重金属污染水稻的冠层反射光谱特征研究

利用野外光谱仪获取矿区农田重金属污染水稻的冠层反射光谱,通过曲线模拟和统计分析提取了与水稻冠层叶片重金属含量变化极显著相关的光谱敏感波段(Pb, 460 nm;Zn, 560 nm;Cu, 660 nm;As, 1 100 nm)、归一化植被指数(Pb, NDVI_{(510, 810)};Zn, NDVI_{(510, 870)};Cu, NDVI_{(660, 870)};As, NDVI_{(510, 810)})和“红边”位置等水稻冠层反射光谱特征。表明水稻重金属污染可以被地面遥感传感器快速检测,其浓度变化与所提取的光谱特征之间存在极显著相关,归一化植被指数与“红边”位置对光谱信息的表达要优于敏感波段。归一化植被指数以及“红边”位置可以作为水稻重金属污染遥感监测模型的光谱特征参数选择参考。同时,文章提出了利用遥感技术监测水稻重金属污染的“光谱临界值”概念, 并计算出研究中各重金属对应的“光谱临界值”。     

基于不同灌溉条件下冠层光谱与参数的关系反演冬小麦冠层含水量

为监测冬小麦冠层含水量,根据TM5的波段响应函数,将不同灌溉条件下地面实测的冬小麦冠层窄波段光谱数据转化为TM5的宽波段反射率,计算了水分指数(NDWI和WI);同时,利用地面实测数据计算了冠层含水量(FMC和EWTc),并对水分指数和冠层含水量进行回归分析。结果表明,TM5的b7比b5波段在反演冬小麦冠层水分含量方面优势明显,NDWI比WI更具优势;利用最小二乘法建立了NDWI(b4,b7)与冬小麦冠层含水量的最佳拟合方程,反演FMC和EWTc的复相关系数分别为0.576 9和0.695 6;在此基础上,对河北保定部分地区的冬小麦冠层水分含量进行了空间填图,结果显示,研究区内冬小麦冠层水分含量具有西高东低的趋势,冬小麦生长旺盛的孕穗期冠层含水量比乳熟期高。     

苹果花期的冠层高光谱特征研究

系统分析苹果花期冠层高光谱特征,探明其敏感光谱波段,为大面积苹果树信息提取与营养状况的遥感反演等提供理论依据。利用ASD Field Spec 3便携式地物光谱仪实测的120个苹果花期的冠层高光谱数据,在分析了不同累计样本容量对花期冠层高光谱特征影响的基础上,采用方差分析的方法,明确了苹果花期的冠层高光谱特征及反映花期冠层高光谱的敏感波段。结果表明,随着累计样本容量的增加,苹果花期的高光谱曲线趋于稳定、平滑。在550 nm绿峰处和760～1 300 nm的反射高原区,反射率随着花量的增多而减小,在670 nm的红谷处,反射率随着花量的增多而增大;在350～400 nm,400～500 nm,600～680 nm,760～1 300 nm波段的方差分析结果极显著,是反映花期冠层光谱的敏感波段;随着花量的增多,红边位置、红边斜率和红边面积有逐渐减小的趋势。     

水体背景对湿地水生植物冠层光谱影响研究

水生植被是湿地生态系统的核心,也是影响湿地生态系统功能的最主要因素。近年来,卫星遥感技术在湿地植被资源调查、分类和保护等领域中已得到广泛的应用。由于水生植被独特的生长环境,其冠层光谱会受到水体背景要素包括大气—水界面、水中浮游生物以及泥沙含量、透明度、水体深度、底质和其他光学活性成分的影响,因此遥感技术应用于湿地水生植被冠层光谱研究时,需考虑到水生植被不同于陆生植被的生长环境,这一点在以往的相关研究中并没有得到应有的重视。以典型的挺水植物鸢尾(Iris tectorum Maxim)为研究对象,模拟湿地水生植被的生长环境,使用地物光谱仪测定了鸢尾植被冠层在不同水深梯度背景下的光谱反射率(400~2 400 nm)。实验结果表明,背景水深与鸢尾冠层反射率之间存在着显著的负相关性,其中可见光波段绝对相关系数在0.9以上,近红外波段的绝对相关系数在0.8以上。在可见光和近红外波段,随着背景水深的增加,鸢尾冠层反射率下降均比较明显。最后分别依据可见光和近红外区域相关性最高的波段(505,717,1 075和2 383 nm)建立了背景水深与冠层反射率之间的线性方程,并得出了相关参数。     

