高光譜遙感在植被監(jiān)測(cè)中的研究綜述

高光譜遙感已成為地表植被地學(xué)過(guò)程對(duì)地觀測(cè)的強(qiáng)有力的工具，其特點(diǎn)是在特定光譜域以高光譜分辨率同時(shí)獲取連續(xù)的地物光譜圖像，使得遙感應(yīng)用著重于在光譜維上進(jìn)行空間信息展開，定量分析地球表層生物物理化學(xué)過(guò)程和參數(shù)。

傳統(tǒng)的植被指數(shù)如比值植被指數(shù)、垂直植被指數(shù)或綠度等，與植被生物量有較好的相關(guān)關(guān)系，但這些指數(shù)受外部條件如植被覆蓋率、葉子顏色和土壤顏色的影響較大，影響了這些指數(shù)的獲取精度。利用高光譜遙感導(dǎo)數(shù)光譜技術(shù)能消除上述因素的影響，直接反映植被葉面積指數(shù)、葉綠素含量等信息。

1高光譜遙感信息處理方法

1.1定標(biāo)與大氣糾正

高光譜遙感數(shù)據(jù)易受一些外部因素的影響，諸如遙感器老化、地物二向性反射、大氣效應(yīng)、地形因子等，這些因子會(huì)削弱高光譜遙感數(shù)據(jù)賴以區(qū)分地物的敏感性。高光譜遙感信息的光譜一圖像轉(zhuǎn)換，必須進(jìn)行定標(biāo)和大氣輻射校正，以消除這些因子的影響。

1.2光譜圖像增強(qiáng)

光譜圖像增強(qiáng)技術(shù)如光譜間的算術(shù)運(yùn)算可增強(qiáng)像元光譜的差異。其中，濾波運(yùn)算是廣泛采用的信息增強(qiáng)方法。濾波運(yùn)算，一方面是為了消除噪聲，突出目標(biāo)地物；另一方面也是為了方便進(jìn)一步的導(dǎo)數(shù)運(yùn)算。

1.3降維運(yùn)算

為了將高光譜遙感數(shù)據(jù)與常用的寬波段數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，有必要對(duì)它進(jìn)行降維處理。常用的降維方法都是通過(guò)卷積運(yùn)算得到低光譜分辨率數(shù)據(jù)。

1.4混合像元分解

圖像中每個(gè)像元均是一些最終單元(endmember)光譜的線性混合。由于高光譜遙感數(shù)據(jù)具有光譜波段劃分細(xì)、數(shù)量多等特點(diǎn)，有利于選擇各種單一地物光譜區(qū)分明顯的波段，將混合光譜反演成為單一光譜。

1.5光譜匹配

利用光譜數(shù)據(jù)庫(kù)光譜進(jìn)行光譜匹配可以直接識(shí)別地物成分。美國(guó)JPL最早發(fā)展了二值編碼光譜匹配，已用于單礦物的識(shí)別。

2植被參數(shù)分析

植被各種參數(shù)的反演是植被遙感的主要內(nèi)容之一。通過(guò)高光譜遙感植被指數(shù)技術(shù)可以提取植物生物物理參數(shù)的定量信息n。但在這一方面仍需要發(fā)展更適宜高光譜遙感的植被指數(shù)，并建立這些新指數(shù)與植被參量的定量聯(lián)系。

2.1歸一化指數(shù)

歸一化植被指數(shù)(NDVI)，被定義為近紅外波段(NIR)與可見光紅波段(R)數(shù)值之差和這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值。

2.2葉面積指數(shù)(LAI)

葉面積指數(shù)難以直接從遙感信息直接反演。國(guó)際上多用一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的反射模型來(lái)擬合：

由此模型推導(dǎo)得

吸收光合有效輻射(APAR)

植物冠層的光合有效輻射無(wú)論從理論和實(shí)驗(yàn)中都證明與反射值有聯(lián)系。遙感所得的APAR比LAI能更可靠地估計(jì)作物生物量，因?yàn)樽魑锏墓夂献饔眠^(guò)程直接把APAR能量轉(zhuǎn)換成干物質(zhì)，因此APAR是作物初級(jí)生產(chǎn)力的一個(gè)較好的指標(biāo)。

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//植被生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)

高光譜遙感的超多波段(幾十、上百個(gè))、光譜分辨率高(3～20nm)的特點(diǎn)，使其可探測(cè)植被的精細(xì)光譜信息(特別是植被各種生化組分的吸收光譜信息)，反演各組分含量，監(jiān)測(cè)植被的生長(zhǎng)狀況。

植被初級(jí)生產(chǎn)力與生物量

冠層的理化特性在一定程度上控制著森林的初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)。比如葉面積、葉厚度和氮含量通過(guò)控制光合作用和傳輸速率來(lái)影響NPP。

植物病蟲害監(jiān)測(cè)

植物病蟲害的監(jiān)測(cè)通過(guò)監(jiān)測(cè)葉子的生物化學(xué)成分來(lái)進(jìn)行。植物光譜維方向的特征信息主要集中在由植物葉片中生物化學(xué)成分含量的變化形成的吸收波形處。植物光譜的導(dǎo)數(shù)實(shí)質(zhì)上反映了植物內(nèi)部物質(zhì)(葉綠素及其它生物化學(xué)成分)的吸收波形的變化。

病蟲害感染導(dǎo)致葉子葉肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得葉子的光譜反射率也發(fā)生了變化。大豆受蠶豆斑點(diǎn)葡萄孢(Botrytis{abae)感染后，大豆反射率在可見光區(qū)變平坦，在近紅外的800nm處反射率降低。受感染的程度與可見光的反射率的相關(guān)性，一階導(dǎo)數(shù)比原始的反射率要高，可以用它來(lái)監(jiān)測(cè)病蟲害的感染情況。、運(yùn)用高光譜遙感還能監(jiān)測(cè)植被受空氣污染的狀況。Holer等發(fā)現(xiàn)受空氣污染地區(qū)多年的葉簇的紅邊位置比正常葉子向短波方向偏移了5nm(藍(lán)移)。在某些植被類型中，藍(lán)移還與重金屬含量偏高有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明藍(lán)移是林地受污染后在光譜上表現(xiàn)的細(xì)微變化，它可以作為監(jiān)測(cè)林地健康狀況的診斷指標(biāo)。

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//結(jié)語(yǔ)

(1)高光譜遙感作為一種新的遙感技術(shù)已經(jīng)在植被指數(shù)、植被葉面積指數(shù)、光合有效輻射等因子的估算中以及在植被生物化學(xué)參數(shù)分析、植被生物量和作物單產(chǎn)估算、作物病蟲害監(jiān)測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。

(2)選擇合適的反演算法是保證高光譜遙感信息反演精度的關(guān)鍵，它決定著消除遙感器

老化、大氣影響、地形效應(yīng)等因素影響的效果。要定量地對(duì)植被生物量和作物單產(chǎn)進(jìn)行估算，需要解決的問(wèn)題還很多。目前多用的是一些回歸算法，盡管離實(shí)用化還有一定的距離，但畢竟顯示了其應(yīng)用潛力。

(3)目前運(yùn)用地面研究與航空遙感進(jìn)行植被監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)較多，為將來(lái)應(yīng)用航天高光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行研究奠定了基礎(chǔ)。

(4)高光譜遙感數(shù)據(jù)量巨大，必須選擇適宜的數(shù)據(jù)壓縮算法以減少存貯空間需求。

審核編輯 黃昊宇