基于实测端元光谱的多光谱图像光谱模拟研究

地物光谱特性是遥感应用的基础。然而,在基于野外实测端元光谱的遥感应用中,由于测量尺度不同,导致同一地物光谱形态和反射率值存在很大差异,为遥感信息的定量反演带来困难。文章以新疆塔里木盆地北缘渭干河-库车河绿洲为研究区,选取裸土、植被两类地物作为研究对象,首先通过AVNIR-2传感器的光谱响应函数,实现了将野外实测端元光谱拟合为多光谱离散光谱,通过实例数据表明,拟和的多光谱与AVNIR-2像元光谱具有很好的相关性,在此基础上,采用线性算法建立端元光谱与遥感图像像元光谱的转换模型,实现了从实测端元光谱尺度向遥感多光谱像元尺度的定量光谱转换,为遥感定量分析奠定了一定基础。     

渭干河-库车河三角洲绿洲盐渍化地地物光谱数据分析

地物波谱特性是遥感技术应用的物理基础,是遥感定量分析的基础,地物波谱研究是遥感基础研究的重要内容,文章以新疆塔里木盆地北缘渭干河-库车河三角洲绿洲为研究区,采用美国CID公司生产的CI700便携式野外光谱仪,通过大量的野外调查以及实地测点,分析了该绿洲盐渍化地区的几种典型地物(盐碱地、细沙地、沙丘、棉花地等以及柽柳、骆驼刺、芦苇等)的光谱特性及其变化规律,尤其是对盐渍化地和盐生植被的光谱曲线的差异做出了分析,并根据实际情况,采用移动平均法去噪进行了噪声去除,分析实测光谱数据噪声特征。同时利用导数光谱技术清除植被环境背景影响。最后,为了今后继续研究的方便,在对实测光谱数据进行处理的基础上,利用ENVI软件建立了小型的渭干河-库车河三角洲绿洲主要地物的光谱库,该库可以为渭-库绿洲的地物调查,植被调查、植被分类和环境监测等遥感应用服务。     

甘肃河西地区荒漠化土地光谱特征研究

甘肃河西走廊土地荒漠化严重影响了当地居民的生产生活环境,高光谱遥感技术是荒漠化土地退化程度、土地类型识别、遥感反演等的重要研究手段,以河西地区荒漠化土地为研究对象,分析其光谱特征与植被退化程度、植物类型、季节变化等的关系,探讨河西地区荒漠化土地的光谱特征。主要结果有：(1）当植被覆盖度小于20%,同一类型不同退化阶段的植被光谱对沙地光谱的影响很小,沙地光谱反射率与裸地接近,尤其当植被盖度小于10%时,沙地与裸地的光谱曲线几乎重合,仅从植被景观很难反映出土地的沙化程度。(2）不同的植被类型对沙地光谱的反射率有一定的影响,以白刺为建群种的沙地光谱反射率较高,其次为梭梭沙地,多枝柽柳沙地相对较低,植被不同演替阶段下指示性植物的沙地光谱可以反映土地的沙化过程。(3）在植物生长季,沙地光谱反射率受土壤、植物含水量及植物物候期的影响,8月-10月高于其他月份,7月最低,沙地光谱波形曲线的季节变化规律可以反映出沙地土壤含水量的变化。研究结果对荒漠化土地遥感监测中土地沙化程度判定、季节信息提取、植被覆盖度估算等提供研究基础。     

杭州湾混浊水体表面光谱测量及光谱特征分析

悬浮泥沙是近海水体的主要光学活性物质之一,了解其光谱特征是建立准确遥感反演算法的基础。在我国典型高含沙海域——杭州湾的南北岸分别布设连续监测站位,采用水面之上光谱观测方法,利用美国ASD便携式地物光谱仪测量混浊水体的反射光谱,并且同步采集表层水样获取含沙量数据。研究结果表明：杭州湾水体表层含沙量较高,且随潮汐发生显著变化;水体反射率光谱曲线随含沙量浓度增大也相应升高,不同波长处升高幅度不同;通过光谱微分的方法分析水体反射率光谱特征,发现第一个反射峰出现“红移现象”;表层含沙量和对应MODIS各光谱通道的遥感反射率有不同的相关性,大于650 nm的长波通道的相关系数较大,400～550 nm短波通道的则较低;选取MODIS第2通道对应的遥感反射率利用最小二乘法进行回归分析取得了较好的拟合效果,可以作为杭州湾水体含沙量遥感反演的主要波段。     

