引言
為了解決鄱陽湖濕地生態(tài)環(huán)境問題,本研究對不同地物反射光譜特征進行差異性分析,利用光譜特征波段選擇可有效區(qū)分南磯濕地地物的特征波段,以此對南磯濕地地物進行識別分類。研究成果為南磯濕地的物種多樣性保護以及合理開發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù)和更好的技術(shù)支持,相關(guān)部門可以采取有效手段保障濕地健康,科學(xué)開發(fā)資源,且研究結(jié)果能夠為后續(xù)基于高光譜影像數(shù)據(jù)的濕地研究奠定基礎(chǔ)。
二、研究區(qū)概況
2.1 研究區(qū)域與樣本
圖 2.1 南磯濕地位置示意圖
鄱陽湖濕地是中國淡水湖泊中最大的生態(tài)濕地,與贛江、饒河、信江、修河和撫河等五條江河水流相接,同時與長江相連,水位季節(jié)性變化明顯,不同水位下形成了多種濕地類型。南磯濕地是鄱陽湖濕地的一個國家級自然保護區(qū),擁有極其豐富的自然資源,水陸交替的生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造了多樣的生態(tài)景觀和地物類型。因此,本研究選取南磯濕地作為研究區(qū)。
三、原始光譜特征分析
3.1 主要地類光譜特征分析
見圖1~5,左邊的圖(a)為全部地物的均值光譜曲線,右邊的圖(b)為去除水體之后,剩余地物的均值光譜曲線。根據(jù)對研究區(qū)地物光譜曲線的初步分析,可以將研究區(qū)內(nèi)的地物歸為三大類,分別是:第一類為水體,包括青色水體、藍色水體、藍綠色水體、深藍色水體、藍黑色水體;第二類為植被,包括林地、蘆葦-南荻群落、薹草-虉草群落、農(nóng)田;第三類為其他地物,包括居民地、建設(shè)用地、裸灘、淺水灘。
圖1 2020年3月15日研究區(qū)地物均值曲線
圖2 2020年6月17日研究區(qū)地物均值光譜曲線
圖3 2020年10月10日研究區(qū)地物均值光譜曲線
圖4 2020年11月11日研究區(qū)地物均值光譜曲線
圖5 2021年1月18日研究區(qū)地物均值光譜曲線
5類水體的反射率在全波段相對較低,整體維持在0.4以下,這與水體對可見光和近紅外的強吸收特性有關(guān)。在可見光區(qū)域,水體與剩余地物光譜差異較小,光譜曲線之間交叉重疊嚴重,難以提取水體。在近紅外區(qū)域,2020年3月15日、2020年6月17日和2020年11月11日的水體反射率明顯低于剩余地物,有明顯的可分性;而2020年10月10日的水體光譜曲線與裸灘在全波段交叉重疊嚴重,這可能是由于該時期水位為豐水期,水位較高,裸灘含水量高,與水體界限不明顯導(dǎo)致;2021年1月18日青色水體和藍色水體在近紅外區(qū)域的光譜反射率較高,與剩余地物的差異不明顯,這可能與枯水期青色水體和藍色水體的水深較淺有關(guān)。不同種類的植被在總體上都表現(xiàn)出了植被的典型反射特征。在可見光區(qū)域,葉綠素和其他色素對光的吸收很強,因此導(dǎo)致植被總體反射率較低。但在波長范圍為680~750nm時,由于植被內(nèi)部細胞結(jié)構(gòu)之間的相互作用,植被的反射率快速增加,形成高峰。在可見光區(qū)域,葉綠素對藍光和紅光的吸收較強,而對綠光反射較多,因此在藍光和紅光波段會形成兩個吸收谷(稱為藍谷和紅谷),而在綠光波段則會形成一個明顯的反射峰。2020年3月15日和2020年11月11日的植被和其它地物在可見光大多數(shù)波段都明顯可分,剩余3個時期的植被光譜與裸灘交叉嚴重。
在近紅外區(qū)域,植被的總體反射率較高,大部分能量被植被反射出去,形成了植被特有的反射高原區(qū)。2020年6月17日和2020年10月10日的植被光譜曲線與其它地物雖有一定程度的交叉,但整體是可區(qū)分的,而剩余時期植被與其它地物的光譜曲線交叉嚴重,需進一步定量分析。其它地物反射率總體較高,在可見光區(qū)域,居民地、建設(shè)用地和淺水灘的反射率明顯高于水體和植被,除2020年11月11日外,剩余時期裸灘與植被的光譜曲線交叉重疊嚴重。在近紅外區(qū)域,2020年6月17日和2020年10月10日其它地物與植被光譜差異明顯,2020年3月15日其它地物與薹草-虉草群落有交叉重疊,2020年11月11日和2021年1月18日其它地物和植被交叉重疊嚴重。通過對圖1~5的(a)和(b)光譜特征進行分析,可以看出水體在近紅外區(qū)域反射率相對較低,可與植被和其他地物區(qū)分開來,在去除水體的光譜曲線后,植被和其它地物在許多波段都存在明顯可分性,因此,認為原始光譜曲線可以有效區(qū)分三大類地物。
