針葉與闊葉植被光譜特徵分析與識別

2020-11-24 騰訊網

　　植被識別作為植被覆蓋狀況和動態變化規律研究的基礎工作，它對於森林資源開發、生態環境保護以及防災減災工作等方面均具有重要意義。遙感技術具有快速、準確、經濟、大範圍、可周期性獲取陸地、海洋和大氣資料的能力，是獲取地球信息的高新技術手段。隨著SPOT、WorldView、ALOS等遙感衛星的成功發射，基於遙感影像的植被識別方法得到廣泛研究。然而，由於高解析度遙感影像光譜解析度較低，可提取的影像特徵信息較少，識別精度難以滿足實際植被識別工作的需求。近年來，隨著ASD手持式地面光譜儀的出現，人們可以對大量地物目標的光譜特徵曲線進行快速提取，構建相應的知識庫。本文主要針對針葉與闊葉植被光譜特徵曲線的一致性和差異性進行簡要分析，進而如何採用光譜特徵曲線對不同類型的植被地物進行識別。

　　對於植被的光譜特徵曲線而言，其主要的位置變化信息有如下五個：

　　1)藍吸收邊（藍邊）：光譜在藍光波段的拐點。它是光譜特徵曲線在波長490nm～530nm內（藍邊）一階導數光譜最大值對應的波長(nm)。

　　2)綠峰：光譜在綠光波段的反射率極大值。它是波長位於510nm～560nm範圍內最大的波段反射率對應的波長(nm)。

　　3)黃邊：光譜在黃光波段的拐點。它是波長560nm～640mn內（藍邊）一階導數光譜最大值對應的波長(nm)。

　　4)紅邊：光譜在紅光波段的拐點。紅邊是光譜特徵曲線的一階導數曲線上在680nm～760nm內的極大值點。

　　5)紅谷：光譜在波長650nm～690nm範圍內最小的波段反射率。

　　圖1 闊葉植被光譜特徵曲線

　　圖2 針葉植被光譜特徵曲線

　　對於針葉和闊葉植被的光譜特徵曲線，其一致性主要表現為：在400nm～750nm可見光波長範圍內，其整體上光譜反射率相對較低，普遍小於0.15，這是由於植被吸收了70%-80%的反射能量，光譜特徵曲線表現出良好的吸收特性。在350nm～500nm波長範圍內，由於葉綠素的強吸收作用，在光譜特徵曲線表現為第一個吸收谷；在550nm附近，出現了第一個顯著的反射峰，這一區域為大多數綠色植被的反射特性；在670nm附近，出現了第二個吸收谷，為葉綠素的吸收帶；在690nm～800nm的近紅外波長範圍內，兩類植被的光譜特徵曲線均出現了一個明顯的反射「陡坡」，這種由葉綠素的強反射而造成的「陡坡」常被稱作植物的「紅邊效應」，由於植被生長環境、時間序列的不同造成「紅邊」位置、高度和斜率等存在一定的差異；一直到900nm處為第二個反射峰，這是一個反射特性十分明顯且過程相對平穩的區域，該過程主要由植被的冠層結構和葉片的葉肉細胞結構等因素共同決定；在900nm～1000nm波長範圍內，由於水汽的吸收特性導致光譜反射率不斷下降，進而形成第三個吸收谷。

　　其差異性主要表現為：在550nm附近第一個小的反射峰處，闊葉植被的波峰位置更為明顯，其光譜反射率高於針葉植被；在650nm～750nm波長範圍內，呈現為一個吸收谷，且針葉植被的紅邊斜率更為「陡峭」，上升速度更快；在750nm～1000nm波長範圍內，植被的光譜特徵曲線總體上表現為高反射特性，低吸收特性，植被間的光譜特徵差異較為明顯，針葉植被的光譜反射率和「紅邊」幅值在近紅外波長範圍內明顯高於闊葉植被。這是由於在採集植被光譜特徵曲線的過程中，默認水汽的反射率最高，在應用過程中將其設置為「1」，其他地物的反射率都是以其為基準進行歸一化處理。對於針葉植被而言，其葉片面積相對較小，葉片間的縫隙具有一定的穿透性。而對於闊葉植被而言，其葉片面積相對較大，光譜特徵受水汽影響程度相對較小。因此，針葉植被在一定程度上與水汽得到了一定的「中和」，其光譜反射率高於闊葉植被。

　　基於不同類型植被光譜特徵曲線間的一致性和差異性，可以確定植被在某一個時期內的生長變化，分析外界條件對植被生長的影響，採用模式識別方法構建分類器模型，進而進行植被精確識別，構建相應的知識庫。通過實地考察，採集不同植被光譜特徵曲線，確定不同季節、時期進行植被識別的最佳波段，進而對葉面積指數、葉綠素含量、養分含量等參數進行定量反演，結合多個相關性較小的特徵確定樣本的類別標籤，為後續植被深入研究提供必要的先驗知識。

