shù)，可在高分辨率的光譜維度上反映涉水地物的生物物理屬性，具有光譜分辨率高、探測地物信息能力強(qiáng)、所獲光譜信息豐富等優(yōu)勢。遙感技術(shù)在水利行業(yè)的大部分應(yīng)用可歸納為3個步驟：遙感數(shù)據(jù)的獲取、圖像處理與反演模型構(gòu)建、結(jié)果分析。高光譜遙感在這3個步驟中均體現(xiàn)出與以往遙感技術(shù)的不同：數(shù)據(jù)獲取方面，目前高光譜遙感數(shù)據(jù)主要來自機(jī)載或星載傳感器獲得的遙感影像和地面成像光譜儀的實(shí)測光譜數(shù)據(jù)，相較于以往的遙感數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著更精細(xì)的地物光譜信息，這對于光譜復(fù)雜的水體研究具有重要意義，高光譜遙感往往具有幾十甚至上百個波段，一定程度上突破了多光譜遙感因波段數(shù)較少而無法精確識別地物的局限；圖像處理方面，高光譜遙感影像波段多，數(shù)據(jù)維度高，為反演模型的構(gòu)建提供了更多的波段選擇，給水體輻射傳輸模型中部分參數(shù)的直接計(jì)算提供了條件，同時也衍生出數(shù)據(jù)冗余，圖像處理困難等問題；結(jié)果分析方面，模型精度高，反演水體要素效果較好。

近年來，高光譜遙感技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展使其在水利行業(yè)的應(yīng)用不斷深入，為水生態(tài)保護(hù)、水環(huán)境監(jiān)測等工作提供技術(shù)支持，在反演水質(zhì)參數(shù)、監(jiān)測藻類與水生植物生長狀況、水草和藻類精確識別等工作中取得了諸多進(jìn)展，在其他水利層面中也存在著一定的應(yīng)用潛力。因此，有必要針對高光譜遙感數(shù)據(jù)及其在水利研究中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，指出其應(yīng)用范圍、實(shí)際效果和現(xiàn)存問題，并充分結(jié)合新時期水利行業(yè)的應(yīng)用需求和高光譜遙感發(fā)展方向，展望未來高光譜遙感在水利行業(yè)的發(fā)展趨勢，為拓展高光譜遙感在水利行業(yè)的深度應(yīng)用提供參考。

2國內(nèi)外高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展

2.1高光譜遙感技術(shù)的成像原理和特點(diǎn)

高光譜遙感技術(shù)的核心為成像光譜儀，載有成像光譜儀的飛行器、衛(wèi)星沿推掃方向獲取目標(biāo)的二維空間圖像和一維光譜信息，形成三維數(shù)據(jù)立方體，成像過程如圖1所示。該技術(shù)可對地球表面上的目標(biāo)進(jìn)行信息提取，直接反映出被觀測物體的圖1高光譜成像示意圖幾何影像和理化信息，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)地物的探測、感知與識別。高光譜遙感數(shù)據(jù)具有高光譜分辨率、波段多、圖譜合一等特點(diǎn)，可以捕捉地物間細(xì)微的光譜差異，這在一定程度上彌補(bǔ)了多光譜遙感光譜分辨率不足所造成的缺陷，同時也產(chǎn)生了數(shù)據(jù)冗余、相鄰波段高相關(guān)性、圖像處理復(fù)雜等新問題。高光譜遙感與多光譜遙感的具體優(yōu)劣對比如表1所示。

圖1 高光譜成像示意圖

2.2光譜儀的發(fā)展

高光譜成像儀能以高光譜分辨率獲得地物目標(biāo)的多譜段影像。地物光譜儀最早出現(xiàn)，其后發(fā)展的成像光譜儀率先搭載于無人機(jī)等飛行器上，21世紀(jì)以后才出現(xiàn)了搭載于衛(wèi)星上的成像光譜儀。由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的機(jī)載可見光/紅外成像光譜儀誕生于1987年，是一臺革命性的成像光譜儀，推動了高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)光譜儀的研究機(jī)構(gòu)以中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所為首，先后研發(fā)出一系列性能達(dá)到國際先進(jìn)水平的機(jī)載成像光譜儀。按照所搭載的平臺進(jìn)行分類，高光譜成像光譜儀主要功能和具有代表性的光譜儀器如表2所示?；诓煌d荷平臺的高光譜遙感在近年來均取得一定的發(fā)展，不同的載荷平臺各有優(yōu)劣，如表3所示。在研究中，通常需要根據(jù)不同的實(shí)際情況，選取不同載荷平臺的高光譜數(shù)據(jù)，以滿足具體的應(yīng)用的需求。

表1高光譜遙感與多光譜遙感的優(yōu)劣對比

表2基于不同載荷平臺的成像光譜儀介紹

表3基于不同遙感平臺的光譜成像儀的優(yōu)缺點(diǎn)

2.3高光譜遙感衛(wèi)星的發(fā)展

21世紀(jì)初，搭載了Hyperion成像光譜儀的美國EO-1衛(wèi)星成功發(fā)射，開啟了航天高光譜遙感的時代，之后國內(nèi)外的高光譜衛(wèi)星技術(shù)均取得一定的突破。2001年10月歐空局發(fā)射的PROBA小衛(wèi)星，搭載了緊湊型高分辨率成像光譜儀。2005年8月，美國JPL發(fā)射的火星探測衛(wèi)星上搭載了緊湊探測成像光譜儀。印度于2008年10月發(fā)射的月船一號是其國內(nèi)首顆探月衛(wèi)星，搭載了印度自主研制的高光譜成像儀。俄羅斯衛(wèi)星星座Resurs-P3搭載了高光譜載荷，服務(wù)于俄羅斯的資源勘探、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)等行業(yè)。

