中分辨率成像光譜儀數(shù)據(jù)的灘涂環(huán)境遙感應用能力研究

中分辨率成像光譜儀數(shù)據(jù)的灘涂環(huán)境遙感應用能力研究
摘要：以長江口海岸帶地區(qū)為示范區(qū)，探討了我國中分辨率成像光譜儀(CMODIS)的灘涂及水體圖像特征。 結(jié)合地面現(xiàn)場觀測和圖像處理結(jié)果，評價了其在灘涂環(huán)境遙感中的應用能力。

1 引 言 高光譜遙感技術(shù)是近些年來迅速發(fā)展起來的一 種全新遙感技術(shù)。在成像過程中，它利用成像光譜 儀以納米級的光譜分辨率，以幾十或幾百個波段同 時對地表地物成像，能夠獲得地物的連續(xù)光譜信息， 實現(xiàn)了地物空間信息和光譜信息的同步獲取，因而 在相關(guān)領域具有巨大的應用價值和廣闊的發(fā)展前 景： 。 本文結(jié)合理論研究和地面試驗結(jié)果，重點圍繞 我國的中分辨率成像光譜儀(CMODIS)數(shù)據(jù)的灘涂 植被信息提取能力和近岸水體遙感能力，對 CMODIS的機載和星載遙感資料在灘涂環(huán)境遙感中 的應用進行了研究。研究結(jié)果對如何充分挖掘 CMODIS的高光譜分辨率和“圖譜合一”的特性在灘 涂遙感中的應用潛力，以及傳感器的功能改進和應 用領域的拓展等方面都具有一定的參考價值。

2 成像光譜儀簡介 1984年，美國成功地進行了世界上第一次機載 成像光譜儀(AIS)飛行試驗。此后，美國和其他許 多國家相繼研制多種型號機載的或星載的中、高分 辨率成像光譜儀。其中星載的MODIS數(shù)據(jù)已得到 了較為廣泛的使用。測厚儀| 測速儀| 轉(zhuǎn)速表| 壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計| 平衡儀|  成像光譜技術(shù)一出現(xiàn)就顯示出良好的應用前 景，引起了普遍重視。同其他常用的遙感技術(shù)相比， 成像光譜儀獲得的數(shù)據(jù)具有波段多、光譜分辨率高、 相鄰波段的相關(guān)性高、數(shù)據(jù)冗余大和空間分辨率較 高等特點。目前實用化的成像光譜儀有著較高的空 間分辨率和高光譜分辨率的特性。 我國在1991年研制了成像光譜儀并成功地進 行了航空飛行試驗。此后又研制了星載中分辨率成 像光譜儀、實用型模塊化成像光譜儀和高分辨率成 像光譜儀 。CMODIS是我國第一臺星載中分辨率 高光譜成像光譜儀，標志著我國民用遙感技術(shù)及其 應用研究進入了一個新的階段。CMODIS在0．403 ～ 12．5 m之間具有34個通道，可將圖像信息和光 譜信息融為一體，在獲取地表空間圖像信息的同時， 得到每個地物連續(xù)光譜信息，為實現(xiàn)地物光譜特征 自動識別創(chuàng)造了條件。

3 CMODIS的灘涂遙感信息提取

3．1航空CMODIS的數(shù)字圖像光譜信息提取 成像光譜儀最顯著的技術(shù)優(yōu)勢為“圖譜合一”， 應用成果的關(guān)鍵性產(chǎn)品之一為地物光譜反演曲線。 在經(jīng)校正處理的航飛圖像中提取典型地物光譜曲 線，并將反演的光譜曲線與理論曲線和地面實測光 譜曲線作比較，發(fā)現(xiàn)各類地物光譜曲線分布形態(tài)及 峰值位置極為相似。如植被及農(nóng)作物光譜反射率曲 線中的綠峰(0．53txm)、吸收峰(0．67hm)及近紅外 反射率(0．771xrn，1．06～1．1O1．~m)非常明顯；居民地、 道路和泥灘等光譜曲線的分布形態(tài)與裸露地及土壤 的光譜曲線相似；水產(chǎn)養(yǎng)殖場水體類受浮游植物及有 機質(zhì)含量影響呈現(xiàn)不同色調(diào)，在光譜曲線上0．531axn 及0．771~m部位有兩個小反射峰。這些特征為圖像 的監(jiān)督分類和自動識別奠定了可靠的基礎。 為了充分挖掘成像光譜儀的光譜信息，我們利用 對航飛高光譜數(shù)據(jù)進行了處理 ：該方法最早由 Cetin等人在1990年提出．其計算輸出的像元值不受 全波段數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征的影響，保征了原遙感數(shù)據(jù)所反 映的地理特征。它的另一個特點是可以針對特定的 地物進行圖像增強處理，利用處理得到的 個分量進 行彩色合成可以充分反映地物光譜特征 圖1—3分 別為原始波段標準假彩色合成圖像和利用成像光譜 儀航空模飛獲得的32個波段圖像經(jīng)nPDF分析得到 的灘涂植被及河口水體增強圖像 植被的增強圖像 以綠色為主，清晰地反映了綠色植被的特征。稻田、 草地、林塊、蘆葦和灘地等從顏色及紋理上均可識別， 大大提高了成像光譜儀的表現(xiàn)能力，為地物識別分析 創(chuàng)造了良好條件；從河口水體增強圖像中可以清晰地 識別排柯水體的擴散強度、方向和范圍。 圖l 航空CMODIS標準假彩色合成圖像 圖2 經(jīng)nPDF增強的濉馀合成圖像 圉3 經(jīng)rrPDF增強的水體合成圖像