荒漠-绿洲交错地带典型植被光谱特征研究

植被对区域生态环境保护具有重要意义,尤其是在荒漠-绿洲交错地带,植被对土壤保持、提高土地的抗剪切性能有重要意义,对土壤风蚀和荒漠化防治的影响作用较大,利用高光谱技术测定并分析荒漠-绿洲交错带典型植被的光谱特性,不仅能够指导区域的植被遥感分类,还能够对植被实行远程监控提供依据。研究借助美国Field Spec 4高分辨率地物光谱仪,在研究区采集棉花、柽柳、梭梭和盐穗木等四种典型植被不同条件下的光谱数据,在对数据进行归类、筛选及综合处理后,分别对原始数据进行FDR(一阶导数反射率)和RLR(倒数取对数反射率)变换。利用原始数据、FDR和RLR分别分析不同植物的光谱敏感波段和表达方式。结果表明：植物的光谱曲线具有类似的变化特征,植被种类不同在“红边”区和近红外780～1 260 nm波段的表达方式区别较大;植物对可见光的吸收非常强烈,对不同波长的光吸收强弱变化会形成波峰和波谷;植物红边特征具有特殊性,蕴含植物自身的特有信息,三种方式的处理结果显示,光谱特征在经FDR计算后,植物光谱红边特征区差异性非常明显;利用三种不同方式处理后的光谱数据,分别来计算改进的植物NDVI值,经RLR变换后重新计算得到的NDVI值在植物不同种之间表现出较大差别,用于植物种类区分的效果明显。     

新疆天山北坡典型研究区融雪期地物光谱特征分析

地物的波谱特性乃是整个遥感技术的物理基础,更是遥感技术应用尤其是定量遥感的基石。由于融雪期静态地物与冰-雪-水等动态地物交互存在,地物光谱特征更为复杂。选取了新疆天山北坡乌鲁木齐河流域以及军塘湖流域作为典型研究区,采用美国CID公司生产的CI700便携式野外光谱仪,通过2006年到2009年融雪期大量的野外调查和实地测量,获取了新疆天山北坡典型研究区融雪期典型地物包括各种积雪、冰、水以及土壤的光谱曲线及其变化规律,并对其进行了光谱特征分析。结果表明,融雪期虽然地物类型较为单一,但是因为积雪-冰-水-土壤复杂系统的交互式影响,地物的光谱特性及其变化均较为复杂,给融雪期地表参数的定量遥感研究带来了较大的挑战。对于融雪期复杂地物光谱的系列观测及特征分析无论是对于地物光谱特征基础研究还是定量遥感应用研究均具有重要意义。     

