HHT时频分析土壤光谱的重金属铜离子污染信息提取模型

土壤中不同浓度Cu2+含量映射到土壤光谱上的信息量十分微弱,并且这些高光谱数据中也存在着难以避免的噪声,因而本研究的关键是如何在土壤光谱复杂的噪声环境中提取微弱Cu2+信息。经验模态分解算法(EMD)能够有效去除高光谱数据中的噪声,且EMD是Hilbert变换对“非线性非稳定”信号时频分析的前提,当引入Huang变换后,可利用Hilbert-Huang变换(HHT)模型时频分析高光谱数据以实现降噪处理与信息提取。通过时频的HHT分析不同浓度Cu2+污染下的土壤光谱,完成从原始光谱经EMD分解出各本征模态函数(IMF)分量的包络线、调制信号和频谱等曲线中挖掘土壤光谱的Cu2+污染信息。研究结果表明,相同浓度Cu2+污染时的土壤光谱HHT时频分析结果相同,不同浓度时则不同,所以也可依据IMF分量反演土壤Cu2+含量。因此,高光谱数据的HHT时频分析能为土壤光谱的信息挖掘、光谱诊断和Cu2+含量反演等提供一种新的方法和思路。     

重金属铅离子胁迫下玉米叶片光谱弱差信息的DSAT甄别模型

光谱间微弱信息测度是当今高光谱遥感研究难点之一,传统光谱测度方法难以区分光谱信息的微弱差异。研究设计了不同浓度的铅(Pb)污染实验,并测量了不同浓度铅离子(Pb2+)胁迫下玉米叶片的高光谱反射率、叶绿素含量及Pb2+含量,但是从所测结果得出,不同浓度Pb2+胁迫下的光谱相似性相关系数均达到0.999,难以区分不同浓度Pb2+胁迫引发的光谱间微弱信息差异和污染程度。针对这一情况,基于光谱微分处理、正切函数增强、光谱角量度与波谱分段检测等,提出了一种新型的相似光谱测度方法,即微分光谱角正切(derivative spectral angle tangent,DSAT)法。为了验证DSAT在区分相关系数达0.99以上相似光谱的可行性和有效性,将DSAT用于不同浓度Pb2+胁迫玉米叶片的整体波形与光谱区间子波形的信息差异性度量与检测。实验结果得到,波形差异信息与玉米叶片中叶绿素相对浓度与Pb2+含量显著相关。进而也证明DSAT法在甄别较高相似性光谱间差异上具有更好的实用性和优越性。     

玉米叶片铜铅污染元素种类光谱判别的EC-PB规则

随着人类生活质量的提高,农产品重金属污染问题备受关注。农作物中的重金属元素会通过食物链侵害人体健康,而不同重金属元素对人体毒害差别较大,因此农作物中含有重金属元素的类别识别至关重要。传统重金属元素检测方法存在环节多、耗时长、成本高等缺点,但高光谱遥感技术具有信息使用量大,理化反演能力强,分析速度快,无损监测等优势,逐渐成为农作物重金属污染分析的重要手段之一。以不同CuSO₄·5H₂O和Pb(NO₃)₂浓度梯度土壤胁迫下典型农作物玉米生长的叶片光谱为研究对象,引入光谱包络线去除（CR）、光谱比值（SR）、分数阶微分（FOD）同时结合改进红边比值指数（MSR）构建铜铅元素识别指数（CLI）;通过挑选与铜铅元素种类相关性最强的三个分数阶微分阶数的CLI值建立铜铅元素判别特征点（CLDFP）;再利用欧式聚类（EC）将训练集样本分为铜污染与铅污染两类并结合圆心连线的垂直平分线（PB）,建立基于EC-PB识别铜铅元素种类的二维坐标系下判别规则线（CLDRL）和三维坐标系下判别规则面（CLDRP）,从而实现玉米叶片光谱信息的重金属铜铅元素种类准确识别。研究结果表明,CR-SR-FOD光谱变换处理增加了玉米叶片光谱信息与铜铅元素种类之间的相关性;各阶次FOD对应的CLI与铜铅元素种类相关系数各不相同,随着阶次的增加,相关性呈现先递增后递减的趋势,其中相关系数最高的三个阶次分别为1.2阶,0.7阶,1.0阶;在二维坐标系下训练集样本判别正确率为78.95%,验证集样本判别正确率为75.0%;在三维坐标系下训练集样本判别正确率为76.32%,验证集样本判别正确率为75.0%,证明了基于EC-PB构建的二维CLDRL和三维CLDRP光谱判别规则可以有效识别玉米叶片中铜铅污染元素种类。     

