?高光譜成像系統(tǒng)：湖南省典型植被光譜信息獲取與特征分析

一、引言

地物波譜特性是遙感技術(shù)應(yīng)用的物理基礎(chǔ)，波譜信息在遙感波段的選擇、遙感圖像數(shù)據(jù)處理分析和判讀、遙感定量反演及應(yīng)用等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。地面實測的地物光譜是遙感應(yīng)用成果的有力論證。為填補湖南省典型植被光譜信息的空白，方便其他研究者對湖南省或周邊省份進(jìn)行相關(guān)的研究，我們于湖南省衡陽市對典型植被樹種做了光譜信息采集，并分析了其光譜特征。

二、研究區(qū)概況

湖南省地處云貴高原向江南丘陵和南嶺山脈向江漢平原過渡的地帶，介于北緯24°38'-30°08'、東經(jīng)108°47'-114°15'之間，是我國南方的重點林區(qū)省之一，全省林業(yè)用地面積1299.8萬hm2，占全省總面積的61.4%。衡陽市位于湖南省的中南部，境內(nèi)植被類型眾多，有木本植物99科、342屬、1047種。

三、數(shù)據(jù)獲取及處理

經(jīng)過實地考察和文獻(xiàn)查閱，選定的當(dāng)?shù)氐湫土帜痉N類包括：板栗、香樟樹、泡桐、油桐、楝樹、竹子、柳樹、馬尾松、構(gòu)樹、杉樹、烏桕、油茶，共12種（圖1）。在采集足夠樣本后使用地物光譜儀進(jìn)行光譜信息的探測。

3.1光譜測量過程

數(shù)據(jù)獲取時間在2021年9月8-12日，時間段為每天的10：00-16：00，光譜測定均在晴朗、無云時進(jìn)湖南省地處云貴高原向江南丘陵和南嶺山脈向江漢平原過渡的地帶，介于北緯24°38'-30°08'、東經(jīng)108°47'-114°15'之間，是我國南方的重點林區(qū)省之一，全省林業(yè)用地面積1299.8萬hm2，占全省總面積的61.4%。衡陽市位于湖南省的中南部，境內(nèi)植被類型眾多，有木本植物99科、342屬、1047種。

3.2 數(shù)據(jù)處理

測量環(huán)境或者儀器性能影響會使數(shù)據(jù)產(chǎn)生一些噪聲,因此需要對數(shù)據(jù)做預(yù)處理以消除干擾。首先剔除誤差較大的數(shù)據(jù),為減小系統(tǒng)誤差獲得更接近真實值的數(shù)據(jù),取多次測量結(jié)果的平均值作為測定結(jié)果。使用Matlab軟件把數(shù)字表示的光譜信息繪制成連續(xù)的曲線,用圖的方式展現(xiàn)出來,更容易得到不同植被的光譜特點。為進(jìn)一步消除誤差,對光譜曲線圖做平滑處理。

3.3 光譜分析

根據(jù)植被光譜曲線特征，把所有植被分成三部分，便于不同樹種間的對比分析。劃分結(jié)果見圖2。

圖2 12種樹木光譜曲線

杉樹、竹子、馬尾松在所有波段的反射率都不超過50%，并且竹子和馬尾松的反射率都在40%以下。如圖3所示，三者在557nm處有一個小的反射峰，此處馬尾松的反射率最高接近10%，竹子和杉樹的反射率分別為6%和5%。670~760nm反射率急劇上升形成一個強烈的陡坡，是植被光譜曲線共有的特征，稱為“紅邊”。800nm之后杉樹有2處較高的反射峰，分別在在9300nm和1110nm處，2處峰寬較窄，特征比較明顯。800~930nm段馬尾松的反射率緩慢上升，竹子的反射率沒有大的起伏。竹子和馬尾松的光譜曲線在950nm處有小的吸收谷。

圖3杉樹、竹子、馬尾松光譜曲線

油茶和油桐在1080nm都具有較高反射率，油桐略高于油茶反射率超過了90%。由圖4可以看出在1000nm之前兩者的光譜曲線差異明顯。550nm處油茶的反射率為5.7%，而油桐高于油茶達(dá)到了13%，在675nm處的吸收谷油桐的光譜反射率比油茶反射率高3%。結(jié)合圖5中反射率的一階微分可以看出：770nm之后油桐的光譜曲線較為平緩，970nm有一處較寬的吸收谷；而油茶的光譜曲線有較大的起伏，在880nm處出現(xiàn)了一個吸收峰，同時在945nm處有一個較大的吸收谷。

圖4油桐、油茶光譜曲線

圖5 油桐、油茶在各波段反射率的一階導(dǎo)數(shù)

烏桕、板栗、構(gòu)樹、楝樹、柳樹、泡桐、香樟的光譜曲線繪制見圖6。從圖中可以明顯看出這幾種樹木光譜曲線的形狀非常相似：在綠光波段（550nm）有明顯的強反射，紅光波段（675nm）為葉綠素吸收峰，中紅外階段（1400nm）處有一個水的強吸收帶。綠光波段處的反射峰都在8%左右，紅光波段處的吸收峰都在5%左右，其中泡桐和構(gòu)樹在這兩處的反射率略低一些，其它樹種的反射率相差較小。在750~920nm光譜反射率都是平穩(wěn)上升，960nm處都出現(xiàn)了一個較寬的吸收谷。這幾種樹木的反射率在800nm處差異較大，反射率從高到低依次為泡桐、板栗、楝樹、構(gòu)樹、柳樹、烏桕、香樟。板栗、鏈樹、構(gòu)樹在800nm處的反射率非常接近，但在1070nm處三者的反射率差距增大。這幾種樹木的光譜反射率在1265nm差異更為明顯，由高到低依次為板栗、泡桐、構(gòu)樹、楝樹、烏桕、柳樹、香樟。

圖6烏桕、板栗、構(gòu)樹、鏈樹、柳樹、泡桐、香樟光譜曲線

四、總結(jié)

本文主要對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并用圖片的形式對植被光譜信息進(jìn)行展示，通過觀察植被的光譜曲線圖分析不同樹種的光譜特征，同時進(jìn)行對比找出不同樹種間的光譜信息差異。由于當(dāng)前遙感數(shù)據(jù)在植被方面的應(yīng)用主要使用可見光和近紅外波段，因此文中重點分析了波長在450~1000nm區(qū)間的光譜特征。數(shù)據(jù)獲取時間是在9月初，樹木生長茂盛，用于數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)健康狀態(tài)良好；使用的地物光譜儀在波長小于1000nm時具有小于3nm的光譜分辨率，完全可以滿足高光譜遙感對地面實測數(shù)據(jù)的要求。分析結(jié)果呈現(xiàn)了湖南省常見樹木的光譜特征，分析了可用于區(qū)分不同樹種的特征波段，為遙感技術(shù)在林業(yè)方面的應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

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審核編輯 黃宇