森林生物化学与CASI高光谱分辨率遥感数据的相关分析

该文介绍了利用光谱范围约 417— 80 0nm的航空高光谱分辨率数据估计森叶族叶化学成分浓度的分析方法。沿横跨美国俄勒冈州中西部收集 6个研究立地上的小型机载成象光谱仪 (CASI)数据。 3个族叶化学成分 [总叶绿素 (TC)、全氮 (TN)和全磷 (TP) ]从相同的研究立地取样并在实验室测定。使用多元统计和光谱微分技术评价CASI数据用于估计冠层生化浓度的潜力和效率。 12个族叶化学成分样本被测定 ,并同时在相同立地上提取CASI图象数据。 7个单回归模型被用来探索单波段和植被指数与 3个化学成分的线性与非线性相关关系及预测效果。光谱微分技术被用来压缩背景噪音对目标光谱的影响。利用CASI原始光谱、一阶和二阶微分光谱数据和逐步回归分析来预测TC、TN和TP。结果表明采用光谱微分技术能显著地改善由拟合度 (R2 )和均方根差(SE)描述的森林冠层化学成分浓度的估计精度。由单波段分析的结果说明族叶化学与CASI数据间的相关性很低。事实上 ,对于TP ,CASI原始数据与实验室测定的数据几乎无关     

美国西部黄松叶面积指数与高光谱分辨率CASI数据的相关分析

本文介绍了美国俄罗冈州西部黄松的叶面积指数(LAI)与小型航空光谱制图成像仪(CASI)获取的高光谱分辨率数据进行的相关分析。在试验场地上使用LAI-2000植物冠层分析仪测得8个LAI值(0.87—2.72)。对CASI数据进行一阶和二阶微分处理,以减少土壤背景光谱对森林光谱的影响。使用逐步回归分析方法探索LAI与CASI数据的关系。由回归分析产生多元线性方程和相应的拟合度(GOF)及估计LAI的标准误(SE)。结果说明光谱微分技术能够提高LAI和CASI数据的相关性,因而可以改善LAI的估计精度。如,对于单通道LAI预测的最高GOF值是0.681,SE是0.345,而经一阶和二阶光谱微分处理后,GOF被分别提高到0.904和0.898,SE被分别降低到0.189和0.195.     

机载LiDAR和高光谱融合实现温带天然林树种识别

将机载LiDAR(Light Detection and Ranging)与高光谱CASI(Compact Airborne Spectrographic Imager)数据融合,充分利用垂直结构信息和光谱信息进行温带森林树种分类,并与仅用高光谱数据的分类结果相比较,评估融合数据的树种分类能力。结合样地实测数据,首先用LiDAR获得的3维垂直结构信息对CASI影像上的林间空隙进行掩膜,提取林木冠层子集;然后对冠层子集分层掩膜,利用光谱曲线的一阶微分及曲线匹配技术,实现各树种训练样本的自动提取;利用SVM分类器对两种数据分类并比较精度。结果表明,融合数据的树种分类总体精度和Kappa系数(83.88%,0.80)优于仅使用CASI数据(76.71%、0.71),优势树种的制图精度为78.43%—89.22%,用户精度为75.15%—95.65%,整体也优于仅使用CASI的制图精度(68.51%—84.69%)和用户精度(63.34%—95.45%)。结果表明,机载LiDAR与CASI基于像元的融合对温带森林树种识别的精度较仅高光谱数据有较大提高。     

大豆残茬光谱响应特征研究

利用HR-768型便携式光谱仪,测定了不同大豆残茬覆盖度下的地面光谱,利用照相法获取对应的大豆残茬覆盖度。采用线性回归方法分析了单波段反射率、反射率一阶导数、归一化指数、比值指数与大豆残茬覆盖度的相关性,获取了不同覆盖度水平下大豆残茬的光谱响应特征,并结合MODIS、TM、HJ-1B星的波段响应函数建立了大豆残茬覆盖度最优估算模型。结果表明,在2050—2150nm和2250—2350nm两个波段范围内,大豆残茬与裸土的光谱差异最显著,可用于二者的区分;大豆残茬的光谱特征与玉米、小麦残茬的光谱特征相似,仅在920—967nm范围内存在特殊的吸收峰;以高光谱数据为数据源,941.6nm处的反射率、2151.8nm处反射率一阶导数、1461.3nm和2404.4nm反射率构建的归一化指数以及2247nm和608.6nm反射率构建的比值指数适宜用于作物残茬覆盖度估算,以宽波段数据为数据源,短波红外与红波段反射率构建的比值指数适宜用于大豆残茬覆盖度估算。     