铜铅胁迫下玉米叶片弱光谱信息的LD-CR-SIDSCAtan探测模型

农作物在受到重金属污染以后,会破坏本身的组织细胞结构和叶绿素含量,从而影响农作物的新陈代谢和健康状况。人和动物如果食用了污染的农作物以后,会有致命的伤害。高光谱遥感目前被广泛应用于监测农作物受重金属污染的程度。重金属污染下的农作物叶片的光谱变化很微小,传统的监测方法和常规的光谱特征参数很难将光谱之间的微弱差异区别开,目前高光谱遥感应用是研究的重点和难点。通过设置不同浓度的Cu2+和Pb2+胁迫下玉米盆栽实验,采集玉米叶片的光谱数据、叶绿素的相对含量以及重金属Cu2+和Pb2+的相对含量。提出了包络线去除(CR)、光谱相关角(SCA)、光谱信息散度(SID)以及正切函数(Tan)和兰氏距离(LD)相结合的LD-CR-SIDSCA_tan模型,将其与传统的光谱测度方法,如光谱相关系数(SCC)、光谱角(SA)、光谱角正切(DSA)、光谱信息散度-光谱相关角正切(SIDSAM_tan)、光谱信息散度-光谱梯度角正切(SIDSGA_tan)和常规的光谱特征参数,如红边最大值(MR)、绿峰高度(GH)、红边一阶微分包围面积(FAR)、红边一阶微分曲线陡峭度(FCDR)、蓝边(DB)、红谷吸收深度(RD)相比较,验证了该模型的优越性和可行性。并且将LD-CR-SIDSCA_tan模型应用于不同浓度下Cu2+和Pb2+胁迫的玉米叶片的整体波形和子波段的光谱差异信息的测度上。结果表明,LD-CR-SIDSCA_tan模型实现了重金属Cu2+和Pb2+污染的定性分析,能够测度光谱相关系数达到0.99以上的相似光谱之间的差异信息,波形差异信息与叶片测得的叶绿素相对含量和重金属Cu2+和Pb2+相对含量显著相关,也分别找到了重金属Cu2+和Pb2+胁迫下的光谱响应波段。在测度光谱数据的整个波段区间范围,模型值为负值时的光谱差异要比模型值为正值更加明显;在模型值为正值时,如果数值越大,光谱的差异性也越大。因此,随着重金属Cu2+和Pb2+浓度的增加,光谱的差异增大,意味着重金属Cu2+和Pb2+污染程度更为严重;玉米植株受到重金属Cu2+胁迫污染,在测度光谱数据的局部子波段区间范围时,“蓝边”、“红边”、“近谷”、“近峰B”处对重金属Cu2+胁迫污染响应特别的敏感,可以作为监测重金属Cu2+污染程度的有效波段;当玉米植株受到重金属Pb2+胁迫污染时,在“紫谷”、“蓝边”、“黄边”、“红谷”、“红边”、“近峰A” 处对重金属Pb2+胁迫污染响应特别的敏感,可以作为监测重金属Pb2+污染程度的有效波段。最后通过LD-CR-SIDSCA_tan模型的应用结果与玉米叶片中Cu2+和Pb2+含量进行线性拟合分析,从而反演和预测了重金属Cu2+和Pb2+对玉米植株的污染程度。     

基于空间谱的玉米叶片铜铅污染区分及程度监测

利用高光谱遥感技术监测并识别农作物受重金属污染信息是当今热点,研究设置了不同浓度铜离子(Cu2+)、铅离子(Pb2+)胁迫梯度的玉米盆栽实验,并测取了玉米叶片的光谱及叶片中重金属离子与叶绿素含量。基于获取的光谱数据,将光谱划分为紫谷、蓝边、绿峰、红谷、红边和红肩六个光谱特征区间,通过光谱的一阶微分和二维多重信号分类(2D-MUSIC)算法构造空间谱,对各光谱特征区间进行变换分析。实验结果表明：蓝边、绿峰和红边阵列信号的空间谱在Cu2+胁迫下为双高峰,在Pb2+胁迫下为单高峰,以此能够快速、直观地区分玉米叶片所受重金属污染的Cu2+和Pb2+元素类别。红谷和红肩阵列信号空间谱的方位角谱峰值与玉米叶片中Cu2+含量的相关系数分别达到-0.954 5和-0.964 8,说明用于监测Cu2+污染程度时效果理想;紫谷阵列信号空间谱的方位角谱峰值与玉米叶片中Pb2+含量的相关系数达到-0.999 8,说明用于监测Pb2+污染程度时效果理想。同时通过与常规重金属污染监测方法绿峰高度(GH)、红边位置(REP)、红边最大值(MR)、红边一阶微分包围面积(FAR)的应用结果进行比较分析,空间谱法的应用结果与玉米叶片中重金属离子含量的相关性较高,从而验证了空间谱应用于玉米重金属污染信息监测具有更好的有效性和优越性。     