我國首個星載光譜儀中分辨率成像光譜儀搭載于神州3號飛船上，發(fā)射于2002年，此后國內(nèi)星載成像光譜儀技術(shù)發(fā)展迅速。2008年發(fā)射了環(huán)境小衛(wèi)星，迄今為止，在我國的環(huán)境監(jiān)測方面發(fā)揮了巨大作用?，F(xiàn)階段高光譜遙感衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)入發(fā)展最為迅速的時期，在軌衛(wèi)星數(shù)量極大提高，我國也緊跟世界潮流，發(fā)射了一系列性能先進(jìn)的高光譜衛(wèi)星。國內(nèi)外其他典型高光譜衛(wèi)星如圖2所示。

圖2 國內(nèi)外典型的高光譜衛(wèi)星

高光譜遙感衛(wèi)星的不斷發(fā)展符合遙感天、空、地一體化的發(fā)展態(tài)勢，星載高光譜數(shù)據(jù)逐漸豐富，且空間分辨率、光譜分辨率和在軌定標(biāo)精度等方面不斷提高，提供了高精度、高質(zhì)量的遙感影像，為水質(zhì)監(jiān)測、水生態(tài)狀況監(jiān)測等水利行業(yè)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3高光譜遙感在水利研究中的應(yīng)用

21世紀(jì)初至今，社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人類活動頻繁等因素誘發(fā)了諸多水利問題，加之目前的部分水利監(jiān)測系統(tǒng)不完善，“四水”問題越發(fā)突出，如圖3所示。遙感具有大范圍、全天候的精準(zhǔn)動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，已被廣泛運(yùn)用到水利行業(yè)中，水利遙感應(yīng)運(yùn)而生，其發(fā)展也與時俱進(jìn)。近年來高光譜遙感在水生態(tài)以及水環(huán)境方面的應(yīng)用逐漸增多，水華和水生植物監(jiān)測以及水質(zhì)參數(shù)定量反演等工作的結(jié)果精度越來越高，在光譜差異較小的不同水生植物精準(zhǔn)識中也取得一定突破。在水災(zāi)害與水資源等研究中，現(xiàn)階段高光譜遙感的應(yīng)用較少，但也在縮短洪水響應(yīng)時間、識別洪水淹沒區(qū)域混合光譜以及提高水文數(shù)據(jù)的反演精度中發(fā)揮了一定的作用，具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖3 水利行業(yè)中存在的主要問題

高光譜遙感可獲取水體中不同物質(zhì)的光譜特征，因而對具有顯著光譜特征的水體要素反演效果較好，其原理為：對葉綠素a和懸浮物等光譜特征較為明顯的要素含量進(jìn)行直接反演，并通過其結(jié)果間接反演出其他水體要素，如總氮、總磷、化學(xué)需氧量及藻類等水生植物含量等。目前的高光譜遙感反演模型主要分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头治瞿Ｐ停?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)用廣泛，模型原理簡單，結(jié)果精度較高但普適性較差。分析模型則是基于水體輻射傳輸原理，通過傳輸公式由遙感數(shù)據(jù)反向計(jì)算水體中各組分的含量，該類模型普適性較好，結(jié)果精度高，但建模難度大。在高光譜遙感的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同的工作需求，合理地發(fā)揮高光譜遙感的優(yōu)勢。

3.1高光譜遙感在水生態(tài)研究中的應(yīng)用

目前國內(nèi)外諸多水域的水生態(tài)狀況不佳，內(nèi)陸湖泊及水庫存在著水華暴發(fā)、水體富營養(yǎng)化等問題。遙感技術(shù)憑借其大面積實(shí)時監(jiān)測的優(yōu)勢，已然成為現(xiàn)階段水生態(tài)監(jiān)測的主要手段之一。近年來國內(nèi)外學(xué)者圍繞典型內(nèi)陸水體展開了一系列光譜測量實(shí)驗(yàn)，揭示了水體中不同組分的反射率光譜差異，以往的多光譜遙感光譜分辨率較低，所選波段往往不能恰好位于光譜曲線的“峰或谷”處，因而降低了反演模型的精度。高光譜遙感以其極高的光譜分辨率可彌補(bǔ)這一缺陷，通過選取最合適的波段構(gòu)建反演模型，從而提高水體組分的反演精度，以實(shí)現(xiàn)水華、藻類植物、水生植物的精準(zhǔn)監(jiān)測。

3.1.1水華監(jiān)測

遙感技術(shù)可對水華災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時大范圍的動態(tài)監(jiān)測，有助于人們掌握水華的空間分布以及變化規(guī)律，從而為防治水華提供參考?；诙喙庾V遙感數(shù)據(jù)的植被指數(shù)閾值法可以區(qū)分水華和普通水體，但難以區(qū)分水華和水生植物。通過藍(lán)藻水華的光譜曲線得知其在630nm附近具有的反射谷，在650nm附近具有反射峰，基于此原理通過波段比值或者波峰波谷處的光譜特征等參量來構(gòu)建反演模型，多光譜遙感的光譜分辨率較低，難以精確捕捉光譜信息。而高光譜遙感擁有更細(xì)致的光譜，可在納米級別獲取連續(xù)的光譜信息，從而選取更靠近特征波段處的波段進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻水華的精確監(jiān)測。

