基于高光譜影像的南磯濕地光譜特征分析1.0

引言

為了解決鄱陽湖濕地生態(tài)環(huán)境問題，本研究對不同地物反射光譜特征進(jìn)行差異性分析，利用光譜特征波段選擇可有效區(qū)分南磯濕地地物的特征波段，以此對南磯濕地地物進(jìn)行識(shí)別分類。研究成果為南磯濕地的物種多樣性保護(hù)以及合理開發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù)和更好的技術(shù)支持，相關(guān)部門可以采取有效手段保障濕地健康，科學(xué)開發(fā)資源，且研究結(jié)果能夠?yàn)楹罄m(xù)基于高光譜影像數(shù)據(jù)的濕地研究奠定基礎(chǔ)。

二、研究區(qū)概況

2.1 研究區(qū)域與樣本

圖 2.1 南磯濕地位置示意圖

鄱陽湖濕地是中國淡水湖泊中最大的生態(tài)濕地，與贛江、饒河、信江、修河和撫河等五條江河水流相接，同時(shí)與長江相連，水位季節(jié)性變化明顯，不同水位下形成了多種濕地類型。南磯濕地是鄱陽湖濕地的一個(gè)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，擁有極其豐富的自然資源，水陸交替的生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造了多樣的生態(tài)景觀和地物類型。因此，本研究選取南磯濕地作為研究區(qū)。

三、原始光譜特征分析

3.1 主要地類光譜特征分析

見圖1～5，左邊的圖（a）為全部地物的均值光譜曲線，右邊的圖（b）為去除水體之后，剩余地物的均值光譜曲線。根據(jù)對研究區(qū)地物光譜曲線的初步分析，可以將研究區(qū)內(nèi)的地物歸為三大類，分別是：第一類為水體，包括青色水體、藍(lán)色水體、藍(lán)綠色水體、深藍(lán)色水體、藍(lán)黑色水體；第二類為植被，包括林地、蘆葦-南荻群落、薹草-虉草群落、農(nóng)田；第三類為其他地物，包括居民地、建設(shè)用地、裸灘、淺水灘。

圖1 2020年3月15日研究區(qū)地物均值曲線

圖2 2020年6月17日研究區(qū)地物均值光譜曲線

圖3 2020年10月10日研究區(qū)地物均值光譜曲線

圖4 2020年11月11日研究區(qū)地物均值光譜曲線

圖5 2021年1月18日研究區(qū)地物均值光譜曲線

5類水體的反射率在全波段相對較低，整體維持在0.4以下，這與水體對可見光和近紅外的強(qiáng)吸收特性有關(guān)。在可見光區(qū)域，水體與剩余地物光譜差異較小，光譜曲線之間交叉重疊嚴(yán)重，難以提取水體。在近紅外區(qū)域，2020年3月15日、2020年6月17日和2020年11月11日的水體反射率明顯低于剩余地物，有明顯的可分性；而2020年10月10日的水體光譜曲線與裸灘在全波段交叉重疊嚴(yán)重，這可能是由于該時(shí)期水位為豐水期，水位較高，裸灘含水量高，與水體界限不明顯導(dǎo)致；2021年1月18日青色水體和藍(lán)色水體在近紅外區(qū)域的光譜反射率較高，與剩余地物的差異不明顯，這可能與枯水期青色水體和藍(lán)色水體的水深較淺有關(guān)。不同種類的植被在總體上都表現(xiàn)出了植被的典型反射特征。在可見光區(qū)域，葉綠素和其他色素對光的吸收很強(qiáng)，因此導(dǎo)致植被總體反射率較低。但在波長范圍為680～750nm時(shí)，由于植被內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)之間的相互作用，植被的反射率快速增加，形成高峰。在可見光區(qū)域，葉綠素對藍(lán)光和紅光的吸收較強(qiáng)，而對綠光反射較多，因此在藍(lán)光和紅光波段會(huì)形成兩個(gè)吸收谷（稱為藍(lán)谷和紅谷），而在綠光波段則會(huì)形成一個(gè)明顯的反射峰。2020年3月15日和2020年11月11日的植被和其它地物在可見光大多數(shù)波段都明顯可分，剩余3個(gè)時(shí)期的植被光譜與裸灘交叉嚴(yán)重。

