基于無人機(jī)高光譜遙感的荒漠化草原地物分類研究1.0

一、引言

生態(tài)系統(tǒng)是生物與環(huán)境構(gòu)成的統(tǒng)一整體，是相互依存、相互制約、緊密聯(lián)系的有機(jī)自然系統(tǒng)，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提，必須統(tǒng)籌兼顧、多措并舉，全方位、全過程開展生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)。

中國是世界第二草原大國，草原類型較多，其中荒漠草原是我國西北干旱半干旱區(qū)主要的草原生態(tài)系統(tǒng)類型之一，常年氣候干燥，植被組成貧乏且結(jié)構(gòu)簡單，生物多樣性差，生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱，是向荒漠過渡的一類草原，對(duì)于保障干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)完整性發(fā)揮著重要作用?；哪菰脖蝗郝渖a(chǎn)力較低、穩(wěn)定性較差，對(duì)自然和人類活動(dòng)的干擾較為敏感。

本研究利用無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)采集荒漠化草原遙感數(shù)據(jù)，運(yùn)用人工智能圖像分類技術(shù)，解決荒漠化草原地物分類與識(shí)別問題，具有自動(dòng)化程度高、分類精度高等特點(diǎn)，是草原退化調(diào)查監(jiān)測(cè)行之有效的方法，對(duì)于荒漠化草原生態(tài)保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、研究區(qū)概況

2.1研究區(qū)概況

四子王旗中部為荒漠草原，北部是草原化荒漠，氣候類型屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，本文選取位于四子王旗境內(nèi)的荒漠化草原作為研究區(qū)，四子王旗是畜牧業(yè)的天然牧場(chǎng)，但四子王旗地下水補(bǔ)給主要來源于降水入滲，地下水排泄以蒸發(fā)為主，蒸發(fā)量是降水量的8倍，使得四子王旗水資源嚴(yán)重不足，進(jìn)一步加劇了土壤風(fēng)蝕、草地干旱、退化的進(jìn)程。

圖6研究區(qū)域位置及其衛(wèi)星圖像

2.2植被特征

四子王旗總面積為 241.52萬公頃，牧區(qū)草場(chǎng)總面積為199.9萬公頃。無人機(jī)采集數(shù)據(jù)區(qū)域地處溫帶草原向干旱荒漠過渡的荒漠化草原，植被株叢呈現(xiàn)破碎化分布，覆蓋面積為4.61公頃。大量枯落物沉積其中，成為獨(dú)特的結(jié)構(gòu)層次。植被草層低矮稀疏，蓋度為5%～20%，研究區(qū)植被組成種類較為匱乏，建群種為短花針茅，優(yōu)勢(shì)種為無芒隱子草、冷蒿，主要伴生種為櫛葉蒿等，如圖7所示，其他植物有豬毛菜、木地膚、阿爾泰狗尾花、細(xì)葉蔥、狹葉錦雞兒、小葉錦雞兒、銀灰旋花、冬青葉兔唇花、二裂委陵菜等20多種。其中短花針茅、冷蒿、櫛葉蒿、無芒隱子草是該地區(qū)四種主要植物。

圖7研究區(qū)4種主要植物

2.3土壤特征

四子王旗境內(nèi)土壤共有6種類型，分別為栗鈣土、棕鈣土、草甸土、山地黑土、灰土和鹽土。本試驗(yàn)區(qū)土壤類型以淡栗鈣土為主，土壤厚度約為1m，在40～50cm處出現(xiàn)鈣積層，土壤堅(jiān)硬且透水通氣能力差，土壤PH值為8.38，有機(jī)物含量低，土壤礦質(zhì)元素組成特點(diǎn)是低氮、少磷、高鉀，全碳含量16.01g/kg，全氮含量1.67g/kg，全磷含量0.64g/kg，全鉀含量37.87g/kg。

三、數(shù)據(jù)采集

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

獲取高光譜成像數(shù)據(jù)目的是解譯內(nèi)蒙古荒漠化草原地物分布信息，無人機(jī)高光譜遙感圖像采集系統(tǒng)是針對(duì)小型旋翼無人機(jī)開發(fā)的高性價(jià)比機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)，為高光譜成像技術(shù)在草地生態(tài)資源勘測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖8無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)

3.2野外調(diào)查及樣方布置

野外調(diào)查包含樣方定位、設(shè)置樣方、樣方編號(hào)、記錄標(biāo)記物及拍攝樣方照片等內(nèi)容，如圖11所示。選擇單種植被局部相對(duì)密集區(qū)域，以大于草總量90%的草種確定樣方所屬草種，設(shè)置植被純樣方。2021年野外無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)采集選擇在植物長勢(shì)比較茂盛的7月上旬進(jìn)行。無人機(jī)采集空中數(shù)據(jù)不設(shè)置樣方框，植被種類由標(biāo)記物指示，一個(gè)樣方可采集多幅圖像數(shù)據(jù)。共設(shè)置純種地物樣方20個(gè)，設(shè)置混合植被樣方20個(gè)。

