?高光譜成像系統：湖南省典型植被光譜信息獲取與特征分析

一、引言

地物波譜特性是遙感技術應用的物理基礎，波譜信息在遙感波段的選擇、遙感圖像數據處理分析和判讀、遙感定量反演及應用等領域發揮重要作用。地面實測的地物光譜是遙感應用成果的有力論證。為填補湖南省典型植被光譜信息的空白，方便其他研究者對湖南省或周邊省份進行相關的研究，我們于湖南省衡陽市對典型植被樹種做了光譜信息采集，并分析了其光譜特征。

二、研究區概況

湖南省地處云貴高原向江南丘陵和南嶺山脈向江漢平原過渡的地帶，介于北緯24°38'-30°08'、東經108°47'-114°15'之間，是我國南方的重點林區省之一，全省林業用地面積1299.8萬hm2，占全省總面積的61.4%。衡陽市位于湖南省的中南部，境內植被類型眾多，有木本植物99科、342屬、1047種。

三、數據獲取及處理

經過實地考察和文獻查閱，選定的當地典型林木種類包括：板栗、香樟樹、泡桐、油桐、楝樹、竹子、柳樹、馬尾松、構樹、杉樹、烏桕、油茶，共12種（圖1）。在采集足夠樣本后使用地物光譜儀進行光譜信息的探測。

3.1光譜測量過程

數據獲取時間在2021年9月8-12日，時間段為每天的10：00-16：00，光譜測定均在晴朗、無云時進湖南省地處云貴高原向江南丘陵和南嶺山脈向江漢平原過渡的地帶，介于北緯24°38'-30°08'、東經108°47'-114°15'之間，是我國南方的重點林區省之一，全省林業用地面積1299.8萬hm2，占全省總面積的61.4%。衡陽市位于湖南省的中南部，境內植被類型眾多，有木本植物99科、342屬、1047種。

3.2 數據處理

測量環境或者儀器性能影響會使數據產生一些噪聲,因此需要對數據做預處理以消除干擾。首先剔除誤差較大的數據,為減小系統誤差獲得更接近真實值的數據,取多次測量結果的平均值作為測定結果。使用Matlab軟件把數字表示的光譜信息繪制成連續的曲線,用圖的方式展現出來,更容易得到不同植被的光譜特點。為進一步消除誤差,對光譜曲線圖做平滑處理。

3.3 光譜分析

根據植被光譜曲線特征，把所有植被分成三部分，便于不同樹種間的對比分析。劃分結果見圖2。

圖2 12種樹木光譜曲線

杉樹、竹子、馬尾松在所有波段的反射率都不超過50%，并且竹子和馬尾松的反射率都在40%以下。如圖3所示，三者在557nm處有一個小的反射峰，此處馬尾松的反射率最高接近10%，竹子和杉樹的反射率分別為6%和5%。670~760nm反射率急劇上升形成一個強烈的陡坡，是植被光譜曲線共有的特征，稱為“紅邊”。800nm之后杉樹有2處較高的反射峰，分別在在9300nm和1110nm處，2處峰寬較窄，特征比較明顯。800~930nm段馬尾松的反射率緩慢上升，竹子的反射率沒有大的起伏。竹子和馬尾松的光譜曲線在950nm處有小的吸收谷。

圖3杉樹、竹子、馬尾松光譜曲線

油茶和油桐在1080nm都具有較高反射率，油桐略高于油茶反射率超過了90%。由圖4可以看出在1000nm之前兩者的光譜曲線差異明顯。550nm處油茶的反射率為5.7%，而油桐高于油茶達到了13%，在675nm處的吸收谷油桐的光譜反射率比油茶反射率高3%。結合圖5中反射率的一階微分可以看出：770nm之后油桐的光譜曲線較為平緩，970nm有一處較寬的吸收谷；而油茶的光譜曲線有較大的起伏，在880nm處出現了一個吸收峰，同時在945nm處有一個較大的吸收谷。

圖4油桐、油茶光譜曲線

圖5 油桐、油茶在各波段反射率的一階導數

烏桕、板栗、構樹、楝樹、柳樹、泡桐、香樟的光譜曲線繪制見圖6。從圖中可以明顯看出這幾種樹木光譜曲線的形狀非常相似：在綠光波段（550nm）有明顯的強反射，紅光波段（675nm）為葉綠素吸收峰，中紅外階段（1400nm）處有一個水的強吸收帶。綠光波段處的反射峰都在8%左右，紅光波段處的吸收峰都在5%左右，其中泡桐和構樹在這兩處的反射率略低一些，其它樹種的反射率相差較小。在750~920nm光譜反射率都是平穩上升，960nm處都出現了一個較寬的吸收谷。這幾種樹木的反射率在800nm處差異較大，反射率從高到低依次為泡桐、板栗、楝樹、構樹、柳樹、烏桕、香樟。板栗、鏈樹、構樹在800nm處的反射率非常接近，但在1070nm處三者的反射率差距增大。這幾種樹木的光譜反射率在1265nm差異更為明顯，由高到低依次為板栗、泡桐、構樹、楝樹、烏桕、柳樹、香樟。

圖6烏桕、板栗、構樹、鏈樹、柳樹、泡桐、香樟光譜曲線

四、總結

本文主要對測得的數據進行整理并用圖片的形式對植被光譜信息進行展示，通過觀察植被的光譜曲線圖分析不同樹種的光譜特征，同時進行對比找出不同樹種間的光譜信息差異。由于當前遙感數據在植被方面的應用主要使用可見光和近紅外波段，因此文中重點分析了波長在450~1000nm區間的光譜特征。數據獲取時間是在9月初，樹木生長茂盛，用于數據采集的目標健康狀態良好；使用的地物光譜儀在波長小于1000nm時具有小于3nm的光譜分辨率，完全可以滿足高光譜遙感對地面實測數據的要求。分析結果呈現了湖南省常見樹木的光譜特征，分析了可用于區分不同樹種的特征波段，為遙感技術在林業方面的應用提供了可靠的數據支持。

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審核編輯 黃宇