在近紅外區(qū)域，植被的總體反射率較高，大部分能量被植被反射出去，形成了植被特有的反射高原區(qū)。2020年6月17日和2020年10月10日的植被光譜曲線與其它地物雖有一定程度的交叉，但整體是可區(qū)分的，而剩余時(shí)期植被與其它地物的光譜曲線交叉嚴(yán)重，需進(jìn)一步定量分析。其它地物反射率總體較高，在可見光區(qū)域，居民地、建設(shè)用地和淺水灘的反射率明顯高于水體和植被，除2020年11月11日外，剩余時(shí)期裸灘與植被的光譜曲線交叉重疊嚴(yán)重。在近紅外區(qū)域，2020年6月17日和2020年10月10日其它地物與植被光譜差異明顯，2020年3月15日其它地物與薹草-虉草群落有交叉重疊，2020年11月11日和2021年1月18日其它地物和植被交叉重疊嚴(yán)重。通過對圖1～5的（a）和（b）光譜特征進(jìn)行分析，可以看出水體在近紅外區(qū)域反射率相對較低，可與植被和其他地物區(qū)分開來，在去除水體的光譜曲線后，植被和其它地物在許多波段都存在明顯可分性，因此，認(rèn)為原始光譜曲線可以有效區(qū)分三大類地物。

3.2 水體光譜特征分析

受水位和水中物質(zhì)等的影響，不同水體在影像上的顯示有所不同，其光譜曲線及光譜特征也會(huì)有所差異。

圖6 不同時(shí)期水體原始光譜均值曲線

總體來看，水體在全波段光譜反射率相對較低，整體沒有超過0.4，其中，2020年3月15日和2021年1月18日的反射率相對較高，而剩余時(shí)期的水體反射率相對較低，不超過0.25，水體反射率整體來看由高到低的順序是：青色水體>藍(lán)色水體>藍(lán)綠色水體>深藍(lán)色水體>藍(lán)黑色水體，與其在影像上的標(biāo)準(zhǔn)假彩色顯示相對應(yīng)。2020年3月15日的水體光譜反射率整體呈先下降后略微上升的趨勢。在可見光區(qū)域，青色水體和藍(lán)色水體的反射率明顯高于藍(lán)綠色水體和深藍(lán)色水體，與藍(lán)綠色水體和深藍(lán)色水體區(qū)別明顯，而藍(lán)綠色水體和深藍(lán)色水體在可見光區(qū)域近乎重合，差異不明顯；在近紅外區(qū)域，除青色水體的反射率略微高于其余3類水體外，其余3類水體光譜曲線交叉重疊嚴(yán)重，整體來說在近紅外區(qū)域可分性不強(qiáng)。2020年6月17日3類水體均表現(xiàn)出可見光區(qū)域的反射率高于近紅外區(qū)域的特征。在可見光區(qū)域，青色水體和深藍(lán)色水體的光譜曲線先略微上升再下降，而藍(lán)綠色水體的光譜曲線則趨于平緩再略微下降，反射率變化不大，且3類水體在可見光大多數(shù)波段都有明顯的可區(qū)分性；在近紅外區(qū)域，青色水體和藍(lán)綠色水體的光譜曲線幾乎重疊，可分性不強(qiáng)，而深藍(lán)色水體的反射率則較低，可以區(qū)分識(shí)別。2020年10與10日3類水體光譜曲線先上升再下降，然后再近紅外區(qū)域緩慢上升。

3類水體在可見光區(qū)域差異明顯，反射率從高到低的順序?yàn)椋核{(lán)色水體>深藍(lán)色水體>藍(lán)黑色水體；而在近紅外區(qū)域，3類水體光譜曲線幾乎重疊，無法區(qū)分識(shí)別。2020年11月11日5類水體光譜曲線的變化趨勢可分為兩種類型，青色水體和藍(lán)色水體的變化趨勢為先上升后下降，其余3類水體再500nm左右有一個(gè)明顯的吸收谷，在530～750nm范圍內(nèi)，光譜曲線平緩，在760nm處又有一個(gè)小型吸收谷，而后趨于平緩。在可見光區(qū)域，5類水體具有可分性，而在近紅外區(qū)域，青色水體的反射率明顯高于其余4類，其余4類交叉重疊嚴(yán)重。2021年1月8日在440～600nm范圍內(nèi)呈上升趨勢，之后光譜曲線平緩。青色水體和藍(lán)色水體在440～620nm范圍內(nèi)光譜曲線幾乎重合，不可區(qū)分，在620nm之后有一定差別；深藍(lán)色水體和藍(lán)黑色水體在絕大多數(shù)波段都有明顯可分性，總體而言，4類水體差異明顯。

3.3 植被光譜特征分析

由于植被內(nèi)部結(jié)構(gòu)或組成部分的差異，不同植被間所表現(xiàn)的光譜反射曲線特征也不相同。圖7總體來看，各植被均表現(xiàn)出植被的光譜特征，在可見光區(qū)域反射率較低，在“紅邊”反射率迅速升高，在近紅外區(qū)域形成一個(gè)高反射平臺(tái)。其中，也存在植被特征較弱的情況，可能與季節(jié)、植被生長情況和植被生長環(huán)境有關(guān)。