圖11野外調(diào)查

3.3數(shù)據(jù)采集

內(nèi)蒙古荒漠化草原植被于六月初開始萌動(dòng)，七月開花，八月成熟，九月開始枯黃。本研究分別將時(shí)間進(jìn)行以下分段：六月為開花期，七到八月為結(jié)實(shí)期，九月為黃枯期。結(jié)實(shí)期是荒漠化草原植被最茂盛的時(shí)期，此期間植被表現(xiàn)出明顯的光譜特征，而其他時(shí)期植被性狀不明顯。使用無人機(jī)采集與地面數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行。

圖12無人機(jī)數(shù)據(jù)采集

四、數(shù)據(jù)采集及基于光譜的分類研究

4.1數(shù)據(jù)篩選

具體步驟依照以下三步完成：野外數(shù)據(jù)采集過程中易受到陣風(fēng)影響，造成某些圖像數(shù)據(jù)發(fā)生扭曲變形，第一步通過人工目視篩除此種類型數(shù)據(jù)。第二步檢查反射率，在篩除掉變形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上去除反射率超過100%的無效數(shù)據(jù)。第三步去除異常光譜反射率，光譜數(shù)據(jù)受儀器溫度、電流變化等因素影響，可能會(huì)出現(xiàn)異常數(shù)值的光譜反射率。

采用的成像光譜儀光譜分辨率約為3.5nm，數(shù)據(jù)波段數(shù)量為256個(gè)，高光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量數(shù)值評(píng)價(jià)是利用多種量化指標(biāo)，對(duì)獲得的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，從而選出有利于地物分類的波段，通常根據(jù)遙感圖像各波段的標(biāo)準(zhǔn)差反映出各波段的信息量，平均值反映傳感器的響應(yīng)特征。各波段的標(biāo)準(zhǔn)差一定程度上反映了信息量的大小，圖15為各波段的標(biāo)準(zhǔn)差曲線圖，可知波段20～189標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值較大（其值均在300以上），表示該波段包含的信息量較多，圖像的質(zhì)量較好。

圖15各波段標(biāo)準(zhǔn)差曲線圖

各波段的均值表示了圖像的亮度，均值較高的波段反映出該波段上的傳感器響應(yīng)較高，如圖16為各波段均值曲線圖，波段24～187均值較大（其值均在1700以上），可以正確反映地物的光譜特征。

圖16各波段均值曲線圖

圖 17為本研究所用的無人機(jī)高光譜遙感圖像數(shù)據(jù)的協(xié)方差圖像，顯示出256個(gè)波段明顯的較強(qiáng)相關(guān)性分塊特征。該圖中的每個(gè)像素代表一個(gè)波段，對(duì)角線上的元素代表了相關(guān)系數(shù)為1的波段。連續(xù)的亮區(qū)表示這些波段間相關(guān)性較高，暗區(qū)表示對(duì)應(yīng)的波段相關(guān)性較小。

圖17協(xié)方差圖像

用少數(shù)幾個(gè)波段進(jìn)行遙感信息處理，所選波段組合應(yīng)具有信息量大、相關(guān)性小、類別可分性好的特點(diǎn)，常用的波段選擇方法有目視選擇和最佳指數(shù)因子法。（1）目視選擇，一般觀察圖像的清晰程度和細(xì)節(jié)情況。（2）最佳指數(shù)因子法，以波段間的離散程度和信息量之間的相關(guān)系數(shù)來進(jìn)行衡量，OIF值越大，則對(duì)應(yīng)的波段組合后信息量越大，該組合越合理。

4.2輻射校正

類別不同的地物具有不同的色調(diào)差異，通過遙感圖像像元亮度值（DN）反映。DN值的大小與量化位數(shù)有關(guān)，如8位量化時(shí)，DN值的最大值為255。DN值不具有物理意義，是一個(gè)無單位的灰度值信息，并不能表達(dá)地物真實(shí)的光譜信息，需要經(jīng)過輻射校正將其轉(zhuǎn)換為地物真實(shí)反射率數(shù)據(jù)，如圖18所示。

（a）輻射校正前

（b）輻射校正后

圖18輻射校正圖

使用SpecAnalysis軟件進(jìn)行輻射校正，將DN值轉(zhuǎn)換為光譜反射率，得到地物真實(shí)的反射率數(shù)據(jù)，再使用ENVI5.3軟件進(jìn)行反射率檢查，篩選出可用數(shù)據(jù)。獲取地物輻射校正光譜曲線后，經(jīng)過多點(diǎn)均值處理后得到該地物的反射率光譜曲線。