3.2 水體光譜特征分析
受水位和水中物質(zhì)等的影響,不同水體在影像上的顯示有所不同,其光譜曲線及光譜特征也會有所差異。
圖6 不同時期水體原始光譜均值曲線
總體來看,水體在全波段光譜反射率相對較低,整體沒有超過0.4,其中,2020年3月15日和2021年1月18日的反射率相對較高,而剩余時期的水體反射率相對較低,不超過0.25,水體反射率整體來看由高到低的順序是:青色水體>藍色水體>藍綠色水體>深藍色水體>藍黑色水體,與其在影像上的標準假彩色顯示相對應(yīng)。2020年3月15日的水體光譜反射率整體呈先下降后略微上升的趨勢。在可見光區(qū)域,青色水體和藍色水體的反射率明顯高于藍綠色水體和深藍色水體,與藍綠色水體和深藍色水體區(qū)別明顯,而藍綠色水體和深藍色水體在可見光區(qū)域近乎重合,差異不明顯;在近紅外區(qū)域,除青色水體的反射率略微高于其余3類水體外,其余3類水體光譜曲線交叉重疊嚴重,整體來說在近紅外區(qū)域可分性不強。2020年6月17日3類水體均表現(xiàn)出可見光區(qū)域的反射率高于近紅外區(qū)域的特征。在可見光區(qū)域,青色水體和深藍色水體的光譜曲線先略微上升再下降,而藍綠色水體的光譜曲線則趨于平緩再略微下降,反射率變化不大,且3類水體在可見光大多數(shù)波段都有明顯的可區(qū)分性;在近紅外區(qū)域,青色水體和藍綠色水體的光譜曲線幾乎重疊,可分性不強,而深藍色水體的反射率則較低,可以區(qū)分識別。2020年10與10日3類水體光譜曲線先上升再下降,然后再近紅外區(qū)域緩慢上升。
3類水體在可見光區(qū)域差異明顯,反射率從高到低的順序為:藍色水體>深藍色水體>藍黑色水體;而在近紅外區(qū)域,3類水體光譜曲線幾乎重疊,無法區(qū)分識別。2020年11月11日5類水體光譜曲線的變化趨勢可分為兩種類型,青色水體和藍色水體的變化趨勢為先上升后下降,其余3類水體再500nm左右有一個明顯的吸收谷,在530~750nm范圍內(nèi),光譜曲線平緩,在760nm處又有一個小型吸收谷,而后趨于平緩。在可見光區(qū)域,5類水體具有可分性,而在近紅外區(qū)域,青色水體的反射率明顯高于其余4類,其余4類交叉重疊嚴重。2021年1月8日在440~600nm范圍內(nèi)呈上升趨勢,之后光譜曲線平緩。青色水體和藍色水體在440~620nm范圍內(nèi)光譜曲線幾乎重合,不可區(qū)分,在620nm之后有一定差別;深藍色水體和藍黑色水體在絕大多數(shù)波段都有明顯可分性,總體而言,4類水體差異明顯。
3.3 植被光譜特征分析
由于植被內(nèi)部結(jié)構(gòu)或組成部分的差異,不同植被間所表現(xiàn)的光譜反射曲線特征也不相同。圖7總體來看,各植被均表現(xiàn)出植被的光譜特征,在可見光區(qū)域反射率較低,在“紅邊”反射率迅速升高,在近紅外區(qū)域形成一個高反射平臺。其中,也存在植被特征較弱的情況,可能與季節(jié)、植被生長情況和植被生長環(huán)境有關(guān)。
圖7不同時期植被原始光譜均值曲線
2020年3月15日由于影像圖幅限制,缺少林地和農(nóng)田這兩類非濕地植被,只有蘆葦-南荻群落、薹草-虉草群落兩類濕地植被。在可見光區(qū)域,兩類植被在綠光波段(550nm附近)形成一個小型反射峰,在650~700nm范圍內(nèi)形成一個小型吸收谷,這是由于植被葉綠素作用而形成的植被固有的特性;在“紅邊”范圍內(nèi),蘆葦-南荻群落形成“陡坡”,而薹草-虉草群落僅有緩慢的上升;在近紅外區(qū)域,蘆葦-南荻群落形成一個高反射平臺,遠高于薹草-虉草群落??傮w而言,薹草-虉草群落的植被特征較弱,這可能是因為薹草-虉草群落在該時期比較稀疏。在近紅外區(qū)域,兩類植被可分性明顯。2020年6月17日四類植被均有明顯的“綠峰”和“紅谷”,符合植被光譜特征。在可見光區(qū)域,農(nóng)田在500~650nm波長范圍內(nèi)略微高于其余三類植被,林地、蘆葦-南荻群落和薹草-虉草群落在可見光區(qū)域的光譜曲線幾乎重合,不可區(qū)分;在近紅外區(qū)域,林地和薹草-虉草群落反射率最高,二者之間存在一定的交叉,次高的為蘆葦-南荻群落,農(nóng)田反射率最低,與其余植被差異顯著,明顯可分。