圖7不同時(shí)期植被原始光譜均值曲線

2020年3月15日由于影像圖幅限制，缺少林地和農(nóng)田這兩類非濕地植被，只有蘆葦-南荻群落、薹草-虉草群落兩類濕地植被。在可見光區(qū)域，兩類植被在綠光波段（550nm附近）形成一個(gè)小型反射峰，在650～700nm范圍內(nèi)形成一個(gè)小型吸收谷，這是由于植被葉綠素作用而形成的植被固有的特性；在“紅邊”范圍內(nèi)，蘆葦-南荻群落形成“陡坡”，而薹草-虉草群落僅有緩慢的上升；在近紅外區(qū)域，蘆葦-南荻群落形成一個(gè)高反射平臺(tái)，遠(yuǎn)高于薹草-虉草群落?？傮w而言，薹草-虉草群落的植被特征較弱，這可能是因?yàn)檗凡?虉草群落在該時(shí)期比較稀疏。在近紅外區(qū)域，兩類植被可分性明顯。2020年6月17日四類植被均有明顯的“綠峰”和“紅谷”，符合植被光譜特征。在可見光區(qū)域，農(nóng)田在500～650nm波長范圍內(nèi)略微高于其余三類植被，林地、蘆葦-南荻群落和薹草-虉草群落在可見光區(qū)域的光譜曲線幾乎重合，不可區(qū)分；在近紅外區(qū)域，林地和薹草-虉草群落反射率最高，二者之間存在一定的交叉，次高的為蘆葦-南荻群落，農(nóng)田反射率最低，與其余植被差異顯著，明顯可分。

2020年10月10日，由于鄱陽湖豐水期水位較高，研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)都被水覆蓋，因此，只有位于南山島和磯山島的林地和農(nóng)田這兩類非濕地植被。二者也均存在植被的固有特征，在可見光區(qū)域，光譜曲線幾乎重疊，不可區(qū)分，但在近紅外區(qū)域，農(nóng)田反射率高于植被反射率大約0.1，二者在該范圍差異顯著。2020年11月11日四類植被光譜曲線趨勢相似，在500nm附近有一個(gè)小型吸收谷，在550nm附近有一個(gè)小型反射峰，在670～720nm波長范圍內(nèi)也有一個(gè)吸收谷，在“紅邊”迅速攀升，近紅外區(qū)域形成高反射平臺(tái)。在可見光區(qū)域，4類植被的光譜曲線交錯(cuò)重疊嚴(yán)重，不易區(qū)分，而在近紅外區(qū)域，4類植被光譜差異明顯，反射率由高到低依次是：農(nóng)田>林地>蘆葦-南荻群落>薹草-虉草群落，可通過近紅外波段來區(qū)分識(shí)別4類植被。2021年1月18日4類植被的植被特征均比較弱，可能是由于植被在冬季枯萎導(dǎo)致的。在450～640nm波長范圍內(nèi)，4類植被之間存在一定差異，且反射率由高到低依次為：農(nóng)田>蘆葦-南荻群落>薹草-虉草群落>林地，在650nm之后，4類植被間存在不同程度的交叉現(xiàn)象，其中農(nóng)田在830nm之前反射率均高于其余3類植被。4類植被的可分性需要進(jìn)一步定量分析及通過數(shù)學(xué)變換放大差異。

圖8 同種植被不同時(shí)期原始光譜均值曲線

同種植被受氣候、水位等因素影響，生長狀態(tài)有所不同，表現(xiàn)出的光譜特征也會(huì)有所差異。圖8可以看出：四類植被在2020年3月15日和2021年1月18日的光譜反射率明顯不同于其余時(shí)間，該時(shí)期植被雖有植被的固有反射特征，由于植被在冬季以及初春時(shí)生長環(huán)境嚴(yán)峻，生長狀況欠佳，在可見光區(qū)域的反射率明顯高于其余時(shí)間，其余三個(gè)時(shí)期植被的光譜特征顯著。在可見光區(qū)域，林地在冬季時(shí)的反射率高于其余時(shí)期，其余三個(gè)時(shí)期反射率差異不大，而在林地夏季時(shí)近紅外區(qū)域反射率最高，在其余時(shí)間差異不大。兩類濕地草叢群落在冬季和初春時(shí)可見光區(qū)域的反射率高于其余時(shí)間，蘆葦-南荻群落初春時(shí)近紅外區(qū)域反射率高，在夏秋花期時(shí)近紅外區(qū)域反射率下降，而薹草-虉草群落初夏時(shí)近紅外區(qū)域反射率最高，該時(shí)期薹草生長旺盛。農(nóng)田在冬季時(shí)可見光區(qū)域反射率最高，而在夏季時(shí)近紅外區(qū)域反射率最低。

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審核編輯 黃宇