在同等光照條件下，采集白幀的操作是將高光譜成像儀掃描標(biāo)準(zhǔn)白板（反射率接近100%），得到全白標(biāo)定數(shù)據(jù)；采集黑幀的操作是將高光譜成像儀蓋上鏡頭蓋進(jìn)行掃描（反射率為0），得到全黑標(biāo)定圖像。輻射校正具體操作為：在SpecAnalysis軟件分析工具里選擇“黑白”，選擇需校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，支持批處理，導(dǎo)入黑幀和白幀，然后進(jìn)行輻射校正計(jì)算。輻射校正公式如公式（1）所示。

五、地面高光譜遙感數(shù)據(jù)反射率光譜分析

地面高光譜遙感數(shù)據(jù)的地物光譜反射特性的分析和研究是荒漠化草原遙感技術(shù)分類應(yīng)用的基礎(chǔ)，本節(jié)對(duì)2017～2018年連續(xù)兩年采集的地面高光譜遙感圖像上的裸土、枯枝、陰影區(qū)域植被與鼠洞、光照區(qū)域四種荒漠化草原植物短花針茅、冷蒿、櫛葉蒿、無芒隱子草進(jìn)行光譜特性分析。

5.1裸土

荒漠化草原土壤裸露面積較大，影響裸土反射率的因素有水分含量、有機(jī)質(zhì)含量、氧化鐵含量等。2017-2018年地面高光譜遙感圖像數(shù)據(jù)上裸土的反射率光譜曲線如圖19所示，裸土反射率在綠光波段表現(xiàn)出綠色植被具有的波峰特征，近紅外波段上反射率光譜曲線呈線性增長趨勢(shì)且有水分吸收特征，近紅外波段反射率約為25%，表明荒漠化草原裸土反射率光譜曲線受到干枯植被影響。

圖19裸土反射率光譜曲線

5.2枯枝

健康綠色植被葉片一般具有如下結(jié)構(gòu)：葉片的表層覆蓋著一層蠟狀角質(zhì)層，使得葉片可以具有保水作用；葉片的表層細(xì)胞間隙中有氣孔，起到了調(diào)節(jié)植物蒸騰作用；氣孔周圍的保衛(wèi)細(xì)胞可以根據(jù)植物的實(shí)際需要改變自身的形狀控制氣孔的開閉。光線照射在植被葉片上，經(jīng)過了各種色素的吸收作用，以及植被冠層中的散射作用，使得健康植被冠層在遙感圖像上顯示為綠色，植被原始光譜反射率出現(xiàn)的特征受到各種色素的綜合作用，葉綠素有葉綠素a和葉綠素b兩種類型，類胡蘿卜素有胡蘿卜素和葉黃素兩種類型，綠色健康植被葉片中葉綠素與類胡蘿卜素的含量之比約為4：1，葉綠素a與葉綠素b的含量之比約為3：1。由于植被葉綠素和類胡蘿卜素吸收了藍(lán)光和紅光的大部分入射能量，葉綠素含量高于主導(dǎo)黃色的類胡蘿卜素含量，而葉綠素對(duì)綠光強(qiáng)反射到人眼，因此植物呈現(xiàn)綠色。在可見光和近紅外波段范圍內(nèi)形成了獨(dú)特的光譜曲線，植被反射率光譜是植被本身、土壤、地形、水分含量等多種因素綜合作用的結(jié)果，但仍有共同規(guī)律。在470nm左右的藍(lán)光波段和650nm左右的紅光波段的光譜反射率較低，在藍(lán)光和紅光范圍內(nèi)存在兩個(gè)明顯的吸收帶，即藍(lán)谷、紅谷；在550nm左右的綠光波段的光譜反射率較高，形成綠峰；在680～760nm光譜范圍，光譜反射率上升迅速，形成紅邊；在近紅外波段，由于光線在葉片組織細(xì)胞和空氣間多次散射，形成葉片對(duì)近紅外電磁波強(qiáng)烈反射的一個(gè)相對(duì)平坦的高反射率區(qū)域。

圖20枯枝反射率光譜曲線

枯枝失去了葉綠素和水分，其高光譜特征主要由纖維素、木質(zhì)素和氮含量決定，如圖20所示枯枝反射率光譜曲線在可見光波段不存在藍(lán)谷、綠峰等綠色植被的光譜特征，但存在紅谷、近紅外反射平臺(tái)、近紅外水分吸收谷等微弱的綠色植被光譜特征，整體上從可見光到近紅外波段枯枝反射率光譜曲線呈線性增長趨勢(shì)，在近紅外波段上反射率光譜曲線出現(xiàn)近紅外高反射率平臺(tái)和水分吸收谷，反射率最高值達(dá)到24%。

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