2020年10月10日,由于鄱陽湖豐水期水位較高,研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)都被水覆蓋,因此,只有位于南山島和磯山島的林地和農(nóng)田這兩類非濕地植被。二者也均存在植被的固有特征,在可見光區(qū)域,光譜曲線幾乎重疊,不可區(qū)分,但在近紅外區(qū)域,農(nóng)田反射率高于植被反射率大約0.1,二者在該范圍差異顯著。2020年11月11日四類植被光譜曲線趨勢相似,在500nm附近有一個小型吸收谷,在550nm附近有一個小型反射峰,在670~720nm波長范圍內(nèi)也有一個吸收谷,在“紅邊”迅速攀升,近紅外區(qū)域形成高反射平臺。在可見光區(qū)域,4類植被的光譜曲線交錯重疊嚴重,不易區(qū)分,而在近紅外區(qū)域,4類植被光譜差異明顯,反射率由高到低依次是:農(nóng)田>林地>蘆葦-南荻群落>薹草-虉草群落,可通過近紅外波段來區(qū)分識別4類植被。2021年1月18日4類植被的植被特征均比較弱,可能是由于植被在冬季枯萎導(dǎo)致的。在450~640nm波長范圍內(nèi),4類植被之間存在一定差異,且反射率由高到低依次為:農(nóng)田>蘆葦-南荻群落>薹草-虉草群落>林地,在650nm之后,4類植被間存在不同程度的交叉現(xiàn)象,其中農(nóng)田在830nm之前反射率均高于其余3類植被。4類植被的可分性需要進一步定量分析及通過數(shù)學(xué)變換放大差異。
圖8 同種植被不同時期原始光譜均值曲線
同種植被受氣候、水位等因素影響,生長狀態(tài)有所不同,表現(xiàn)出的光譜特征也會有所差異。圖8可以看出:四類植被在2020年3月15日和2021年1月18日的光譜反射率明顯不同于其余時間,該時期植被雖有植被的固有反射特征,由于植被在冬季以及初春時生長環(huán)境嚴峻,生長狀況欠佳,在可見光區(qū)域的反射率明顯高于其余時間,其余三個時期植被的光譜特征顯著。在可見光區(qū)域,林地在冬季時的反射率高于其余時期,其余三個時期反射率差異不大,而在林地夏季時近紅外區(qū)域反射率最高,在其余時間差異不大。兩類濕地草叢群落在冬季和初春時可見光區(qū)域的反射率高于其余時間,蘆葦-南荻群落初春時近紅外區(qū)域反射率高,在夏秋花期時近紅外區(qū)域反射率下降,而薹草-虉草群落初夏時近紅外區(qū)域反射率最高,該時期薹草生長旺盛。農(nóng)田在冬季時可見光區(qū)域反射率最高,而在夏季時近紅外區(qū)域反射率最低。
推薦:
便攜式高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VS1000
專門用于公安刑偵、物證鑒定、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、精準農(nóng)業(yè)、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新產(chǎn)品,主要優(yōu)勢具有體積小、幀率高、高光譜分辨率高、高像質(zhì)等性價比特點采用了透射光柵內(nèi)推掃原理高光譜成像,系統(tǒng)集成高性能數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng),高速USB3.0接口傳輸,全靶面高成像質(zhì)量光學(xué)設(shè)計,物鏡接口為標準C-Mount,可根據(jù)用戶需求更換物鏡。
審核編輯 黃宇
-
光譜
+關(guān)注
關(guān)注
4文章
818瀏覽量
35152 -
高光譜
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
330瀏覽量
9934
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論