紫花苜蓿冠层反射光谱与叶片含水率关系研究

以呼图壁县草地生态站不同灌溉量下现蕾期紫花苜蓿冠层光谱反射率为研究对象,研究确定紫花苜蓿叶片含水率的光谱诊断模型。结果表明：（1）在近红外波段随着紫花苜蓿叶片含水率的增加冠层光谱反射率逐渐减小;（2）利用归一化反射光谱建立的苜蓿叶片含水率光谱反演模型优于原始反射光谱,并且在1 344～1 660 nm波段内所建立的苜蓿叶片含水率预测模型平均相对误差最低（7.8%）。（3）筛选建立的叶片含水率光谱诊断模型为：Y＝0.962-7.560X_{1 451}+5.295X_{1 473}。所建立的紫花苜蓿叶片含水率光谱预测模型可为苜蓿科学灌溉提供决策依据。     

不同滞尘量对城市植物冠层光谱的影响

为了探索不同滞尘量对植被冠层光谱的影响,以位于上海市中心城区的上海师范大学徐汇区校园为研究样区,选取并使用ASD FieldSpec 3地物光谱仪测定校园内龙爪槐、紫荆、红叶石楠及蔓长春等植物不同滞尘量等级下的冠层反射光谱,然后在实验室中使用万分之一电子分析天平测定相应植物的滞尘量并计算各植物的滞尘能力。在此基础上,分析不同滞尘量对植物冠层光谱特征变化的影响。结果表明： (1)植物在710～1 350 nm之间光谱反射率会随着滞尘量的增减而减小而且三条曲线之间的差值较大;滞尘量的变化对各植物在350～710和1 450～1 750 nm之间的光谱影响较复杂,三条曲线之间的差值虽小但差值比并不小。(2)滞尘对植物冠层光谱的影响不仅与滞尘量有关还与树种有关,不同植物或同种植物不同波长的光谱曲线对滞尘量的灵敏度不同。(3)各植物在“绿峰”和红边附近的光谱曲线的斜率会随着滞尘量的增加而减小。(4)滞尘不会引起红边位移现象,但会消弱红边一阶导数的“双峰”现象,表现为“主峰”值与“次峰”值之间的差随着滞尘量的增加而减小,红边位于719 nm处。找到滞尘或不同滞尘量对植被冠层光谱的影响关系,对高光谱遥感在这一领域的应用具有重大意义。     

植被冠层水平叶绿素含量的高光谱估测

植物的叶绿素含量指示了其健康状况。大区域范围内植被叶绿素含量信息的提取可以用于评价植被的生长状况,实现对生态环境的监测。对于农田系统而言,作物叶绿素含量的估测还可以对施肥等田间操作提供支持。文章利用辐射传输模型模拟多组不同状态下的植被冠层光谱反射率,通过对模拟数据的冠层叶绿素含量以及冠层光谱之间关系的分析,构建了估测植被冠层水平叶绿素含量的光谱指数模型。该模型对冠层叶绿素含量的方差解释量达到了75%以上。分别使用野外实测冠层光谱和Hyperion高光谱遥感影像对试验区进行验证。结果证明该模型对冠层水平的叶绿素含量估测效果较好,具有应用价值。     

不同施氨量棉花冠层高光谱特征研究

棉花精准生产对于无损、快速的植株氮含量监测技术有迫切需求.研究棉花冠层光谱特征及其与植株氮含量间的定量关系,可以实现棉株氮素的无损临测.通过连续两年不同施氮量试验,采集棉花冠层高光谱数据并司步测定冠层植株氮含量,分析不同氮肥处理下棉花冠层高光谱特征及其与棉株氮含量间的关系.结果表明:不同时期棉株氮含量与光谱反射率在可见...     