Kudela等，以美國加利福尼亞州的平托湖為研究區(qū)域，使用高光譜紅外成像儀，采用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒ūO(jiān)測該地區(qū)的藍(lán)藻水華狀況，結(jié)果表明平托湖的水華現(xiàn)象表現(xiàn)出強(qiáng)烈的季節(jié)性。還有科研人員綜合衛(wèi)星、機(jī)載和地面實(shí)測數(shù)據(jù)評估了在監(jiān)測加利福尼亞海岸帶巨藻生物量和生理狀態(tài)變化的效果。

近年來我國的高光譜衛(wèi)星發(fā)展迅速，許多科研院所與流域機(jī)構(gòu)借助環(huán)境小衛(wèi)星、高分五號和歐比特系列衛(wèi)星針對太湖、巢湖、洞庭湖等湖泊以及部分水庫展開了一系列的水華監(jiān)測工作，在精度上對比以往的多光譜數(shù)據(jù)源具有顯著提高。高光譜分辨率的影像數(shù)據(jù)在精準(zhǔn)監(jiān)測水華發(fā)揮了重要作用，但仍存在一些局限，其空間分辨率需進(jìn)一步提高以滿足小型湖泊、水庫等小型水域的藍(lán)藻水華監(jiān)測，此外，部分商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取也存在一定的限制。

3.1.2藻類群落與水生植物的監(jiān)測

藻類群落以及水生植物的生物量及分布是水生態(tài)治理的重要參考，例如藍(lán)藻大量繁殖是水華暴發(fā)的主要原因，監(jiān)測水體中的藍(lán)藻變化可對水華做出更準(zhǔn)確的預(yù)測與預(yù)警。內(nèi)陸水體組分較為復(fù)雜，生物種類繁多，各種生物之間光譜差異較大，多光譜遙感監(jiān)測可用波段數(shù)較少，難以完成水體中各個要素的針對性監(jiān)測與識別。高光譜遙感多波段的優(yōu)勢為監(jiān)測模型的建立提供更多選擇，結(jié)合由光譜儀獲取的藻類、水生植物的光譜特征，從而建立藻類群落及水生植物的監(jiān)測模型，對其生長狀況以及分布進(jìn)行監(jiān)測。

近幾年無人機(jī)在野外調(diào)查中逐漸普及，搭載了高光譜成像儀的無人機(jī)終端已經(jīng)普遍投入到水生態(tài)監(jiān)測的一系列工作中，諸如中科普光，航天宏圖等國內(nèi)公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)載高光譜系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化，為水生態(tài)的監(jiān)測帶來變便利。科研人員利用無人機(jī)系統(tǒng)對大型藻類群落進(jìn)行監(jiān)測研究，將由高光譜影像得出的光譜曲線和實(shí)測光譜曲線做出對比，指出高光譜遙感給光譜復(fù)雜的大型藻類監(jiān)測研究提供了條件。還可以利用無人機(jī)載高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測淹沒水生植物，指出該技術(shù)能夠有效、多時相地監(jiān)測低濁度和良好光學(xué)傳輸?shù)臏\水河中的藻類和淹沒水生植被。有的科研人員以太湖為研究區(qū)，利用高光譜儀的實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了浮游植物和CDOM（有色可溶性有機(jī)物）的光譜吸收系數(shù)在太湖的時空分布特征，建立了基于生物光學(xué)模型和固有光學(xué)量的浮游植物光譜吸收及CDOM的反演模型，從而對浮游植物數(shù)量進(jìn)行監(jiān)測。

除藍(lán)藻水華外，水體中其他藻類也有著一定的研究價值。例如水體中優(yōu)勢藻類，熒光光譜特征、吸收光譜特征以及反射率光譜特征均可作為遙感識別依據(jù)，充分利用高光譜遙感數(shù)據(jù)所帶來的豐富光譜信息，內(nèi)陸水體優(yōu)勢藻類高光譜分類識別在未來有著一定的發(fā)展空間。

3.1.3水華與水草的識別

以往的利用多光譜遙感監(jiān)測水華和水草的分布無法消除由二者光譜相似性所帶來的影響，監(jiān)測結(jié)果存在一定的誤差。精準(zhǔn)的草藻識別對于提高水質(zhì)參數(shù)的反演精度有一定的意義，高光譜遙感善于捕捉地物間細(xì)微的光譜差異，在水華與水草的識別中發(fā)揮了重要的作用。李俊生等通過高光譜遙感識別方法研究了太湖的水華和水草，通過水面光譜測量實(shí)驗(yàn)對水華和典型水生植物的反射率光譜進(jìn)行測量，采用的ASD光譜儀具有較高的光譜分辨率，可捕捉水體中各種生物的光譜差異，建立了光譜指數(shù)以及判別公式，并進(jìn)行驗(yàn)證，證明公式識別效果較好。地面實(shí)測實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)對水華水草的識別，但其工作較為繁瑣，研究范圍有限。隨著星載高光譜成像儀的發(fā)展，基于衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的水華水草識別的研究逐漸增多。朱慶等以太湖為研究區(qū)域，利用葉綠素a光譜指數(shù)并結(jié)合藍(lán)藻蛋白基線構(gòu)建了水華和水草的識別模型，基于多景海岸帶高光譜成像儀（HICO）影像得出了整個太湖的水華水草分布圖（圖4），水華水草的平均提取精度較高。洪韜利用葉綠素a光譜指數(shù)并結(jié)合藍(lán)藻蛋白基線構(gòu)建了水華和水草的識別模型的方法對太湖區(qū)域進(jìn)行水草水華的研究，使用整體性能參數(shù)較高的國產(chǎn)珠海一號高光譜衛(wèi)星（OHS）數(shù)據(jù)，識別結(jié)果如圖5所示，較能反映太湖水華與水草分布的實(shí)際狀況。