铜污染土壤光谱特征及弱差信息的LH-PSD甄测模型

土壤受重金属污染后，会影响农作物及食品安全，危及人体健康，因此寻找快速、高效甄测土壤重金属污染信息的方法尤为关键。传统化学分析方法存在过程繁杂、费时耗力等缺点，而高光谱遥感因光谱分辨率高、信息量大、快速无损等特点在环境监测等应用方面优势明显。由于电磁遥感信号反射、辐射过程复杂，通过仪器获取的土壤高光谱数据难以直接解析出重金属污染信息，因而，研究并寻求一种能够有效挖掘土壤重金属污染信息的方法对高光谱遥感监测污染意义重大。不同浓度铜(Cu)污染会使土壤理化性质改变，引发土壤光谱产生微弱变化，该研究目的是对Cu污染土壤光谱的特征及弱差信息进行识别、提取与分析，进而挖掘光谱中的重金属污染信息。采用包络线去除(CR)对光谱进行预处理，通过定义局部极大值均值(LMM)与半波高(HWH)，结合时频分析的短时傅里叶变换(STFT)及能量谱密度(PSD)，构建LH-PSD甄测模型。通过模型对极相似土壤光谱进行处理，所获PSD分布图使光谱间的微弱差异可视化显现，并显著区分了相似光谱，验证了模型对光谱特征及弱差信息的甄别能力和有效性。同时应用该模型，对不同Cu污染梯度的土壤实验光谱进行重金属污染信息的提取与分析，研究结果表明，LH-PSD甄测模型中，LMM与HWH可有效提取光谱间差异特征并以阶梯状显现。经模型处理后得到的可视化PSD分布图能直观定性判别土壤是否受重金属Cu污染，即当土壤受重金属Cu污染后，相同采样频数下，在频率为100与600 Hz附近PSD分布会出现明显空缺分离，随着Cu污染浓度的增加，在100~600 Hz之间PSD的分布呈逐渐稀疏态势。能量值E可定量化监测土壤Cu污染程度，即随着土壤中Cu污染浓度的增加，E值呈下降趋势，且与Cu含量的相关系数达到-0.910 5，显著相关。为检验模型的可靠性，研究结合栽种玉米作物的土壤光谱，经LH-PSD甄测模型对其进行分析，所得可视化的PSD分布图结果与实验分析中基本一致，且能量值E的监测结果与土壤中Cu含量相关系数达到-0.973 9，相关性显著，验证了模型的可靠性。因此，LH-PSD甄测模型实现了对土壤光谱从光谱域到时频域的甄析，为深度挖掘重金属污染的光谱特征及弱差信息提供一种新思路。     

铜胁迫下玉米污染特征波段提取与程度监测

我国农田重金属污染形势不容乐观。土壤中的重金属被作物根系吸收后会影响作物正常的生长发育,降低农产品质量,进而通过食物链进入人体,危害人体健康。高光谱遥感为实时动态高效监测作物重金属污染提供了可能。设置不同浓度Cu2+胁迫梯度的玉米盆栽实验,并采集苗期、拔节期和穗期玉米老、中、新叶片光谱数据,测定不同生长时期叶片叶绿素含量、叶片Cu2+含量。基于所获取的光谱数据、叶绿素含量和叶片Cu2+含量,结合相关分析法、最佳指数法(OIF)和偏最小二乘法(PLS)构建OIF-PLS法提取含有Cu2+污染信息的特征波段。首先依据苗期、拔节期和穗期叶片叶绿素含量及穗期叶片Cu2+含量与相应叶片光谱的相关系数初步筛选特征波段;然后,从中选取三个波段计算最佳指数因子,并以该三个波段为自变量,对玉米叶片Cu2+含量进行偏最小二乘回归分析,计算均方根误差;最后根据最佳指数因子最大、均方根误差最小的原则选取最佳特征波段。基于OIF-PLS法所选取的特征波段构造植被指数OIFPLSI监测重金属铜污染,并与常规的红边归一化植被指数(NDVI 705)、改进红边比值植被指数(mSR 705)、红边植被胁迫指数(RVSI)和光化学指数(PRI)监测结果做比较,验证OIFPLSI的有效性和优越性。另外利用在相同的实验方法下获取的不同年份的数据对OIFPLSI进行检验,验证OIFPLSI的适用性和稳定性。实验结果表明,基于OIF-PLS法提取的特征波段(542,701和712 nm)比基于OIF法提取的特征波段(602,711和712 nm)能更好地反映Cu2+污染信息;植被指数OIFPLSI与叶片Cu2+含量显著正相关,相关性优于NDVI 705,mSR 705,RVSI和PRI;OIFPLSI与叶片叶绿素含量显著负相关,与土壤中Cu2+含量显著正相关;不同生长时期OIFPLSI与土壤中Cu2+含量的相关性高低依次为拔节期、穗期、苗期。基于不同年份数据验证结果表明,OIFPLSI与叶片Cu2+含量显著正相关,OIFPLSI具有较强的稳定性。基于OIF-PLS法所提取的特征波段构建的OIFPLSI能够较好地诊断分析玉米叶片铜污染水平,可为作物重金属污染监测提供一定的技术参考。     