3．2 星栽CMODIS的灘涂環(huán)境遙感信息提取 CMODIS首次搭載神舟3號進行了航天遙感 試驗，我們選擇了天氣晴好的CMODIS數(shù)據(jù)進行 了處理，并檢索準同步的EOS／MODIS和HY一1 CCD數(shù)據(jù)進行了對比分析．結(jié)合現(xiàn)場測量和實驗 分析結(jié)果．對SZ一3 CMODIS數(shù)據(jù)進行了初步的應 用能力評價。
3．2．1 光譜信息提取 為了評價成像光譜儀數(shù)據(jù)反演光譜信息的能 力，首先對該數(shù)據(jù)進行了大氣校正，之后提取不同地 物的光潛曲線，主要包括裸灘地、蘆葦、農(nóng)田、城市以 及不同泥沙濃度的水體 圖4～7顯示了從圖像中 反演的典型地物如蘆葦、光灘和不同濃度泥沙水體 的反射光譜曲線。 匣射率 圖4 蘆葦反射率d蠡線 渡段號 匡. 圉5 光灘反射率曲線 ，＼ ／ ＼ 、 ，／ 、_、 波段號 圖6 泥沙峰外緣水反射率曲線 反射率 波段號 通過將圖像反演光譜曲線與理論曲線和實測光 譜曲線的對比分析可知，反演的光譜曲線與理論和 實測的地物光譜曲線分布形態(tài)及峰值位置極為相 似，可以很好地反映地物的光譜特征 (1)植被及農(nóng)作物光譜反射率曲線中的綠峰 (0．543—0．553 m，第8波段處)、吸收峰(0．663～ 0，673la．ra，第14波段處)及近紅外反射率(0 743～ O．803 m及以長波段，第18～30波段)非常明顯 (圖4)。由于植被長勢和覆蓋度不同，導致反射強 度上的差異。如試驗區(qū)在6月份，小麥等農(nóng)作物已 經(jīng)收割完畢，而新種的玉米等作物還處于幼苗期，覆 蓋度較低，因此反射率比生長密集的蘆葦?shù)戎脖灰?低。而灘地由于植被稀少+含水量較高，因此，光譜 特征與水體近似(圖5) (2)含沙水體的光譜曲線反射峰位置，隨泥沙濃 度的不同而有所變化，處在可見光波段O．543一 n 703~．m區(qū)段內(nèi)，隨懸浮泥沙含量不同，反射率值高 低不一。外海水由于含沙量較低，光譜曲線的反射率 值亦下降。隨著向河口方向，泥沙濃度增加，水體反 射率增大，而且出現(xiàn)了反射峰的“紅移”(圖6、7)。
3．2．2 單波段圖像信息特征 成像光譜儀獲取的遙感圖像信息量極其豐富． 不同波段遙感圖像可以顯示不同地物類型及其分布 狀況。為此，在確定圖像處理方案以前，逐一分析各 單波段的影像特征，便于選擇不同的特征波段進行 組合 通過各單波段圖像分析，可以得到成像光譜儀 數(shù)據(jù)的基本圖像特征。 總體上，4～20波段(主要是可見光波段)，圖像 質(zhì)量良好，地物特征明顯 其余波段存在不同程度 的噪聲，有的波段相當明顯。 l～3渡段，由于受散射的影響，圖像噪聲干擾 較大，有較強的條帶；4—8波段，圖像效果接近，相 當于TMI，可以從灰度上區(qū)分城市，低濃度泥沙，濃 度泥沙在這幾個波段出現(xiàn)亮度飽和；9—16波段，相 對于短波長波段，大氣干擾減小，圖像更加清晰，城 市、植被特征明顯，泥沙低、中濃度區(qū)有良好反映；17 ～ 20波段，高濃度泥沙區(qū)，內(nèi)陸水體(湖泊、江河)均 有良好反映，水陸邊界易于識別，為植被的高反射 區(qū)，圖像條帶噪聲小，質(zhì)量好；21～26波段，植被的 高反射波段，水下淺灘也有明顯反映，但圖像的條帶 噪聲增太；27～30波段為紅外波段，噪音十分明顯：
3．2．3 成像光譜儀多波段組合圖像的信息特征 基于單波段圖像光譜特征分析．可以初步得到 反映不同地物的幾種圖像合成方案。 (1)可見光波段組合。其中可以分為三個波段 組：4—8波段、9一n波段、12～16渡段，分別對應 于TM的1、2、3波段 分別從各組中挑選一個波段 進行組合，可以得到近似的合成效果 這些組合圖 像可以較好地反映泥沙特征，見圖8。 (2)利用近紅外和可見光渡段組合，可以較好 地反映坭沙不同濃度醫(yī)、植被和水陸邊界特征，見圖 9。在這兩張組合圖像上．長江口泥沙高濃度區(qū)、渾 水舌和羽狀流等特征都有良好的反映；內(nèi)陸湖泊等 水體的水色特征也較突出， (3)植被指數(shù)信息提取：圖像l0通過c B24一 B14)／(B24+BI4)即(0．9 一0．67 m)／(0．9岬 +0．67 m)歸一化植被指數(shù)計算，可以較好地顯示 植被覆蓋度狀況 圖8 13、10、5波段臺成圖像圖9 笠、14、8波段合成圖像 圖J0 利用22、l4波段計算的ND~．