一种基于差值指数的颗粒物PM2.5浓度反演新方法

从分析对颗粒物PM_2.5敏感的光谱特性入手,提出了一种基于差值指数的颗粒物PM_2.5浓度反演新方法。使用Avafield-1光谱仪(测量范围300～1 100 nm)测量了典型地物植被、土壤在不同的颗粒物PM_2.5污染条件下的光谱曲线,发现颗粒物使得植被和裸土的光谱曲线在红光波段反射率增加,在近红外波段反射率下降,且其变化量较为稳定,因此使用对颗粒物敏感的红光波段和近红外波段,构建差值指数(difference index,DI)以表征颗粒物PM_2.5的浓度变化。以北京市为研究区,选择TM影像,求取差值指数,结合北京市及周边地区地面空气质量监测站提供的PM_2.5逐时数据,反演了北京市的颗粒物PM_2.5的浓度。结果表明,2016年3月1日(监测站PM_2.5浓度均值为105.8)预测模型相关系数r为0.796,精度表现良好,12月14日(监测站PM_2.5均值为15.8)预测模型相关系数r为0.628,即颗粒物污染程度较低情况下,差值指数模型预测精度低于颗粒物污染程度较高的情况,分析原因是颗粒物浓度较低时,由颗粒物引起的地物光谱特征变化比较不明显,造成差值指数模型精度较低。由于空气质量为重度及严重污染时,获取的遥感影像质量较差,影响颗粒物浓度反演,因此该方法适合轻度、中度污染情况下的颗粒物PM_2.5浓度反演。该方法获取污染数据简单,反演结果空间分辨率较高(30m),且可根据需要选取包含敏感波段数据的遥感影像用以获取不同时间、空间分辨率的颗粒物PM_2.5浓度分布,具有广泛的应用前景。     

基于非负矩阵分解的中红外地表特性光谱重建方法

在中红外遥感领域,高光谱地表反射率/发射率等地表特性具有极高的应用价值和应用需求,但利用卫星遥感手段难以获取吸收波段的高光谱地表反射/发射特性,且通过光谱重建获取全波段的地表特性方法仍存在很多问题。为解决中红外全波段地表特性光谱重建所面临的难题,基于约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University, JHU)地物波谱库和中分辨率成像光谱仪(MODIS)短波红外和中红外地表多光谱卫星产品,提出了一种利用非负矩阵分解(NMF)重建高光谱地表反射率的方法,对2.5～5.0μm中红外光谱范围内的地表反射/发射率进行光谱重建,重建后的光谱分辨率可达10 nm。首先基于JHU地物波谱库选取4种典型地物类型(土壤、植被、人造材料和岩石),建立地物光谱库样本信息,再利用MODIS传感器光谱响应函数,根据等效计算公式将2.0～5.0μm波段范围反射率结果重采样到10 nm光谱间隔、共301个波段,得到JHU地表反射率光谱数据集。对光谱数据集进行非负矩阵分解处理,提取4条端元向量光谱曲线,结合MODIS短波红外和中红外4个波段(2.13、 3.75、 3.96和4.05μm)的全球月均地...     

水中镉化合物粒子消光系数及其反射率光谱(400～900nm)测量

测量出水中镉化合物单位浓度消光系数光谱曲线和镉化合物干燥环境下的反射率光谱曲线是水体镉元素含量遥感反演的关键。首先采用自主设计的透射光测量装置,利用Analytical Spectral Devices(ASD)光谱仪分别测量了相同厚度不同浓度的两种镉化合物粒子溶液(硫化镉和氧化镉)的透射光辐亮度,通过比值法计算出不同浓度的镉化合物粒子溶液的消光系数,最终得到其400~900nm波长范围内的单位浓度消光系数光谱。然后再利用ASD光谱仪在户外晴好干燥的环境下对这两种镉化合物的反射率光谱进行了测量,为日后进一步计算其单位浓度吸收和散射系数打下基础。单位浓度消光系数光谱测量结果表明,硫化镉在675nm出现极大值,在550和830nm出现极小值;氧化镉则随着波长的增加呈逐渐减少的单调趋势;两种化合物在水中的消光作用主要在紫蓝光波段。反射率光谱测量结果表明,硫化镉的反射率从500nm开始快速增大至650nm后趋于平缓;氧化镉从525nm开始呈近线性递增至900nm;二者都具有明显的光谱特征。本文在国内首次专门针对水质遥感领域开展了具有光活性的镉化合物的光学参数测量工作,并获得了这两种化合物的单位浓度消光系数和反射率光谱曲线,是水体镉含量遥感反演模型所必需的光学参数之一,为镉含量遥感反演这一难题提供一个突破口,测量结果可以为镉含量提取的遥感工作波段选择提供有力的参考依据,同时也为水体镉含量的遥感提取提供了模型必需的重要参数。     