注：A為假彩色合成圖；B為水華和水草提取結(jié)果。

圖4 基于HICO影像的太湖水華水草提取結(jié)果

3.2高光譜遙感在水環(huán)境研究中的應(yīng)用

人類改變生存環(huán)境的同時誘發(fā)了一系列水環(huán)境問題，如水質(zhì)惡化、水環(huán)境質(zhì)量差以及城市黑臭水體增多等，近年來，水環(huán)境污染的防治逐漸成為水利部和流域機(jī)構(gòu)的重要工作之一。水質(zhì)參數(shù)的遙感反演，本質(zhì)上是一個參數(shù)估計(jì)的問題，即：將光譜曲線的變化通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蚍治瞿Ｐ团c水質(zhì)參數(shù)情況聯(lián)系起來，因此光譜曲線變化特征的獲取成為水質(zhì)參數(shù)反演精度的關(guān)鍵。寬波段的多光譜遙感是水環(huán)境遙感的主要數(shù)據(jù)，但其難以精確獲取水體的光譜信息。高光譜遙感的出現(xiàn)為內(nèi)陸水體水環(huán)境監(jiān)測提供了新的契機(jī)，它可以更精準(zhǔn)地獲取各種常見水質(zhì)參數(shù)的光譜特征，對于葉綠素a、懸浮物等具有明顯光譜的水質(zhì)參數(shù)反演效果較好，并以此間接反演透明度、濁度、藻類生物量、總氮總磷以及化學(xué)需氧量等其他水環(huán)境要素。

圖5 太湖OHS數(shù)據(jù)水華水草提取結(jié)果

3.2.1反演葉綠素a濃度

富營養(yǎng)化程度是衡量湖泊生態(tài)治理的指標(biāo)，藻類的大量繁殖是造成湖泊富營養(yǎng)化的主要原因，葉綠素a在藻類中占有的比例較為穩(wěn)定，因此葉綠素a濃度對于調(diào)查湖泊的富營養(yǎng)化程度具有重要意義。葉綠素a的吸收系數(shù)光譜特征表現(xiàn)為2個吸收峰，通常位于440nm和675nm附近，因675nm處受其他水體要素影響較小，因此常用675nm附近的特征光譜反演葉綠素a濃度。目前，高光譜遙感在葉綠素a的反演中取得了諸多進(jìn)展。

從反演模型上來看，國內(nèi)外學(xué)者大多使用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯θ~綠素a進(jìn)行反演，例如一階微分模型，波段比值模型，三波段模型等。早期有國外學(xué)者利用AVIRIS數(shù)據(jù)進(jìn)行過葉綠素a的反演效果驗(yàn)證，比如以荷蘭的艾瑟爾湖為研究區(qū)，利用AVIRIS數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了矩陣反演模型，提出了從水下輻照提取了葉綠素濃度的方法，在當(dāng)時取得了不錯的效果，隨著不同的高精度模型被提出以及更優(yōu)質(zhì)的高光譜數(shù)據(jù)源的出現(xiàn)，該模型現(xiàn)在運(yùn)用較少。還有以700nm附近處的反射峰波長為光譜特征參量建立單波段模型反演保加利亞湖泊的葉綠素a，模型擬合度高達(dá)0.93。有的運(yùn)用波段比值模型，基于Hyperion高光譜影像反演了南四湖葉綠素a濃度的分布，與實(shí)測情況較為吻合。韋安娜等以鄱陽湖為例，基于高分5號數(shù)據(jù)，通過窮舉法建立了葉綠素a濃度三波段反演模型，反演精度較好。李俊生等以梅梁灣為研究區(qū)，通過半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，基于高光譜影像反演了太湖梅梁灣的葉綠素濃度分布圖，并取得了較好的結(jié)果，指出了CHRIS高光譜影像數(shù)據(jù)在內(nèi)陸水質(zhì)監(jiān)測中具有巨大潛力。

分析模型涉及水體輻射傳輸方程，參數(shù)較多，整體建模難度較大，但其反演精度一般高于半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。結(jié)合實(shí)測水體固有光學(xué)量，通過構(gòu)建物理分析模型對水色參數(shù)進(jìn)行估算，并與半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥龀鰧Ρ?，指出分析模型的精度更高。潘邦龍等基于HJ-1A星的高光譜數(shù)據(jù)與實(shí)測光譜數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于空間八鄰域與遺傳算法的葉綠素a反演模型，獲得較高的反演精度，指出高光譜空譜聯(lián)合遙感反演的可行性。

高光譜遙感的發(fā)展為分析模型的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，以往的多光譜遙感難以得到模型方程中部分參數(shù)的精確值，需引入經(jīng)驗(yàn)公式代替，而高光譜遙感波段數(shù)多達(dá)數(shù)百個，使得原先需要用經(jīng)驗(yàn)方法近似估測的參數(shù)可以直接被計(jì)算，除此之外，利用高光譜遙感數(shù)據(jù)可提取反演對象的特征波段，以此結(jié)合反演參數(shù)的生物、化學(xué)屬性進(jìn)行分析，進(jìn)而使的模型的物理意義更加明確，易于分析誤差來源。

