地面成像和非成像地物光譜儀在不同水分環境下濕地植被光譜特征對比研究——以東洞庭湖濕地區域苔草植被光譜特征為例

引言

在較為復雜的濕地生態系統中，高光譜遙感憑借其成百上千波段數量、極高的光譜分辨率，以及波譜特征敏感的巨大優勢，在濕地資源遙感定量監測、濕地類型空間分布特征、濕地植被生理生態遙感反演等方面發揮重要的作用。濕地植被是濕地生態系統的重要組成部分，近些年國內外學者對濕地植被信息的高光譜遙感提取技術研究也非常廣泛和深入。林川、宮兆寧等基于光譜特征變量，研究了濕地典型植物生態類型識別方法。李鳳秀等通過實測不同蓋度和水深條件下的小葉樟灌層反射率和葉綠素濃度，基于可見光－近紅外波段建立相關植被指數，找出了與葉綠素有著最佳相關性波段組合的植被指數。鄒維娜等分析了蓋度與冠層水深對沉水植物水盾草光譜特性的影響，研究表明：不同蓋度的水盾草群落光譜反射率的基本特征主要體現在綠光和近紅外波段。Schmidt等使用野外便攜式地物光譜儀測量了荷蘭南部海岸鹽沼濕地的27種濕地植被的反射光譜，利用統計檢驗、連續統去除法以及距離分析法，最終篩選出了6個用于分類的最優波段。Zomer等使用野外便攜式光譜輻射計測定了美國加利福尼亞州帕切科溪鹽沼濕地7種濕地植被類型的冠層和葉片光譜，然后，利用得到的地物光譜曲線建立波譜庫，為基于高光譜遙感影像的濕地植被分類提供科學依據。

在這些研究中，主要是航空成像高光譜數據和地面非成像高光譜數據的研究和應用，但基于地面成像高光譜的濕地植被圖譜特征分析和監測技術方面的研究非常少，地物光譜儀雖可以對作物個體進行研究，但是它不能成像，采集的作物冠層光譜信息是混合的，使其構建的各種反演模型的精度受到限制。因此，本研究利用成像光譜儀和非成像地物光譜儀在濕地生態系統中最為敏感的水分環境下采集單一植被尺度的濕地植被苔草的葉片光譜信息，對比分析兩儀器獲得的高光譜反射差異，用地物光譜儀作標準，驗證成像光譜儀獲取數據的可靠性；然后，選取典型的植被指數探究在不同水分梯度環境的苔草植被光譜差異，為進一步研究地面成像光譜儀在高光譜濕地信息提取方向提供支持。

材料與方法

2.1 研究區概況

本研究選擇的試驗地點位于長江中下游荊江江段，湖南省東北部岳陽市境內的東洞庭湖，該區域是“國際濕地公約”收錄的由中國政府指定的國際重要濕地自然保護區之一。該區域地處亞熱帶濕潤氣候區，濕地類型和濕地植被都非常典型，日照充足，雨量充沛，有豐富的沉水、浮水和挺水植物。苔草大量成片分布在東洞庭湖濕地保護區內，屬于該濕地典型的植物種類。

2.2 實驗方案和測定方法

1）實驗方案利用土壤水分速測儀，測得集中分布的水分梯度環境，以苔草為例選擇了土壤水分分別為51%、32%、14%的3個苔草分布區域集中測量，對單一濕地植被類型尺度的成像光譜儀和地物光譜儀在的對比分析，實驗內容是不同土壤水分含量下和苔草植被指數的相關性分析，進而分析比較適合用于分類的土壤水分分布環境。

2）測定方法采用土壤水分測定儀測量不同水分梯度環境下的苔草分布樣點，然后采集SOC成像高光譜的數據，對原始數據進行反射率轉換，在轉換之前要先進行去除暗電流、波長定標、輻射定標等操作，去除電子噪聲。電子噪聲受操作環境影響，如環境溫度等，所以，在每次實驗開始時進行Dark測量并保存文件。然后進行波長定標和輻射定標。反射率轉換方法：利用實測的白板參考板、目標采集對象苔草，采用經驗線性法算出定標系數，然后提取反射率。苔草反射率=（苔草DN值/參考板DN值）×參考板反射率。參考板反射率是室內定標得到的值。最終通過成像高光譜軟件處理模塊可將圖像DN值轉換為反射率。

結果和分析

3.1 成像光譜數據分析

通過以上測定方法，在土壤水分分別為51%、32%、14%的3個苔草分布區域獲得有效的成像高光譜數據和非成像地物光譜儀數據各25組，總共75個樣本。將測量的數據進行后處理，得到苔草成像光譜數據預處理結果，并對原始成像光譜數據進行降噪處理，如圖1所示，可以清楚地看到在可見光、紅外、近紅外區域的苔草原始光譜曲線特征。通過數據整理和統計得到不同梯度的土壤水分分別為51%、32%、14%的環境下3個苔草分布區域的光譜特征曲線，將同區域采集到的非成像光譜數據整理如圖2所示。