光谱测定黑河上游土壤有机质的预测模型

地面高光谱遥感光谱分辨率高,能详细地反映地物波谱特征;多光谱遥感时域宽,覆盖范围广,对较大时空区域的地物特征反演具有更大的优势。探求以不同反射率指标的土壤有机质含量预测模型,及其敏感波段,可以结合两种光谱数据的优点,为研究土壤有机质含量的时空变化规律提供新途径。本研究选取黑河上游223个土壤样品测定其有机质含量和高光谱曲线,应用原始光谱曲线反射率(λ)、倒数(REC)、倒数之对数(LR)、归一化(CR)和一阶微分(FRD)五种指标,采用逐步线性回归分析方法建立预测模型。通过统计检验,结果表明,以反射率指标为自变量的模型预测效果最佳,其相关系数(r)和均方根误差(RMSE)分别为：0.863和4.79。最优模型中得出的敏感波段有TM1内的474 nm、TM3内的636 nm和TM5内的1 632 nm。研究结果可为使用TM遥感数据反演黑河上游土壤有机质含量提供参考。     

上海城市植被光谱反射特征分析

地物光谱特征是遥感机理的重要内容,也是遥感应用研究的重要依据。城市植被作为城市中重要的生命支持系统,对于维持城市生态系统平衡起着核心的作用。文章以上海城市植被为研究对象,利用美国ASD公司生产的FieldSpec3便携式地物波谱仪,通过对2009年10月金边黄杨,金丝桃,圆柏,麦冬,珊瑚树,小叶黄杨等野外和室内光谱数据采集和处理,获得了这6种城市植被的高光谱数据。采用Savitzky Go-lay平滑方法进行光谱噪声去除和利用微分光谱技术进行植被环境背景影响消除,分别从植被冠层光谱和叶片光谱以及微分光谱,对这6种城市植被的光谱特征以及光谱曲线的差异和变化规律进行分析。可为今后进一步研究城市植被理化性能、参数反演、植被分类、植被调查以及城市环境监测等遥感应用服务。     

三亚鹿回头海域疣状杯形珊瑚反射率光谱分析

珊瑚礁地物光谱特征是珊瑚礁遥感研究的理论基础,可以作为遥感定性和定量研究珊瑚礁的依据。采用我国南海三亚湾鹿回头海域的优势物种疣状杯形珊瑚(Pocillopora verrucosa)为研究对象,用光纤光谱仪测量其反射率光谱。利用珊瑚反射率光谱和导数分析的方法研究了健康和白化两种状态下疣状杯形珊瑚的反射率光谱的差异。研究分析的结果显示:健康疣状杯形珊瑚的反射率光谱,在波长580,604.7和647 nm处出现了特征波峰,在波长669 nm处出现一个显著的波谷;白化疣状杯形珊瑚的反射率光谱明显高于健康疣状杯形珊瑚的反射率光谱,但是其波形相对较为平缓,在波长663 nm处存在一个相对较弱的波谷。反射率光谱导数分析发现健康与白化疣状杯形珊瑚存在多个可区分波段,其中主要可区分波段包括:一阶导数,404~425,456~466,513~532,563~568和661~667 nm等;二阶导数,408~420,542~556,563~573,615~634和687~695 nm等;四阶导数,402~418,466~472,478~481,617~622和684~689 nm等。     

一种改进的光谱图像反演地表目标遥感反射率的方法

提出一种改进的反演地表目标遥感反射率的方法．利用光谱图像中的太阳耀光估计当时气象条件下的大气透过率,分析了天空辐射和色散现象对反演的影响,据此构建遥感反演模型,计算出地表目标的遥感反射率．由于消除了天空漫射辐射带来的额外影响使得可见光波段的反演准确度大为提高,此外将菲涅尔反射率表示为波长的函数进行计算使反演光谱在整个波段范围内能更好地匹配实验室光谱．实验结果表明,改进算法计算的反射率能更好地匹配实验室光谱,具有更高的反演准确度．     