從數(shù)據(jù)源上來看，許多高光譜遙感數(shù)據(jù)均已被用于反演葉綠素a濃度，得到了較好的反演結(jié)果，機(jī)載數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充也在國內(nèi)一些湖泊與水庫的葉綠素a反演取得了運(yùn)用。以MarkTwain湖為例，將機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)通過偏最小二乘法建立回歸關(guān)系，對葉綠素a，懸浮物等參數(shù)的檢測精度均達(dá)到0.7以上。潘梅娥等太湖為研究區(qū)，基于HJ-1的HSI高光譜數(shù)據(jù)，通過建立了混合光譜分解模型反演葉綠素a濃度，該方法一定程度上消除了混合像元干擾，取得了較高的反演精度。洪韜利用珠海一號高光譜數(shù)據(jù)與地物光譜儀ASD測量的水體反射率，建立了珠海一號高光譜衛(wèi)星的反射率值與實(shí)測葉綠素a濃度之間的關(guān)系，對洞庭湖的葉綠素a濃度進(jìn)行了反演并得到其空間分布（圖6）。

圖6OHS反演洞庭湖Chl-a濃度分布

高光譜遙感反演葉綠素a濃度的研究在逐漸增加，但星載高光譜技術(shù)較難得到具有高空間分辨率的影像，空間維度上信息獲取不足，而機(jī)載高光譜遙感具有高空間、高時間分辨率的優(yōu)勢，受到了越來越多遙感水質(zhì)監(jiān)測工作人員的青睞。

3.2.2測量水體中懸浮物濃度

水中的無機(jī)物、有機(jī)物、泥沙、黏土、微生物等懸浮物沉積后易厭氧發(fā)酵，提高水域的渾濁度，進(jìn)一步惡化了水質(zhì)。內(nèi)陸水體光學(xué)特性比較復(fù)雜，在高懸浮物濃度的渾濁水體中，一些組分會削弱藻類植物反射率的光譜特征，不同的懸浮物成分、濃度以及粒徑分布對水體反射率波譜特征造成的影響也不同，以上因素給遙感監(jiān)測水生態(tài)，水環(huán)境的效果造成了負(fù)面影響。

懸浮物的光譜特征較寬，利用多光譜遙感數(shù)據(jù)也可以獲得較高的反演精度。Richard基于MODIS的1波段（620~670nm）數(shù)據(jù)，通過半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头囱萘吮蹦鞲鐬车膽腋∥餄舛龋Y(jié)果精度較高。但多光譜方法也存在一定的局限性，祝令亞等，以太湖為研究區(qū)域，基于MODIS數(shù)據(jù)通過經(jīng)驗(yàn)方法構(gòu)建反演懸浮物反演模型，結(jié)論指出該模型在太湖的不同湖區(qū)適用性不同。由此可見以往的多光譜遙感反演懸浮物難以普遍獲取較高的精度。

近年來高光譜遙感的發(fā)展為提高懸浮物濃度的監(jiān)測精度做出一定貢獻(xiàn)，由更加精細(xì)的光譜特征曲線分析得知，懸浮物的光譜特征在700~850nm較為明顯，在700~850nm存在著氧氣吸收通道（760nm）和2個水汽吸收通道（720nm，820nm），這些通道會給反演造成誤差。高光譜遙感的優(yōu)勢在于有多個波段可以選擇，從而避免了以上3個通道所造成的誤差影響。同時，高光譜遙感波段數(shù)較多，為模型的構(gòu)建提供了較多的選擇，往往可以找到反演的最佳波段，從而進(jìn)一步提高了懸浮物的反演精度。

余哲修等以滇池為研究區(qū)，構(gòu)建了基于倒數(shù)變換的多元逐步回歸模型，基于HJ-1A星的影像反演了懸浮物濃度，結(jié)果如圖7所示，并通過克里格插值法對采集水樣進(jìn)行了懸浮物濃度的空間插值分析，以驗(yàn)證HSI影像反演的精度，通過驗(yàn)證指出反演精度較好。殷子瑤等基于珠海一號高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以684nm與540nm波段處的反射率構(gòu)建比值模型反演了于橋水庫的懸浮物濃度，反演結(jié)果精度較高，模型相對誤差為8.6%。KennethA等利用明尼蘇達(dá)州主要河流的機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)影像，以水體固有光學(xué)量和光譜數(shù)據(jù)計(jì)算得到的表觀光學(xué)量建立分析模型，反演了河水的懸浮物濃度，指出700nm處是該研究區(qū)測量懸浮物濃度的最佳波段，模型擬合度達(dá)到了0.77~0.93。張兵以太湖為研究區(qū)，通過生物光學(xué)模型對懸浮物等參數(shù)進(jìn)行反演，并以航空高光譜遙感器WHI和航天高光譜遙CHRIS獲取的圖像對反演方法進(jìn)行了檢驗(yàn)，綜合評價了不同平臺的高光譜遙感研究方法的優(yōu)劣。

圖7 滇池懸浮物濃度反演結(jié)果

3.2.3測量泥沙含量

傳統(tǒng)的泥沙含量測量方法取樣工作量大，監(jiān)測覆蓋面窄，時效性差。早期人們主要利用Landsat產(chǎn)品與國產(chǎn)高分衛(wèi)星產(chǎn)品進(jìn)行泥沙含量的反演，而隨著高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展和光譜儀技術(shù)的成熟，憑借高光譜數(shù)據(jù)光譜豐富的優(yōu)勢，進(jìn)一步深入了對水色、濁度以及透明度的研究，進(jìn)而提高了泥沙含量測量的精度。