大豆冠层多光谱图像提取方法

为解决大豆冠层在近地端的多光谱图像边缘灰度不均,目标与背景之间灰度差别小,难以准确高效地获取大豆冠层目标区域的难题,将多光谱成像处理技术与经典图像分割方法有机融合,提出基于多光谱图像处理技术的大豆冠层提取方法。以东北大豆为对象,通过Sequoia多光谱相机采集绿光、近红外、红光、红边和可见光五类大豆多光谱图像,采用高斯平滑滤波法对原始大豆多光谱图像进行预处理,分析多光谱图像中大豆冠层和背景的灰度直方图分布特性,在此基础上利用迭代法、Otsu法和局部阈值法提取原大豆多光谱图像中冠层区域,并以图像形态学开运算处理细化和扩张背景,避免图像区域内干扰噪声对大豆冠层识别效果的影响,同时以有效分割率、过分割率、欠分割率、信息熵以及运行时间等为监督指标,对大豆冠层多光谱图像识别模型进行效果评价。大豆冠层识别模型中迭代法可以有效分割近红外和可见光大豆冠层图像,有效分割率分别为97.81%和87.99%,对绿光、红光和红边大豆冠层图像分割效果较差,有效分割率低于70%;Otsu法和局部阈值法可以有效分割除红光波段的其余四种多光谱大豆冠层图像,且有效分割率均在82%以上;三种算法对红光大豆冠层图像的有效分割率均低于20%,未达到较好效果。在原始多光谱图像中应用迭代法、Otsu法和局部阈值法提取大豆冠层图像与标准图像的信息熵平均值波动幅度分别为：0.120 1,0.054 7和0.059 8,其中Otsu法和局部阈值法较小,表明了对于大豆冠层多光谱图像识别中两种算法的有效性。该算法中Otsu法和局部阈值法均可以有效提取绿光、近红外、红边和可见光等多光谱的大豆冠层图像,二者较为完整地保留了大豆冠层信息,其中Otsu法实时性能较局部阈值法更好。该成果为提取农作物冠层多光谱图像提供理论依据和技术借鉴。     

苹果花期冠层光谱探测的规范化技术方法探讨

2008年和2009年,针对苹果花期冠层光谱进行了不同天气条件、不同探测时间、不同探头高度、不同探测角度条件下的冠层反射光谱探测试验,分析其对苹果花期冠层光谱特性的影响,探索规范化的光谱探测技术方法。结果表明,苹果花期冠层在不同条件下的反射光谱响应呈现出一定的规律性,特别是在760～1 350 nm近红外波段表现尤为明显。研究发现,随着光照强度的减弱,冠层光谱反射率降低,在晴天和少云时探测冠层光谱较理想;风速在2级以下时,冠层光谱较稳定;在10:00～15:00测定冠层光谱差异较小;探测高度以整个苹果树冠层充满光谱仪探头视场时光谱曲线较稳定;探头以垂直或近似垂直观测为最佳。在此基础上,提出了苹果花期冠层光谱探测的规范化技术方法,为苹果冠层光谱探测及信息提取提供了科学依据。     

A spectral invariant representation of spectral reflectance

Spectral image acquisition as well as color image is affected by several illumination factors such as shading, gloss, and specular highlight. Spectral invariant representations for these factors were proposed for the standard dichromatic reflection model of inhomogeneous dielectric materials. However, these representations are inadequate for other characteristic materials like metal. This paper proposes a more general spectral invariant representation for obtaining reliable spectral reflectance images. Our invariant representation is derived from the standard dichromatic reflection model for dielectric materials and the extended dichromatic reflection model for metals. We proof that the invariant formulas for spectral images of natural objects preserve spectral information and are invariant to highlights, shading, surface geometry, and illumination intensity. It is proved that the conventional spectral invariant technique can be applied to metals in addition to dielectric objects. Experimental results show that the proposed spectral invariant representation is effective for image segmentation.     

高光谱传感器光谱性能参数反演与反射率恢复

在轨高光谱传感器光谱性能参数的准确定标是数据定量应用的基本前提。文章在前人基础上,综合优化算法,实现了在不需要实测地表反射率的情况下,同时反演高光谱传感器中心波长与半值波宽(fullwidth at half maximum,FWHM)。基于模拟数据的研究结果显示,该方法在光谱性能参数偏移5 nm时,中心波长反演误差小于0.1 nm,FWHM误差小于0.7 nm。将该方法应用于Hyperion数据,结果显示,Hype-rion在VNIR谱段存在明显的smile效应,在整个CCD阵列范围内,其中心波长的偏移量在-2~2 nm之间,FWHM偏移在-0.2~0.5 nm之间;在SWIR谱段smile效应不明显,其中心波长偏移3 nm左右,FWHM偏移在-2~-3 nm之间。最后在光谱重定标基础上,对Hyperion进行了大气校正,反演了不受大气及定标参数影响的地表反射率。经光谱重定标,在大气吸收波段周围由光谱定标参数变化导致的反射率突变得到了抑制。     

