中分辨率成像光譜儀數(shù)據(jù)的灘涂環(huán)境遙感應(yīng)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(yīng)用能力研究
摘要：以長(zhǎng)江口海岸帶地區(qū)為示范區(qū)，探討了我國(guó)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(chǎng)觀測(cè)和圖像處理結(jié)果，評(píng)價(jià)了其在灘涂環(huán)境遙感中的應(yīng)用能力。

1 引 言 高光譜遙感技術(shù)是近些年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一 種全新遙感技術(shù)。在成像過(guò)程中，它利用成像光譜 儀以納米級(jí)的光譜分辨率，以幾十或幾百個(gè)波段同 時(shí)對(duì)地表地物成像，能夠獲得地物的連續(xù)光譜信息， 實(shí)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(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前 景： 。 本文結(jié)合理論研究和地面試驗(yàn)結(jié)果，重點(diǎn)圍繞 我國(guó)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(duì) CMODIS的機(jī)載和星載遙感資料在灘涂環(huán)境遙感中 的應(yīng)用進(jìn)行了研究。研究結(jié)果對(duì)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(yīng)用潛力，以及傳感器的功能改進(jìn)和應(yīng) 用領(lǐng)域的拓展等方面都具有一定的參考價(jià)值。

2 成像光譜儀簡(jiǎn)介 1984年，美國(guó)成功地進(jìn)行了世界上第一次機(jī)載 成像光譜儀(AIS)飛行試驗(yàn)。此后，美國(guó)和其他許 多國(guó)家相繼研制多種型號(hào)機(jī)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(cè)厚儀| 測(cè)速儀| 轉(zhuǎn)速表| 壓力表| 壓力計(jì)| 真空表| 硬度計(jì)| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測(cè)高儀| 測(cè)距儀| 金屬探測(cè)器| 試驗(yàn)機(jī)| 扭力計(jì)| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計(jì)| 平衡儀|  成像光譜技術(shù)一出現(xiàn)就顯示出良好的應(yīng)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(diǎn)。目前實(shí)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(guó)在1991年研制了成像光譜儀并成功地進(jìn) 行了航空飛行試驗(yàn)。此后又研制了星載中分辨率成 像光譜儀、實(shí)用型模塊化成像光譜儀和高分辨率成 像光譜儀 。CMODIS是我國(guó)第一臺(tái)星載中分辨率 高光譜成像光譜儀，標(biāo)志著我國(guó)民用遙感技術(shù)及其 應(yīng)用研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。CMODIS在0．403 ～ 12．5 m之間具有34個(gè)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(shí)， 得到每個(gè)地物連續(xù)光譜信息，為實(shí)現(xiàn)地物光譜特征 自動(dòng)識(shí)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(shì)為“圖譜合一”， 應(yīng)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(shí)測(cè)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(chǎng)水體類受浮游植物及有 機(jī)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(gè)小反射峰。這些特征為圖像 的監(jiān)督分類和自動(dòng)識(shí)別奠定了可靠的基礎(chǔ)。 為了充分挖掘成像光譜儀的光譜信息，我們利用 對(duì)航飛高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理 ：該方法最早由 Cetin等人在1990年提出．其計(jì)算輸出的像元值不受 全波段數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(gè)特點(diǎn)是可以針對(duì)特定的 地物進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，利用處理得到的 個(gè)分量進(jìn) 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(biāo)準(zhǔn)假彩色合成圖像和利用成像光譜 儀航空模飛獲得的32個(gè)波段圖像經(jīng)nPDF分析得到 的灘涂植被及河口水體增強(qiáng)圖像 植被的增強(qiáng)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(shí)別， 大大提高了成像光譜儀的表現(xiàn)能力，為地物識(shí)別分析 創(chuàng)造了良好條件；從河口水體增強(qiáng)圖像中可以清晰地 識(shí)別排柯水體的擴(kuò)散強(qiáng)度、方向和范圍。 圖l 航空CMODIS標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成圖像 圖2 經(jīng)nPDF增強(qiáng)的濉馀合成圖像 圉3 經(jīng)rrPDF增強(qiáng)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(hào)進(jìn)行了航天遙感 試驗(yàn)，我們選擇了天氣晴好的CMODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行 了處理，并檢索準(zhǔn)同步的EOS／MODIS和HY一1 CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析．結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和實(shí)驗(yàn) 分析結(jié)果．對(duì)SZ一3 CMODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步的應(yīng) 用能力評(píng)價(jià)。
3．2．1 光譜信息提取 為了評(píng)價(jià)成像光譜儀數(shù)據(jù)反演光譜信息的能 力，首先對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào) 匡. 圉5 光灘反射率曲線 ，＼ ／ ＼ 、 ，／ 、_、 波段號(hào) 圖6 泥沙峰外緣水反射率曲線 反射率 波段號(hào) 通過(guò)將圖像反演光譜曲線與理論曲線和實(shí)測(cè)光 譜曲線的對(duì)比分析可知，反演的光譜曲線與理論和 實(shí)測(cè)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(zhǎng)波段，第18～30波段)非常明顯 (圖4)。由于植被長(zhǎng)勢(shì)和覆蓋度不同，導(dǎo)致反射強(qiáng) 度上的差異。如試驗(yàn)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(zhǎng)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(jìn)行 組合 通過(guò)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(dāng)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(qiáng)的條帶；4—8波段，圖像效果接近，相 當(dāng)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(gè)波段出現(xiàn)亮度飽和；9—16波段，相 對(duì)于短波長(zhǎng)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(shí)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(gè)波段 組：4—8波段、9一n波段、12～16渡段，分別對(duì)應(yīng) 于TM的1、2、3波段 分別從各組中挑選一個(gè)波段 進(jìn)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(zhǎng)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�。簣D像l0通過(guò)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(jì)算，可以較好地顯示 植被覆蓋度狀況 圖8 13、10、5波段臺(tái)成圖像圖9 笠、14、8波段合成圖像 圖J0 利用22、l4波段計(jì)算的ND~．

3．3 應(yīng)用能力總體評(píng)價(jià) 目前，成像光譜儀已成為遙感技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域 內(nèi)的一大熱點(diǎn)。但迄今為止，國(guó)內(nèi)外常用的成像光 普儀還是以機(jī)載的為主．要進(jìn)入實(shí)用階段．需要由航 空遙感轉(zhuǎn)向衛(wèi)星遙感。我國(guó)的成像光譜儀研制已達(dá) 到國(guó)外同等水平，目前機(jī)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(wù)化應(yīng)用還存在一定的差距。 從上述研究結(jié)果看，我國(guó)的機(jī)載成像光譜儀在 地物光譜曲線提取和地物特征表達(dá)等方面都取得了 令人滿意的效果。 對(duì)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(duì)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(yīng)用，給灘地的分帶以及地物類型的細(xì)分都 帶來(lái)一定的困難。

4 結(jié)語(yǔ) 本文以長(zhǎng)江口海岸帶灘涂為研究對(duì)象，開展了 CMODIS的灘涂環(huán)境遙感應(yīng)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(diǎn)，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(chǎng)觀測(cè)曲線十分吻合，表 明CMODIS具有地物光譜識(shí)別能力；
(2)利用適當(dāng)方法處理的機(jī)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(cè)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(yīng)用，給灘地的分帶及地物 類型的細(xì)分都帶來(lái)一定的困難； (4)隨著硬件研制和圖像處理及應(yīng)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(lái)越重要的作用。 致謝：感謝國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心蔣興偉研究 員和華東師范大學(xué)惲才興教授對(duì)本文工作的指導(dǎo)。