楊光源等，利用HJ-1A星獲得的HSI高光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)品，以北海市為研究區(qū)，分析了水體懸浮泥沙的光譜特征，利用單波段模型和多波段模型對研究區(qū)河口附近的近岸淺水區(qū)進(jìn)行懸浮泥沙的濃度反演，結(jié)果證明單波段的指數(shù)模型反演效果較好。萬慶余等以黃土高原的幾種常見土壤為實(shí)驗(yàn)樣品介紹了利用高光譜遙感技術(shù)分析泥沙含量過高而導(dǎo)致的水污染類型和強(qiáng)度的方法。

通過遙感懸監(jiān)測浮物濃度仍存在一些缺陷，在水體泥沙濃度過高的區(qū)域，測量深度有限，只能達(dá)到水體頂端向下幾米的范圍。目前國內(nèi)外對泥沙含量的遙感反演研究很少選擇內(nèi)陸河流作為研究區(qū)域，尤其是山區(qū)河流，而高光譜遙感精準(zhǔn)識別地物的特點(diǎn)為地質(zhì)情況復(fù)雜，水文特征多變的山區(qū)河流泥沙研究提供條件，在未來，研究人員可借助高光譜遙感對此類地區(qū)開展更多的研究。

3.3高光譜遙感在水災(zāi)害方面的應(yīng)用

洪水遙感的目標(biāo)是迅速且精準(zhǔn)地監(jiān)測洪水淹埋面積、洪水水深以及洪水持續(xù)時間等主要特征?，F(xiàn)階段的水體淹沒范圍多采用多光譜遙感技術(shù)或雷達(dá)提取來確定，存在著遙感數(shù)據(jù)波段數(shù)目少、波譜不連續(xù)、光譜分辨率低等缺陷，對于成分較為復(fù)雜的洪水水體識別存在著一定的困難，高光譜遙感可作為多光譜遙感和雷達(dá)技術(shù)的補(bǔ)充，以其精準(zhǔn)的光譜識別能力，可以對水體淹沒地物存在的混合光譜做更細(xì)致的分析，從而提取更準(zhǔn)確的水體淹沒范圍。

星載高光譜遙感的發(fā)展為水災(zāi)害監(jiān)測提供了新的條件。伴隨著搭載了Hyperion傳感器的EO-1衛(wèi)星投入使用，洪水等水災(zāi)害響應(yīng)的時間大大縮減，Hyperion影像具有高光譜分辨率、高空間分辨率的特征，為水體信息的提取提供了更好的條件。王向成等通過對遼東灣地區(qū)典型地物的光譜曲線進(jìn)行測定與分析，基于Hyperion影像數(shù)據(jù)提出了快速自動提取水體信息的斜率法，實(shí)現(xiàn)了快速且準(zhǔn)確的進(jìn)行水體信息的自動提取與分類，為洪水、海嘯等災(zāi)害提供研究基礎(chǔ)。

3.4高光譜遙感在水資源研究方面的應(yīng)用

全球變暖和人類改造自然行為致使流域水循環(huán)物理過程與轉(zhuǎn)化機(jī)制發(fā)生改變，原有的水資源評價方法也需改進(jìn)以更好地滿足人們掌握水資源總體狀況需要。遙感技術(shù)全天候，大面積的監(jiān)測優(yōu)勢使其在水資源的監(jiān)測與保護(hù)中發(fā)揮了重要作用，具體體現(xiàn)在利用遙感監(jiān)測土壤水、地下水、地表水，估算蒸散發(fā)量、降雨量等方面。高光譜遙感在水資源監(jiān)測中發(fā)揮了一定作用，通過高光譜的圖像分析，可以提取出更精細(xì)水文地質(zhì)信息，為開發(fā)、保護(hù)和管理水資源提供參考。

就監(jiān)測和反演土壤水來說，利用微波遙感、雷達(dá)等技術(shù)提取土壤水的提取精度已可以滿足部分工作需求，不同波段的遙感反演各有優(yōu)劣，表6給出不同波段遙感反演土壤水的優(yōu)劣對比。

表6 不同波段遙感反演土壤水的優(yōu)劣對比

高光譜遙感可作為遙感反演土壤水的數(shù)據(jù)源補(bǔ)充，其優(yōu)勢體現(xiàn)在可獲取連續(xù)的光譜曲線，從而更好地捕捉不同季節(jié)，不同地區(qū)土壤的細(xì)微的變化，建立土壤反射率與土壤含水量的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測。此外高光譜的混合像元分解技術(shù)，可同時獲取各個組分的光譜信息和混合比例信息，這對監(jiān)測植被覆蓋區(qū)域的土壤水具有重要的意義，一定程度上減小了植被在土壤水監(jiān)測所帶來誤差。

ET（蒸騰蒸發(fā)量）的估算是制定灌溉計(jì)劃、水庫水損失估算、徑流預(yù)測的研究依據(jù)，是水利行業(yè)的重要應(yīng)用之一。高光譜遙感估算ET研究進(jìn)行較早，早在2005-2006年國內(nèi)外許多學(xué)者就已使用更詳細(xì)的高光譜數(shù)據(jù)結(jié)合地表實(shí)測數(shù)據(jù)和大氣數(shù)據(jù)，改善了ET的空間估算方法，但由于數(shù)據(jù)短缺的限制，這些方法并未取得推廣。ET的估算涉及的研究區(qū)范圍普遍較大，且要求數(shù)據(jù)的時間分辨率較高，因此目前的高光譜遙感在估算ET方面的應(yīng)用一直存在著數(shù)據(jù)量不足的局限。在未來，隨著高光譜數(shù)據(jù)數(shù)量的不斷積累，覆蓋范圍的擴(kuò)大，高光譜遙感有望在ET估算應(yīng)用中取得更多的應(yīng)用。