基于单叶反射光谱的转基因大麦光合特性分析

反射光谱分析可为植物叶片生理学过程、叶片表面及内部生化组分、结构特征等提供丰富信息。本文以转基因大麦及其原始栽培种为材料,基于单叶反射光谱检测研究了转基因大麦的反射光谱特征及指数的变化。研究结果表明,将不同大麦叶片反射率配对求得反射率比值曲线易于探查出不同大麦品系间反射光谱差异,且转基因大麦与传统对照差异较大的区域主要集中在650～700nm的红谷及红边位置附近,该波段的光谱反射率可能对外源基因的插入扰动反应敏感;而在550nm附近的绿峰及750nm以上近红外区的反射率基本无明显变化。反射光谱指数λRE,mND,SIPI,RRed/RGreen,PRI及NIRR800的差异性变化呈现出时间特性且取决于品系。如上述指数显著变化将意味着植物光合生理过程、功能及状态发生改变。     

Fast acquisition of reflectance spectra using wide spectral lines

We analyze a recently proposed technique for fast acquisition of the two-dimensional (2D) spatial distribution of reflectance spectra to figure out how much its ability of distinguishing almost similar spectra declines with increase of the spectral line bandwidth of the light source. This analysis was carried out using the experimentally measured reflectance spectra of four metameric samples and simulating the system response to an illumination by spectral lines with variable bandwidth. It was shown that the metameric samples are distinguishable even when the bandwidth of illuminating lines is 20–30 nm. A wider bandwidth allows implementation of simultaneous illumination of an object that leads to a diminution of the acquisition time of 2D-multispectral images due to both faster operation in the parallel mode of Light-emitting diodes (LEDs) switching and higher output power.     

Robust estimation of spectral reflectance by a projector-camera system

A Projector-camera （Procam） system is an inexpensive, household, controllable system that can be used to eliminate inter-reflection existing in the measurement. We propose an estimation method for spectral reflectance that uses the Procam system. The method recovers reflectance from the training set constructed by a known reflectance and the corresponding 9D color-mixing matrix. Experiment results show that our method performs well with 9D response, and the local weighted training set based on Mahalanobis metric can enhance the accuracy of result efficiently.     

玉米生长期叶片叶绿素含量检测研究

分析了在正常、偏低、偏高等不同施氮水平下,玉米生长期冠层反射光谱与叶绿素含量的相关关系,结果表明玉米叶绿素含量检测的敏感期为拔节期和喇叭口期.正常施氮水平下玉米冠层光谱反射率与叶绿素含量相关关系高于其他施氮水平,即r正常>r偏高>r偏低.整个生长期由苗期开始二者相关系数绝对值满足先上升后下降,于开花吐丝期达最低后回升的趋势,其中玉米拔节期和灌浆期冠层反射光谱与叶绿素含量呈正相关.选取558,667,714和912 nm,分别对玉米拔节期和喇叭口期建立了MLR和PLSR检测模型,经比较,虽然PLSR模型复相关系数较MLR模型有所降低,但模型鲁棒性得到增强.分析拔节期和喇叭口期各种植被指数与叶绿素含量的相关关系,表明DVI优于其他指数,且拔节期DVI与叶绿素含量呈二项式相关,喇叭口期二者呈指数相关.     

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。     

Real-time monitoring of InAs QD growth procedure on InP substrate by spectral reflectance

Using an in situ spectral reflectance (SR) method, we monitored the growth procedure of InAs QD layer on InP substrate grown by low-pressure metalorganic chemical vapor deposition. The surface reconstruction of the InP buffer layer at 530 °C under P-rich condition was determined by the subtraction SR and explained to be (2 × 4)-like structures composed of the P-dimers and [1 1 0] In-dimers. The [1 1 0] and SR signals at different wavelengths showed different behaviors, which was interpreted to be caused by As/P exchange reaction and the other diverse surface processes. This analysis was confirmed by the comparison between SR signal and multibeam optical stress sensor data.     

Color adjustment algorithm adapted to the spectral reflectance estimation method

We are developing a daily health monitoring system that uses mobile phones with cameras and analyzes physiological conditions from R, G, and B intensity levels. However, since it is affected by various imaging conditions of the image input, color correction is required for accurate health monitoring. Therefore, we developed and validated a colorcorrection algorithm to derive reliable color information by correcting the spectral reflectance using the Wiener estimation and a color chart.     

Application of spectral reflectance to the monitoring of ZnO nanorod growth

By using spectral reflectance (SR), we report on the in situ monitoring of ZnO nanorod growth on Si and sapphire substrates by catalyst-free, low pressure metalorganic chemical vapor deposition. Initially, the SR signals showed the same behavior at various wavelengths but at some point they began to strongly interfere and oscillate. This is interpreted as the starting point of the growth of nanorods. Simulation results using a multilayer model confirmed our analysis.