3．3 應用能力總體評價 目前，成像光譜儀已成為遙感技術(shù)與應用領域 內(nèi)的一大熱點。但迄今為止，國內(nèi)外常用的成像光 普儀還是以機載的為主．要進入實用階段．需要由航 空遙感轉(zhuǎn)向衛(wèi)星遙感。我國的成像光譜儀研制已達 到國外同等水平，目前機載成像光譜儀已轉(zhuǎn)向?qū)嵱?化階段，但由于受某些技術(shù)條件的限制，星載成像光 譜儀的業(yè)務化應用還存在一定的差距。 從上述研究結(jié)果看，我國的機載成像光譜儀在 地物光譜曲線提取和地物特征表達等方面都取得了 令人滿意的效果。 對星載圖像的單波段分析表明，CMODIS在可 見光波段的效果要好于紅外波段，主要表現(xiàn)在條帶 噪聲較低，信噪比和圖像對比度較高。另外，由于星 載CMODIS的空間分辨率不高，影響了數(shù)據(jù)在灘涂 地區(qū)的應用，給灘地的分帶以及地物類型的細分都 帶來一定的困難。

4 結(jié)語 本文以長江口海岸帶灘涂為研究對象，開展了 CMODIS的灘涂環(huán)境遙感應用研究，研究結(jié)果表明：
(1)CMODIS數(shù)據(jù)具有“圖譜合一”的特點，可 以很好地從圖像中提取地物的光譜曲線，該曲線與 地物光譜的理論曲線和現(xiàn)場觀測曲線十分吻合，表 明CMODIS具有地物光譜識別能力；
(2)利用適當方法處理的機載CMODIS圖像， 典型地物特征突出、信息豐富，可以在灘涂植被、河 口水色等環(huán)境遙感監(jiān)測中發(fā)揮重要作用；
(3)由于星載CMODIS的空間分辨率較低，影 響了數(shù)據(jù)在灘涂地區(qū)的應用，給灘地的分帶及地物 類型的細分都帶來一定的困難； (4)隨著硬件研制和圖像處理及應用模型技術(shù) 水平的不斷提高，成像光譜儀和高光譜數(shù)據(jù)將在海 岸帶環(huán)境遙感中發(fā)揮越來越重要的作用。 致謝：感謝國家衛(wèi)星海洋應用中心蔣興偉研究 員和華東師范大學惲才興教授對本文工作的指導。