4高光譜遙感技術(shù)在水利研究應(yīng)用中的優(yōu)勢和問題

4.1高光譜遙感技術(shù)在水利研究應(yīng)用中的優(yōu)勢

高光譜遙感的出現(xiàn)在一定程度上突破了以往水利遙感存在的局限，它能夠獲取水體中各種物質(zhì)的光譜特性，大大提升了水體要素的反演精度，除此之外高光譜遙感還能進(jìn)行水體要素的分類識別，比如不同藻類，藻類和水草之間的識別，不同應(yīng)用的原理以及體現(xiàn)的高光譜遙感優(yōu)勢如表7所示。

表7高光譜遙感典型應(yīng)用的原理及優(yōu)勢

4.2高光譜遙感技術(shù)在水利研究應(yīng)用中面臨的問題

現(xiàn)階段的高光譜遙感在水利行業(yè)的應(yīng)用正處于發(fā)展階段，從數(shù)據(jù)上來說，高光譜遙感涉及的數(shù)據(jù)包含實(shí)測光譜數(shù)據(jù)、機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)、星載高光譜數(shù)據(jù)，前兩者需要實(shí)測獲取，部分星載數(shù)據(jù)來自商業(yè)衛(wèi)星，其獲取也存在一定的限制。整體來看，目前可用的高光譜遙感較為短缺且不易獲取。除此之外，其在理論方法及模型構(gòu)建等方面還未成熟，仍面臨著一系列問題。

4.2.1水體要素半經(jīng)驗(yàn)反演模型需進(jìn)一步優(yōu)化

以往的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H依靠遙感數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來建立，存在一定缺陷。高光譜遙感為模型構(gòu)建提供了更多波段選擇，其所獲取的水體要素光譜曲線也給人們分析波段的物理意義提供基礎(chǔ)，可幫助人們建立精度更高，物理意義更明確的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

而半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建仍面臨著一些問題，其中最主要的問題為波段的選擇與波段組合形式。比值、三波段、四波段模型是主要的水體要素半經(jīng)驗(yàn)反演模型，但高光譜遙感波段數(shù)通常為幾十個至上百個，現(xiàn)階段半經(jīng)驗(yàn)反演模型波段利用效率普遍較低。研究人員應(yīng)該在水體要素光譜特征分析的基礎(chǔ)上，合理選取波段或波段組合，提高波段利用效率以構(gòu)建更完善的高光譜水體要素半經(jīng)驗(yàn)反演模型。

4.2.2構(gòu)建水體要素分析模型困難

分析模型的構(gòu)建依賴于復(fù)雜的水體輻射傳輸模型，而現(xiàn)存的分析模型幾乎都要引入經(jīng)驗(yàn)公式來確定部分參數(shù)，一般將引入經(jīng)驗(yàn)公式的分析模型稱為半分析模型。半分析模型中的各參數(shù)均具有明確的物理意義，確立高光譜遙感數(shù)據(jù)和水體輻射傳輸方程中各個參數(shù)與的關(guān)系有助于半分析模型的構(gòu)建。而水體輻射傳輸過程受大氣影響較大以及水體光學(xué)特性影響較大，導(dǎo)致傳感器接收的離水輻射信號較弱，目前的水體固有光學(xué)量數(shù)據(jù)積累較少，大氣模型精度有待提高，這些因素造成了高光譜遙感半分析模型的構(gòu)建較為困難。

4.2.3高光譜遙感影像處理復(fù)雜

高光譜遙感影像可近似視為三維數(shù)據(jù)立方體，數(shù)據(jù)維度高，數(shù)據(jù)量大，這意味著其必然存在數(shù)據(jù)冗余，圖像處理困難等問題。目前僅針對高光譜影像開發(fā)的影像處理軟件較少，因此高光譜遙感影像的高效率處理是一個亟待解決的問題。

機(jī)載數(shù)據(jù)成本高，觀測范圍有限，大范圍的湖泊、水庫以及城市河網(wǎng)的水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測必須借助大量遙感影像，因此批量快速地處理高光譜遙感影像對于推廣其應(yīng)用具有重要意義。研究人員可以考慮通過選取有效波段，進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)降維等方法優(yōu)化高光譜遙感影像的處理過程，另外在未來還應(yīng)研發(fā)專門處理高光譜遙感影像的工具與軟件。

5高光譜遙感技術(shù)在水利研究應(yīng)用中的發(fā)展方向

目前高光譜遙感在水利行業(yè)中的應(yīng)用主要集中在水環(huán)境和水生態(tài)方面的不同水生植物精細(xì)分類識別中，在水資源監(jiān)管和水災(zāi)害調(diào)查等方面，高光譜遙感還未取得突破性進(jìn)展。結(jié)合目前高光譜遙感水利應(yīng)用所面臨的問題，給出以下展望。