机载高光谱仪几何检校方法及其在海岸带航空遥感调查中的示范应用

海岸带航空高光谱遥感测量与调查时,水面无法进行地面控制点测量,不能通过传统的空中三角测量方法得到数据准确的外方位元素,因此如何保证海岸带航空遥感数据的几何精度是测量的关键问题之一。在总结分析了CASI 1500H型推扫式机载高光谱仪的几何检校原理与模型特点的基础上,设计了一套针对该系统的几何检校方案,检校结果表明,无控制点情况下CASI 1500H高光谱影像的几何精度得到显著提高。使用该几何检校方法对大襟岛及其周边海域进行了CASI 1500H航空高光谱数据获取,基于该数据进行了大襟岛及周边海域的悬浮泥沙浓度反演示范应用,总体反演精度优于70%,满足海岸带航空遥感调查需求。     

基于微分变换的高光谱马尾松和杉木识别

高光谱遥感能分辨出地物间微小反射光谱差异信息,可用于解决林种遥感分类光谱识别的难题。利用Hyperion高光谱遥感影像,结合地面实测林种样地,对安徽省黄山市五城镇林区的马尾松和杉木进行识别。通过对Hyperion影像进行一阶、二阶微分变换,优化组合487～559 nm和681～742 nm光谱范围中反射差异明显的波段,再结合支持向量机(support vector machine,SVM)模型进行林种间分类识别。基于Hyperion影像像元反射率及其一阶和二阶微分光谱的分类识别总体精度分别达到76. 50%,81. 42%和88. 52%,对应Kappa系数分别为0. 528 4,0. 625 7和0. 769 1。结果表明,基于二阶微分变换的高光谱数据,通过SVM模型,可有效提高马尾松和杉木的识别精度,为高光谱遥感针叶林种分类识别提供了一种技术途径。     

南方丘陵稻田土碱解氮高光谱特征及反演模型研究

以兴国县稻田土高光谱反射率为研究对象,分析南方丘陵稻田土碱解氮的光谱响应波段,运用光谱分析方法提取光谱指数,建立基于反射光谱特征的南方丘陵稻田土碱解氮高光谱反演模型。经分析可知,不同碱解氮含量的南方丘陵稻田土光谱曲线在波长小于700 nm波谱范围内呈现随着碱解氮含量的增高,光谱反射率降低,吸收深度越大的趋势;通过分析南方丘陵稻田土碱解氮含量与光谱反射率16种数学变换的相关系数,提取敏感波段为694 nm,2 058 nm和2 189 nm。基于南方丘陵稻田土光谱反射率的碱解氮含量高光谱反演模型稳定性较强(R2=0.56),具有一定的预测能力,能用于南方丘陵稻田土碱解氮含量速测。     

利用偏最小二乘回归反演冬小麦条锈病严重度

通过人工田间诱发不同等级条锈病，在不同生育期测定冬小麦感染条锈病严重度和冠层光谱，采用偏最小二乘（PLS）方法建立了冠层光谱和条锈病严重度的回归模型。结果显示： PLS反演冬小麦条锈病严重度的效果很好，与文献［4］中提出的利用高光谱指数进行反演的结果相比，精度更高； 通过对PLS回归系数的分析，发现叶绿素吸收谷两边（505~550 nm，640~670 nm，680~700 nm）的一阶微分光谱可用于诊断冬小麦条锈病病情，条锈病病害冬小麦在叶绿素吸收谷两边的一阶微分光谱的绝对值会比健康冬小麦的更大。     