圖 1 苔草成像光譜數據預處理結果

地面成像光譜儀和地物光譜儀測得不同水分梯度的苔草光譜在550nm和730nm處有強反射峰，750nm后有近紅外高反射平臺，690nm和970nm附近有明顯的吸收谷，兩種儀器測得的苔草光譜曲線特征基本保持一致的變化趨勢，但是，二者也有非常明顯的區別：

1）二者在相同水分環境下的苔草同區域葉片上獲得的反射率值大小不同，地面成像光譜儀在3個土壤水分環境下的苔草葉片光譜值都大于地物光譜儀所采集到的苔草葉片光譜反射值。

2）原始的地面成像光譜儀反射率曲線沒有地物光譜儀測出的原始光譜曲線平滑，波動變化較大，在近紅外波段較明顯，消除噪音后，在970nm處地面成像光譜儀反射率曲線波谷變化幅度更大（如圖2所示）。

圖 2 不同水分環境下 地面成像光譜儀和 地物光譜儀

從3種不同水分含量的環境下地面成像光譜儀反射率曲線分析，整體趨勢完全符合苔草植被光譜曲線特征，差異在于51%土壤水分下的苔草光譜曲線的特征區域（紅邊，綠邊，近紅外平臺）都表現出水分的影響直接關聯植被的光譜反射特征，且干涉幅度更大，變化更清晰，比較利于后續的光譜端元聚類分析。結果表明，通過應用成像光譜儀地面成像光譜儀在不同水分環境下單一植被尺度苔草的葉片光譜數據，分析3個水分梯度下葉片的反射率，可以得出成像光譜儀地面成像光譜儀的反射率曲線和地物光譜儀的趨勢相近，二者有很好的一致性，表現在550nm和730nm的反射峰，690nm和970nm的吸收谷，以及連續的近紅外反射平臺，這個結果和前人研究過的Hyperion、CHＲIS、CASI等星載高光譜儀得出的結論一致。

3.2 不同水分環境下的苔草成像光譜植被指數特性分析

為了進一步比較和分析植成像光譜儀和非成像光譜儀在苔草單一尺度下，不同水分環境對植被光譜的影響，我們采用多類植被指數分析的方法，對苔草植被信息特征進行分析。本研究選取前人常用的9種植被指數和濕地區域苔草在不同水分環境情況下進行分析，以地面成像光譜儀和地物光譜儀各自得到的數據進一步分析成像光譜儀SOC71數據的植被分析能力。選取如下植被指數（見表2）：

表 2 植被指數及公式

可見光植被指數：VAＲIgreen、VAＲI700、CAＲI；可見光/近紅外植被指數：NDVI、EVI、SＲ、DVI；紅邊比值指數：VOG3、Carter2。從圖3、表3中可以看出，地面成像光譜儀和地物光譜儀測量的不同水分環境下的苔草光譜數據計算出來的有代表性的該區域植被指數值，其中，成像光譜儀獲取的代表綠色植被反射敏感的可見光/近紅外指數特征的NDVI、EVI、SＲ和DVI值在3個水分環境條件下都表現出了非常直接的相關關系，隨著土壤水分的降低，這幾種指數呈現下降趨勢，與地物光譜儀獲取數據略高，和前面分析的光譜曲線特征有很好的一致性，數據可靠。

圖3 51%水分環境下的苔草成像光譜植被指數結果

表3 不同水分環境下的苔草純像元區域成像光譜植被指數結果

同樣，圖3和表3顯示在可見光和紅邊比值區域的結果也表現出很好的相關關系。總的來說，選取了3種可見光植被指數、4種可見光/近紅外植被指數、2種紅邊比值指數，共計9種植被指數分析成像光譜儀地面成像光譜儀與非成像光譜儀地物光譜儀在不同水分環境梯度下苔草植被的植被指數特征，計算結果表明所選擇的植被指數變化趨勢相同，說明成像光譜儀和地物光譜儀獲取的數據有很好的一致性。

4、結語

利用地面成像光譜儀成像光譜儀和地物光譜儀地物光譜儀在濕地區域獲取了典型濕地植被苔草光譜反射數據信息，并比較在不同水分環境下苔草純像元區域成像光譜特征和植被指數特征，從而了解和掌握了成像光譜儀在單一尺度的苔草區域的光譜特征。研究證明，成像光譜儀的優勢體現為可以在光譜成像圖像上精確地選擇研究范圍，能和葉片提取生理生化參數的部位達到一致。從兩儀器獲得的植被指數來看，成像光譜儀地面成像光譜儀得到的值相對于地物光譜儀更準確，從側面說明可見光譜數據可以確定選取區域，與生化參數同部位獲取，這樣可以提高植被生化相關參數提取的精度。綜上，成像光譜儀獲取的數據具有圖譜合一、光譜曲線特征可靠的特征，在濕地近地高光譜遙感研究中具有很大潛力，拓展了濕地資源遙感監測的技術手段。

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