5.1構(gòu)建典型水利要素標(biāo)準(zhǔn)波譜數(shù)據(jù)集

遙感研究以地物光譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，國外的USGS、ASTER、HyspIRI等波譜庫以及國內(nèi)的中國典型地物波譜庫、地物反射光譜特征數(shù)據(jù)庫等均是涉及領(lǐng)域較多，建設(shè)年代較早的波譜庫。內(nèi)陸水體光學(xué)特征復(fù)雜且隨地域和季節(jié)的變化較大，在成像光譜技術(shù)還未成熟時，很難建立較為完備且有針對性的標(biāo)準(zhǔn)波譜數(shù)據(jù)集。

高光譜成像儀以其多譜段，高光譜分辨率的特點(diǎn)可以獲得豐富的地物光譜信息，為建立高精度的地物波譜庫提供基礎(chǔ)。隨著近幾年水利遙感的不斷發(fā)展，研究人員應(yīng)根據(jù)需求，利用高光譜成像儀在不同尺度和時間情況下，對常見水文要素，洪水淹沒后地物混合光譜，不同地區(qū)水域的葉綠素、典型水生植物、藻類、懸浮物等水利要素的波譜進(jìn)行更精確的測量與提取，并以此構(gòu)建更完備的典型水利要素標(biāo)準(zhǔn)波譜數(shù)據(jù)庫，一定程度上減輕實(shí)驗(yàn)前復(fù)雜的光譜測量的工作量，為水利要素的遙感精準(zhǔn)識別與定量提取提供基礎(chǔ)。

5.2多平臺高光譜載荷水利要素協(xié)同監(jiān)測與多源遙感數(shù)據(jù)的融合

近幾年航空航天高光譜遙感技術(shù)發(fā)展迅速，高光譜遙感的載荷平臺不斷豐富。研究人員應(yīng)根據(jù)具體工作需求合理選取不同平臺或多平臺結(jié)合的研究方法。大范圍宏觀層面的趨勢分析可以選取大范圍多時相的星載高光譜遙感影像，小范圍微觀層面的精準(zhǔn)反演可以選取機(jī)載高光譜遙感影像。總之，多平臺協(xié)同監(jiān)測有助于提高反演效率，節(jié)約工作成本，充分發(fā)揮不同平臺的優(yōu)勢。

星載高光譜遙感影像普遍具有空間分辨率低的缺陷，因此可以考慮將光譜分辨率較高的高光譜遙感影像同空間分辨率較高的高分影像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，充分發(fā)揮不同數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，為水利行業(yè)提供更多的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)。

5.3水利高光譜遙感信息智能挖掘的新方法

人們對于海量數(shù)據(jù)的挖掘和應(yīng)用需求日益增長。高光譜遙感較高的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)維度所造成的數(shù)據(jù)冗余問題使其圖像處理較為復(fù)雜，從高光譜數(shù)據(jù)中快速而精準(zhǔn)地挖掘出水利行業(yè)所需要的信息是推廣高光譜遙感在水利行業(yè)應(yīng)用的必要條件。

機(jī)器學(xué)習(xí)可以通過樣本訓(xùn)練進(jìn)行數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，從數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的自動化處理，極大地提高了高光譜遙感圖像處理的工作效率，而目前面向水利要素的高光譜遙感樣本庫較少，制約著水利高光譜遙感圖像自動分類算法的精度和效率。另外，通過耦合水文物理模型和人工智能模型，有助于進(jìn)一步提高水利高光譜遙感信息定量識別和精度，從而更好地滿足水利行業(yè)多樣化的應(yīng)用需求。

6結(jié)論與討論

高光譜遙感以其數(shù)據(jù)采集的時效性、地物光譜測量的準(zhǔn)確性，外加融合多源數(shù)據(jù)共同監(jiān)測的全面性幫助人們客觀準(zhǔn)確地認(rèn)知水利要素的光譜成像機(jī)理，提高了地物信息精細(xì)分類和識別的精度，迄今為止在內(nèi)陸水體監(jiān)測、典型水質(zhì)參數(shù)反演、水生態(tài)狀況調(diào)查等方面展開了應(yīng)用并取得了一系列成果。

近年來成像技術(shù)不斷突破，成像儀的光譜分辨率已然達(dá)到納米級，波段數(shù)達(dá)到數(shù)百個，高光譜遙感的光譜分辨率將更加精細(xì)。大面陣高分辨率探測器技術(shù)不斷提高，改善了影像的空間分辨率。衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展縮短了衛(wèi)星重訪周期，高光譜遙感數(shù)據(jù)的時間分辨率也將大幅度提高。這一系列的改變促使高光譜遙感朝著定量化的方向發(fā)展，與此同時越來越多載有高光譜成像儀的衛(wèi)星成功發(fā)射豐富了高光譜遙感的數(shù)據(jù)源，更多種類的高光譜數(shù)據(jù)將會被發(fā)掘并投入使用，不斷擴(kuò)大高光譜遙感技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用范圍。

高光譜遙感數(shù)據(jù)短缺與高光譜影像信息提取困難是當(dāng)前高光譜遙感所面臨的主要問題，面向新時期水利行業(yè)的應(yīng)用需求，需要聚焦高光譜遙感新數(shù)據(jù)、新載荷，開展水利遙感與人工智能交叉學(xué)科之間的新方法、新理論以及新思路的研發(fā)，不斷改善高光譜遙感存在的缺陷。在未來，高光譜遙感將蓬勃發(fā)展，為破解四水問題和新時期水利行業(yè)服務(wù)提供更先進(jìn)的技術(shù)支撐。

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審核編輯 黃昊宇