水面菲涅尔反射对~761 nm叶绿素荧光估算的影响

叶绿素荧光是光合作用的有效探针,可用于海洋浮游植物的监测与定量评估。太阳诱导叶绿素荧光覆盖可见光—近红外650—800 nm,在～685 nm与～740 nm表现出两个形态不同的荧光峰特征。基于～685 nm荧光峰的叶绿素浓度反演算法较为成熟,但在高悬浮物和高叶绿素浓度的水体中,算法的有效性不足。基于叶绿素荧光在氧气吸收谱段(O2-A)的填充作用,水体遥感反射率光谱～761 nm峰值中包含有太阳诱导叶绿素荧光信号,能用于水体叶绿素浓度的估算,但该反射峰形态特征还取决于传感器的光谱分辨率。本研究基于不同光谱分辨率的大气吸收谱线特征,模拟了水体遥感反射率光谱(750—775 nm)上太阳诱导叶绿素荧光的信号响应特征;分析了利用遥感反射率(～761 nm)计算叶绿素荧光的原理,阐明了不同光谱分辨率条件下水体叶绿素荧光信号在反射光谱上的形态变化规律。采用水面以上测量法获取的离水光谱辐亮度,包含了水面的菲涅尔反射信号,由于真实的菲涅尔系数难以准确测量,这给基于～761 nm处遥感反射率峰值的荧光信号估算带来不确定性影响。研究表明,假定菲涅尔系数为0时,虽然～761 nm叶绿素荧光信号与其浓度具有较好的线性统计关系,但却带来较大的不确定性;这种不确定的影响,在低浓度叶绿素水体中表现明显,在高浓度叶绿素水体中,影响相对较小;准确估算菲涅尔系数,有助于减少这种不确定性影响。对基于遥感反射率～761 nm叶绿素荧光信号的深入探讨,将能推动未来水体叶绿素荧光的识别与利用。     

高光谱遥感异常信息在阿尔金索拉克地区铜金矿找矿工作中的应用

利用CASI/SASI机载高光谱遥感数据,对新疆阿尔金成矿带索拉克一带的蚀变矿物异常信息进行提取和分析,在此基础上总结区内蚀变矿物异常的分布规律及成因,结合典型岩石、矿物的地面光谱测量对不同地质体蚀变矿物的光谱曲线特征进行分析和总结,并选取索拉克铜金矿床的矿化蚀变地质剖面开展光谱测量分析,构建该区标志性蚀变矿物组合,建...     

利用夫琅和费暗线探测自然光条件下的植被光合作用荧光研究

自然光照条件下测定的植被反射的辐照度光谱既包括太阳光诱导荧光的发射光谱，又包括叶片对入射光的反射光谱，研究如何从冠层光谱中提取荧光光谱有十分重要的应用价值。首先，论文介绍了夫琅和费暗线探测自然光条件下的光合作用荧光的基本原理和方法。其次，将太阳大气的夫琅和费暗线拓展到地球大气，发现地物光谱仪测定的冠层辐照度光谱中688nm和760nm两个氧气吸收形成的夫琅和费暗线特征明显，且荧光较强，所以利用这两个波段的夫琅和费暗线可以探测自然光条件下的光合作用荧光。第三，研究并分析了夫琅和费暗线方法计算的688nm和760nm波段的荧光特性，结果表明该方法计算的荧光是可靠的，它与光合有效辐射（PAR）关系密切，复相关系数达到了0．9；冬小麦冠层荧光光谱在760nm和688nm波段的荧光大小基本相等，而地锦冠层荧光光谱在688nm波段的荧光强度是760nm的3倍左右，表明荧光光谱能够更加敏感地反映植被物种或生理生化状况的差别。最后，将夫琅和费暗线方法计算的688nm和760nm波段的荧光数据与激光脉冲调制荧光仪测定Fv／Fm荧光参数进行了统计分析，结果表明它与Fv／Fm存在极显著的负相关关系。所以利用夫琅和费暗线方法能够探测植被冠层荧光，并有可能替代传统的测定方法，并推广到航空航天平台，实现荧光探测从接触式点测量方式到航空或卫星遥感大面积监测的技术飞越。     