基于野外实测数据的珊瑚礁不同底质光谱可分性及珊瑚色素影响分析

珊瑚礁遥感监测的任务之一是获取底栖物质的组成及分布,但由于珊瑚礁存在较强的空间异质性及复杂的光谱,使得目前利用遥感技术进行底栖物质信息提取还存在较大难度。珊瑚礁不同底栖物质的光谱特性是开展珊瑚礁遥感监测的基本先验知识,但目前关于不同珊瑚种类的光谱特性分析研究较为匮乏。本研究基于野外实测光谱数据和模拟卫星遥感数据,开展珊瑚礁不同底质类型的光谱特性研究,特别是针对不同造礁石珊瑚种间及种内的光谱差异进行比较分析,并探讨不同珊瑚体内色素组成对珊瑚光谱特性的影响研究,最后甄选了四种常用卫星数据,通过数值模拟探讨了不同底质类型的光谱可分性。结果显示,利用反射光谱曲线值的大小能较好的识别沙和白化珊瑚,而利用蓝绿红波段反射率的一阶微分值能有效识别出海藻、海草和健康珊瑚。对于不同种类的珊瑚而言,科、属、种、珊瑚形状、珊瑚颜色的不同均会对珊瑚的反射光谱造成影响。叶绿素含量（包含叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c）与珊瑚反射光谱值相关性较好,是影响珊瑚光谱反射率的主要因素之一,虫黄藻密度在一定程度上也能影响珊瑚光谱反射率,但不如叶绿素影响明显,其密度的高低会影响珊瑚光谱在局部波段的峰值特征。在目前常用的多光谱卫星数据中,Landsat8数据具有可观测近岸的蓝波段,具备识别沙、白化珊瑚、海藻、健康珊瑚、海草的能力,而IKONOS和Quickbird可识别沙、白化珊瑚和海草。相对而言,SPOT5表现较差,仅能识别沙和白化珊瑚。在不同种类珊瑚的识别方面,多光谱遥感数据由于无法捕捉特征波段,需要采用具有高空间分辨率的高光谱遥感数据进行有效识别。在今后的工作中,将进一步扩大珊瑚礁底质样本数据集,并建立珊瑚礁光谱库,为今后我国珊瑚礁遥感监测体系建立提供数据支撑。     

一种改进的光谱图像反演地表目标遥感反射率的方法

提出一种改进的反演地表目标遥感反射率的方法.利用光谱图像中的太阳耀光估计当时气象条件下的大气透过率,分析了天空辐射和色散现象对反演的影响,据此构建遥感反演模型,计算出地表目标的遥感反射率.由于消除了天空漫射辐射带来的额外影响使得可见光波段的反演准确度大为提高,此外将菲涅尔反射率表示为波长的函数进行计算使反演光谱在整个波段范围内能更好地匹配实验室光谱.实验结果表明,改进算法计算的反射率能更好地匹配实验室光谱,具有更高的反演准确度.     

不同粒度条件下矿物光谱变化分析

矿物粒度是影响矿物光谱特征的一个重要因素,探索不同粒度下矿物光谱曲线的变化情况以及相同粒度下不同矿物的光谱差异,不仅是高光谱矿物遥感信息识别的关键,也为研究矿物随着粒度变化而产生的光谱差异提供理论基础。利用地物光谱仪对采集的六种矿物进行观测,获取了不同粒度下的反射率光谱曲线,同时生成一阶微分光谱曲线,进而分析了不同粒度下各种矿物的光谱变化特征,对比了相同粒度下不同矿物的光谱差异,探索高光谱遥感识别矿物的可能波段。结果表明：各种矿物的光谱曲线均会随着粒度的改变而产生较大的差异,但变化规律不尽相同,紫苏辉石的整条光谱曲线都会随着粒度的增加而下降,叶蛇纹石、赤铁矿、高岭石、绿泥石的光谱曲线在特定的波长范围内随着粒度的增加而下降,橄榄石的光谱与粒度大小不存在直接的相关性;相同粒度下,不同矿物的光谱反射率在大部分波段范围内差异较大,为实现矿物高精度识别提供了可能;叶蛇纹石、高岭石、绿泥石具有较多的宽度较窄、强度较小的吸收峰,而赤铁矿、橄榄石、紫苏辉石的光谱曲线相对平滑,吸收和反射峰的数量较少。本研究旨在为矿物光谱库的构建以及矿物的高光谱技术识别提供基础数据和理论支撑。     