　　作者：王明威

　　編輯：YOYO

　　審稿：蔡曉萍

相關焦點

  • 木材的「樹種識別」
    木材樹種識別現狀、發展與展望中國林業科學研究院木材工業研究所摘要：介紹了木材樹種宏觀及其與微觀特徵結合的識別技術、木材識別特徵的術語和定義、木材識別輔助工具和軟體以及命名依據；闡述了DNA標記、穩定同位素、近紅外光譜分析等木材樹種識別新技術的發展，及對木材樹種和產地鑑定的應用前景
  • 安徽省森林植被水平分布的特點
    安徽森林植被水平地帶性分布規律明顯，自北向南依次為暖溫帶落葉闊葉林、北亞熱帶落葉、常綠闊葉混交林、中亞熱帶常綠闊葉林。暖溫帶落葉闊葉林分布於淮北平原，現存森林植被主要以人工林為主。只在一些殘丘及古寺周邊仍保存著少量以栓皮櫟、槲櫟、五角楓、樸樹等為優勢的暖溫帶落葉闊葉林以及以側柏為建群種的暖溫帶針葉林。亞熱帶常綠闊葉林分布於淮河以南廣大地區，典型地帶性植被類型為常綠闊葉林和落葉、常綠闊葉混交林。其中，在江淮之間為北亞熱帶落葉、常綠闊葉混交林帶；長江以南及大別山南坡為中亞熱帶常綠闊葉林帶。
  • ENVI 基本光譜分析
    目錄基本光譜分析1. 概述2. 詳細操作步驟2.1 標準波譜庫與瀏覽2.2 波譜庫創建2.3 高光譜地物識別2.3.1 從標準波譜庫選擇端元進行地物識別2.3.2 自定義端元進行地物識別1.如下圖為從多光譜和高光譜數據上獲取的波譜曲線，更高波譜解析度的圖像可以用於識別物質，而相比多光譜圖像，如TM只能用於區分物質。圖：從多光譜和高光譜數據上獲取的波譜曲線對比本課程學習ENVI的高光譜基本分析功能，包括波譜庫的瀏覽與創建、基本的高光譜物質識別流程。2.
  • 【乾貨】定量/高光譜遙感之—光譜分析技術
    在遙感裡面經常會看到光譜分析和波譜分析兩個概念，可以將光譜分析視為在微觀條件下定義；波譜分析在宏觀上定義的。也就是光譜分析是廣義定義，波譜分析是狹義定義，在不太嚴格的情況下，兩個概念是一樣的。遙感中的光譜分析技術可以理解為基於電磁輻射與物質相互作用產生的波長與反射強度，即地物波譜特徵，而進行物質分析的技術。
  • 貴州,擁有種類繁多、分布呈現過渡性的生態植被
    由於地處低緯度亞熱帶範圍，山地面積廣大，因此，植被亞熱帶性質明顯，並隨著海拔和維度的升高植被類型呈現過渡性變化，具有垂直分布和地帶性分布規律。多種類型的土壤生長了多種類型的植被，且相對廣泛的石灰巖使得巖溶植被發育，分布錯綜複雜。貴州的自然植被類型主要分為闊葉林、針葉林、灌叢和灌草叢、沼澤與水生植被和竹林五大類。
  • 中國林科院溼地所利用高光譜遙感技術助力溼地植被生物量及生化組...
    國家林業和草原局政府網10月25日訊 溼地植被是溼地生態系統中能量固定者和有機物質的最初生產者，是研究溼地生態系統物質循環的基礎。開展基於高光譜遙感技術的溼地植物生物量及生化組分反演對於深層次挖掘植被的理化特性，快速便捷的量化植被特徵參數，對提高溼地植物生物量、生化組分估算精度，實現溼地生態系統長期動態監測與管理具有重要意義。中國林科院溼地所研究員李偉主持的院基本科研業務費專項資金面上項目「基於無人機高光譜數據的溼地植物生物量及生化組分反演」，成功實現了溼地植被生物量及生化組分快速準確反演。
  • 星載空間調製幹涉型超光譜成像儀通過鑑定
    鑑定委員會一致認為，該項成果既有理論突破和技術發明，又有集成創新和成功應用，其有力促進了我國光譜成像及相關技術的發展，填補了我國在航天超光譜遙感領域的空白，具有重大意義。 光譜成像技術出現於20世紀80年代，被稱之為光學遙感領域的一場革命。
  • 高光譜圖像的多樣化應用和推廣介紹
    此外，以色列科學家利用CASI高光譜成像光譜儀在特拉維夫市（Tel Aviv Yafo）進行研究，通過CASI圖像選擇典型的地物作為端元數據，實施可靠的戰場詳細偵察。在軍事目標偵察、識別偽裝方面，高光譜遙感能夠依據背景與偽裝目標不同的光譜特性發現軍事裝備，通過光譜特徵曲線可反演出目標的組成成分，從而揭露與背景環境不同的目標及其偽裝。