盐沼植被光谱特征的间接排序识别分析

运用ASD地物光谱仪,采用12个小型机载成像光谱仪(CASI)默认的植被波段组,以上海崇明东滩自然保护区的盐沼植物群落为对象,应用主成分分析法和相关分析研究了不同群落光谱特征与生态环境因子之间的关系。结果表明:运用PCA间接排序法能够识别盐沼植被中光滩、海三棱藨草群落、芦苇群落和互花米草群落等光谱特征;绝大多数盐沼植物的群落组成与所选波段的光谱特征之间有显著的相关关系;可见光和近红外波段数据可以分别识别低盖度的海三棱藨草群落和高盖度的互花米草和芦苇群落;对光谱反射率影响最大的生态环境因子是植物群落的高度和盖度,而高程和其它环境因子的影响次之。     

光谱波段宽度对森林叶片叶绿素含量反演的影响分析

随着传感器技术的发展,高光谱数据光谱的波段宽度逐渐变窄,如何从海量的光谱数据中找到最优的光谱波段反演叶绿素含量,成为研究的难点问题。本文在测量华中农业大学狮子山6种主要树种的光谱数据和叶绿素含量的基础上,利用叶绿素指数(CI)和回归方法反演叶绿素含量,并分析了波段宽度对反演叶绿素含量结果的影响,结果发现波段宽度会影响到叶绿素反演的精度,当波段宽度为30nm时,叶绿素含量与"红边"区域(700nm-730nm)和近红外区域(770nm-800nm)叶绿素指标(CI)间的线性关系较好,决定系数可达到77.62%,均方根误差为10.6ug/cm2。     

绿洲农田典型盐碱斑光谱特征与盐分反演建模

通过野外测定盐碱斑光谱反射率,对光谱数据进行去包络线处理,并分析盐碱斑光谱特征。结合盐碱斑表层土壤电导率,进行盐碱斑电导率和反射光谱相关性分析。结果表明,绿洲农田盐碱斑光谱反射曲线650~700 nm波段为盐碱斑电导率最敏感波段,可通过该波段数据与盐碱斑的电导率建立盐碱斑电导率光谱预测模型。     

松嫩平原典型土壤高光谱定量遥感研究

为实现松嫩平原典型土壤理化参数时空信息的快速获取,为定量遥感、精准农业等相关研究服务,以松嫩平原典型土壤的高光谱反射率为研究对象,分析土壤反射光谱特征及其与土壤理化参数的关系,建立基于反射光谱指数的土壤理化参数遥感估算模型;提取黑土光谱特征点,建立黑土反射光谱曲线模拟函数.结果表明:松嫩平原不同土壤光谱特征差异主要在450-600,600-800 nm两个吸收谷部分,土壤有机质是黑土反射光谱特征的决定因素;不同于南方土壤,铁对松嫩平原典型土壤反射光谱特征的影响较小;随着含水量的增加,土壤水分对土壤光谱反射率的作用过程可以用三次方程定量描述;基于土壤反射率及反射光谱特征的土壤理化参数光谱预测模型可以用于土壤相关理化参数的快速测定;基于光谱特征点的黑土反射光谱曲线模拟函数可以准确描述黑土的反射光谱特征,这一方法可以用于高光谱数据压缩和基于多光谱数据的高光谱反射率重建.     

富二价铁岩石信息提取及在铀矿勘查中的应用

本文利用航空高光谱CASI数据和岩石的光谱特征,提出一种快速提取富含Fe2+岩石信息的算法,并由此获取辉绿岩脉信息。经过实地验证,数据处理结果的精度较高,处理结果中辉绿岩脉规模及其走向等特征清晰。将提取的结果与铀矿异常信息对比分析,发现富含Fe2+的辉绿岩脉与铀异常具有很强的相关性。通过利用这种方法,在研究区南部又新发现了两条辉绿岩脉构造。     