北极海冰的光谱特征分析

北极海冰对全球气候变化有着举足轻重的作用,它的快速变化及其影响是国内外关注的焦点。采用ASD FieldSpec 3便携式地物光谱仪,在2010年中国第4次北极科学考察的长期冰站观测期间对不同类型的海冰进行了野外光谱测量,系统分析了光谱特征。结果表明积雪覆盖海冰的光谱反射率最高,裸露海冰其次,表层消融的海冰(有融池)最低。厚雪、薄雪、湿雪、雪晶的光谱曲线峰谷特征明显,基本都随波长的增加反射率降低。天然海冰、白冰、蓝冰的反射率随波长的变化基本一致,反射率居于中等,灰冰的反射率远低于天然海冰、白冰和蓝冰。分析北极海冰的波谱特性,探索北极海冰的定量遥感研究,进而分析其对全球变暖的响应,具有重要的科学意义。     

多角度偏振高光谱的农田土壤肥力模型研究

随着精准农业这一理念的提出，快速精确获取农业信息成为人们关注的重点。偏振遥感因其结合了多角度遥感的特点，高光谱遥感和微波遥感的特点，从而能在不破坏地物的基础上提高探测和识别地物的准确度。以往的研究主要以单一土壤肥力指标为主。该实验通过实测吉林省典型地区农田土壤在不同状态下的光谱曲线，探讨了在确定最佳观测条件下的土壤肥力综合指标IFI与土壤光谱曲线的关系。结果表明光线探测天顶角、探测方位角、偏振状态均会在一定条件下影响土壤光谱曲线，但对光谱的形状和走向影响不大。在保证设备可达条件下，设计出遥感中监测土壤肥力的最佳方式。通过对光谱数据进行一阶微分和倒数的对数运算，在选定的特征波段上建立相应的肥力模型。结果表明土壤肥力与光谱反射比呈现明显的负相关关系，和光谱吸光度呈现明显的正相关关系，与光谱反射比的一阶微分相关关系不确定。在利用光谱反射比、光谱一阶反射比和吸光度特征参数进行土壤肥力估算时，发现光谱反射比与土壤肥力的二次函数拟合优度最佳，在560和860 nm处决定系数分别达到0.876和0.867。     

一种月壤主要矿物组分含量反演的光谱解混方法

从月壤光谱中挖掘矿物含量信息是月球遥感探测的重要内容之一,矿物光谱混合规律复杂,光谱特征对测试环境、粒度、地形、背景极为敏感是难点。提出并试验了一种基于光谱分解反演矿物含量的方法。在光谱分解前采用光谱连续统去除突出光谱谱形,分解中综合运用了光谱反射峰(介于两个吸收谷之间的光谱曲线向上凸起的部分)与吸收谷,分解后采用Hapke模型修正光谱非线性混合的影响,在混合端元光谱、端元化学成分与粒度未知情况下,实现了对月壤四种主要矿物橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、斜长石的43条混合光谱的盲分解与矿物含量反演,反演的残差、误差、线性拟合相关系数(反演含量与真实含量)均值分别为5.0 Vol%,14.4 Vol%,0.92。该方法与反演结果可为月球高光谱矿物识别与填图提供参考与依据。     

内陆河道表层水体反射光谱的走航观测研究

现场水体光谱观测是水体光学性质、水色遥感反演建模等研究不可或缺的基础性工作之一.常规的倾斜观测方法受其较为严格的观测几何条件限制,需要依据船体位置、太阳方位等不断调整观测角度,特别是针对河道水体光谱观测时,还须考虑河道走向、岸线遮蔽物等情况,因此,只能设置若干站点进行离散样点的观测,难以在岸线环境较为复杂的河道水体开展...