重金属铜铅胁迫下不同品种玉米污染程度监测研究

植被重金属污染监测是当今高光谱遥感监测研究的重要内容。为了将高光谱遥感技术定性的用于植被重金属污染监测研究,从盆栽实验采集的反射率光谱数据方面进行研究。在实验室室内设置不同胁迫浓度的重金属铜铅玉米盆栽实验,测定了不同浓度Cu²⁺和Pb²⁺胁迫下玉米叶片的反射率光谱和Cu²⁺和Pb²⁺含量等有关铜铅污染玉米的基础数据,形成了关于重金属铜铅污染玉米植株的一套完整的数据集。研究提出了一种铜铅探测指数(CLDI),实现了不同培育期的两种玉米品种的重金属铜铅胁迫监测,从而为当前植被重金属污染探测提供了新的思路。研究设计了不同浓度的铜铅污染实验,将测量获得的玉米叶片450～850 nm的光谱反射率进行一阶微分(D)和包络线去除(CR)处理后得到微分包络线去除(DCR)光谱曲线,利用皮尔逊相关系数(r)分析DCR数据和生化数据,选择对重金属Cu敏感的特征波段。计算的皮尔逊相关系数表明DCR值在490～520和680～700 nm与土壤和叶片中的Cu²⁺含量呈现接近于1的线性正相关,在630～...     

光谱最小信息熵的高光谱影像端元提取算法

端元提取是混合像元分解的关键,研究其算法在高精度的地物识别、丰度反演和定量遥感等方面具有重要意义。通过研究高光谱遥感影像光谱特征,结合信息熵理论,应用高斯分布函数,建立了一种新的高光谱影像端元提取算法,即光谱最小信息熵(spectral minimum shannon entropy,SMSE)算法。将该算法应用于AVRIRS高光谱影像的端元光谱提取,并经过与美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)波谱库中的数据匹配,得知其提取端元的精度较高。同时,通过与经典的纯净像元指数(pixel purity index,PPI)和连续最大角凸锥(sequential maximum angle convex cone,SMACC)等端元提取算法进行实验比较和结果综合分析,发现光谱最小信息熵算法提取端元光谱效率更高、精度更好。此外,分别利用SMACC和SMSE提取Hyperion高光谱影像端元,得出SMSE的端元提取效果好于SMACC,从而可认为SMSE算法具有一定普适性。     

谐波分析法高光谱影像融合及其光谱信息保真度评价

提高高分辨率影像之间的空间信息融入度和光谱信息保真度是当今高光谱影像融合研究的热点问题。本文结合EO-1卫星的Hyperion高光谱影像与ALI高空间分辨率波段,针对最大限度地克制光谱信息失真与光谱形态变化等问题,提出了高光谱影像的谐波分析融合(HAF)算法和融合影像光谱信息保真度评价的导数光谱差值信息熵(DSD-IE)模型。通过计算和评价采样像元样本的导数光谱差值曲线信息熵、平均梯度和标准差等参量,同时比较主成分分析(PCA)、Gram-Schmidt(GS)和小波分析等方法的高光谱融合影像,证实了基于HAF的高光谱影像融合结果具有较高的空间信息融入度和光谱信息保真度,在空间信息和光谱信息的可靠性、准确性和实用性等方面都明显优于其他传统的高光谱影像融合方法。