高光谱蚀变信息在金矿找矿预测中的应用研究——以北山方山口金矿线索为例

航空高光谱数据具有丰富的光谱信息和高空间分辨率,在矿化蚀变带识别中发挥着重要作用。成矿地质条件分析表明,北山成矿带方山口—老金场地区存在与中酸性岩体有关的金矿床成矿潜力。覆盖该区的航空高光谱(CASI/SASI)遥感数据蚀变矿物异常提取结果显示,区内发育高铝绢云母、中铝绢云母、低铝绢云母、褐铁矿、白云石、绿泥石、绿帘石和方解石等蚀变矿物。对金滩子金矿床光谱信息的剖析表明,"中—高铝绢云母+褐铁矿"为其标志性蚀变矿物组合;对区内高光谱异常信息进行筛选,圈定出方山口找矿预测区;对预测区内标志性蚀变矿物组合发育地段进行野外查证,发现3条金矿化黄铁绢英岩脉。实践表明,通过针对性地筛选高光谱蚀变矿物异常组合,可以有效地指导下一步的金矿找矿工作。     

高光谱目标探测中的空间和光谱尺度效应

高光谱遥感目标探测主要利用目标和背景的光谱特征差异进行目标识别。一般情况下,影像的空间和光谱分辨率越高,探测效果越好。但多数情况下空间和光谱分辨率难以同时满足需求。针对该问题,本文利用Field Imaging Spectrometer System(FISS)地面高光谱成像仪器,通过在稀疏草地上布设人工绿色目标,研究了目标和背景光谱相似情况下,单一均匀背景下小目标探测问题,提出空间和光谱尺度定量分析方法,得到目标探测适用的空间和光谱尺度。结果表明:(1)利用FISS高光谱仪器进行人工目标探测,所需的空间分辨率约为目标尺寸的2倍以内;(2)当光谱分辨率优于40 nm时,目标和背景的两个主要特征:反射峰的位置和波段趋势差异均可被描述,在原始空间分辨率5倍(0.85 cm)以内,探测精度可以达到0.94以上。由于反射峰间距20 nm,当光谱分辨率低于40 nm时,该特征消失,造成探测精度的下降;(3)当光谱分辨率低于40 nm时,选取目标、背景光谱特征差异较大的波段可提高探测的有效性,在舍弃目标背景相似波段后,探测精度上升,得到本实验的最佳波段组合为红、绿、蓝、黄及红边波段。     

延河流域优势植物光谱指数分析

以延河流域优势物种的光谱数据为例,阐述了延河流域主要物种的光谱指数特征,分析了影响植被光谱指数的因素,总结了延河流域优势物种光谱鉴别方法,提出了利用植被光谱导数值和植被体内水份在970nm和1190nm附近的吸收特征帮助鉴别植被类型的方法。     

松毛虫危害下的马尾松林冠层光谱特征可辨性分析

深入挖掘寄主光谱响应机制是推进马尾松毛虫害遥感快速监测与预警的必要基础。将采集于福建省长汀县、南平市建阳区的46条马尾松林冠层光谱曲线数据设为规则组,利用单因素方差分析法实现不同危害等级可辨性波长的选择。研究表明,不同危害等级下的马尾松林冠层光谱数据呈现极显著差异(P0.01),其中,中度—重度危害的马尾松林冠层光谱可辨性在516.51~598.99 nm和700.68~706.18 nm位置上有显著差异(P0.05),在708.92~810.62 nm位置上有极显著差异(P0.01)。为此,以519.20 nm,540.72 nm,758.40 nm和785.88 nm波段处光谱反射率为组合,以健康状态下的马尾松林冠层光谱数据为标准样本,基于空间距离法、相关系数法及光谱角制图法分别建立松毛虫危害等级的定量化判定规则,并利用将乐县、南平市延平区、华安县的34条验证组光谱曲线数据对此规则进行验证。结果显示,空间距离法的判定效果远优于相关系数法与光谱角制图法;无松毛虫危害、轻度危害、中度危害以及重度危害的空间距离判定规则依次为:0.355 3,[0.355 3,0.742 5),[0.742 5,0.9631)及≥0.963 1,判定精度为88.24%,准确率达97.06%。