  • 高光譜遙感就是「火眼金睛」
    地球上不同的元素及其化合物，由於物質組成、結構等不同，都有不同的光譜特徵。這些獨特的光譜特性，類似於人類指紋的功能，是遙感科學中用以識別和分析不同物體特徵的一種重要的「身份證」。　　高光譜遙感實際上是一種簡稱，它的全稱叫「高光譜解析度遙感」。它不像多光譜遙感中根據顏色的差異來分辨目標，而是根據譜段光譜曲線的形態來分析目標是什麼。光譜分析是人類藉助光認知世界的重要方式。
  • 上海交大最新研究成果:針葉樹種葉片具有更強滯塵能力
    資料圖　　據《青年報》報導，針葉樹種尤其是松柏類的葉片具有更強的滯塵能力，適合種植在交通道路隔離帶，高速公路兩側綠化帶最窄也應達到20m，才能阻擋汙染物……植樹節到來之際，上海交大農生學院劉春江團隊發布了歷經數年的研究成果，有望幫助緩解城市大氣汙染。
  • 多光譜相機的原理及組成
    而隨著搭載平臺的小型化和野外應用的需求,光譜成像儀在農業、林業、軍事、醫藥、科研等領域的需求也越來越大。而在此之前成像技術並沒有那麼高，只能對特定的單一的譜段進行成像。雖然解析度高但是數據量大難以進行分析、存儲、檢索，而多光譜成像是將所有的信息結合在一起，這不僅僅是二維空間信息，同時也把光譜的輻射信息也包含在內，從而在較寬的譜段範圍內成像。
  • 高光譜成像光譜儀簡介及其應用概述
    高光譜高光譜成像光譜儀–概述　　高光譜高光譜成像光譜儀是20世紀80年代開始在多光譜遙感成像技術的基礎上發展起來的，它以高光譜解析度獲取景物或目標的高光譜圖像，在航空、太空飛行器上進行陸地、大氣、海洋等觀測中有廣泛的應用，高高光譜成像光譜儀可以應用在地物精確分類、地物識別、地物特徵信息的提取。
  • 硫酸鹽針葉木漿有哪些分類?
    說起硫酸鹽針葉木漿，想必大家並不是很了解。硫酸鹽針葉木漿中的未漂硫酸鹽木漿可供製造牛皮紙、紙袋紙、牛皮箱板紙及一般的包裝紙以及紙板等。那麼，它是如何分類的呢，下面就讓中國紙業網小編向大家介紹下吧。 通常，硫酸鹽針葉木漿可分為兩種：漂白和未漂。
  • 木材的識別與鑑定
    要對木材準確識別鑑定到樹種或木種，必須具備以下三個要素：一是具有先進的儀器設備與工具；二是掌握科學的製片與照片技術；三是正確使用模式木材標本或權威的木材識別工具書。這三要素也稱木材鑑定的三步曲。現對其作簡要介紹。
  • 2020年「農業遙感與表型信息獲取分析」專題文章全在這了
    目前，利用無人機搭載光譜圖像傳感器監測作物生長的研究主要集中在利用植被指數評估作物在單一或者幾個生育期的生長參數，針對作物含水量監測的研究非常有限。本研究主要利用多旋翼無人機低空遙感平臺獲取不同生育期水稻冠層的RGB圖像和多光譜圖像，通過提取植被指數和紋理特徵，分析水稻的動態生長變化，並構建了基於隨機森林回歸方法的含水量預測模型。
  • 光譜成像知多少
    色散型光譜成像技術和幹涉型光譜成像技術都是通過推掃或擺掃的方式獲得目標的二維空間信息和一維光譜信息，對平臺的穩定性要求很高，且在同一次曝光中獲取所有譜段的光譜信息。採用濾光片的光譜成像方案，無論是採用多個濾光片並行獲取多個波長的圖像信息，還是採用依次切換濾光片的方式，都需要根據系統的光譜響應來設置合適的曝光時間，從而獲得最大的信噪比。
  • 光譜成像:光譜學的未來?
    但是，新的光譜成像技術正在增進我們的理解並帶來新的見解。最初開發用於提供衛星和飛機光譜圖像的高光譜成像儀現在也越來越多地用於醫學研究、機器視覺、食品科學、材料分析以及農業和礦物學等領域。 遙感光譜成像光譜學在植物科學和農業中被廣泛用於植物健康的總體評估或植物病害的檢測和鑑定， 許多研究人員在野外使用可攜式分光光度計對當地的植物葉片進行採樣。通常，具有光合作用活性的植被會吸收紅光，並反射綠光和近紅外光。