萊森光學(xué)：基于光譜信號(hào)特征的草原退化地物分類研究

一、引言

在人類社會(huì)的進(jìn)程中，環(huán)境問(wèn)題逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。氣候變暖、水資源匱乏、土地退化、生物多樣性減少以及沙塵暴頻繁發(fā)生等現(xiàn)象對(duì)人類的生存環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，同時(shí)也成為制約社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。造成環(huán)境問(wèn)題的根本原因大多源于人類生產(chǎn)活動(dòng)中過(guò)度排放和對(duì)自然界物產(chǎn)過(guò)度開(kāi)采引起的，而草原退化則是其中一個(gè)極其嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題。本文是利用低空遙感技術(shù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行荒漠草原退化地物蓋度監(jiān)測(cè)與健康狀況評(píng)估的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，為實(shí)時(shí)、高效的荒漠草原退化指示地物蓋度統(tǒng)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，為推動(dòng)區(qū)域性草原生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供了平臺(tái)和技術(shù)支持。

二、研究區(qū)概況

格根塔拉草原處于中國(guó)北方典型的荒漠草原地帶。東于錫林郭勒典型草原接壤，西與阿拉善東部草原化荒漠相鄰。作為草原植被**旱生的荒漠草原，其植被蓋度低，植被群落矮小，生態(tài)系統(tǒng)具有明顯的脆弱性。研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗境內(nèi)（圖1）。

圖1 研究區(qū)域示意圖

該地區(qū)被認(rèn)為是中國(guó)三大生態(tài)脆弱帶之一。四子王旗地貌山地、丘陵和高原面積占比分別為4.1%、56.1%和39.8%。四子王旗草地總面積占全旗國(guó)土面積的85.4％，主體草原類型為荒漠草原，如圖2所示。近年來(lái)，隨著氣候變暖、人類活動(dòng)和畜牧業(yè)生產(chǎn)等因素的影像，荒漠草原退化現(xiàn)象***加劇，生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)能力持續(xù)下降，進(jìn)一步提高了草原的脆弱性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，轄區(qū)內(nèi)約90%的草原已被劃分為退化草原。受氣候條件及地形地貌的影響，全旗地下水系分布不均勻，水資源匱乏，草原地區(qū)呈半缺水或缺水狀態(tài)。

圖2 2022 年 7 月研究區(qū)域地貌

無(wú)研究區(qū)植物群落主要由旱生性植物種組成，群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，草層低矮且稀疏分布，如圖3所示。該生態(tài)系統(tǒng)中，生物多樣性和生物量相對(duì)較低，植被類型多以耐寒抗旱性種類為主。建群種和優(yōu)勢(shì)種包括短花針茅、無(wú)芒隱子草以及沙生針茅等；退化指示種為小半灌木冷嵩；伴生種有小葉錦雞兒、狹葉錦雞兒和駝絨藜等灌木；一年生植物以阿爾泰狗娃花、豬毛菜和櫛葉蒿為主。短花針茅、無(wú)芒隱子草和小半灌木冷嵩等植被在研究區(qū)中占據(jù)了超過(guò)80%的群落生物量。此外，雜類草主要以旱生和中旱生雜草為主。

圖3 2021 年研究區(qū)植被蓋度分布圖

三、數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

依據(jù)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》(GB19377-2003)，天然草地退化監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包含植被群落組成結(jié)構(gòu)、群落特征、指示植物、地上產(chǎn)草量、地表特征、土壤養(yǎng)分和土壤理化性質(zhì)等7項(xiàng)指標(biāo)。本研究以格根塔拉荒漠草原植被蓋度、裸露土壤面積占比以及退化指示植物群落蓋度為研究對(duì)象，其中退化指示植被群落包括建群種短花針茅、退化指示種冷蒿和優(yōu)勢(shì)種無(wú)芒隱子草等植物。根據(jù)荒漠草原氣候特征及天然草地的物候期特性，選擇在2021～2023年的植被長(zhǎng)勢(shì)較好的7～8月進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.1野外調(diào)查及樣方布置

野外調(diào)查主要包括對(duì)研究區(qū)進(jìn)行人工踏訪、RTK樣方定位和樣方布置等，并獲取樣方冠層RGB圖像。隨后通過(guò)目測(cè)法對(duì)每一個(gè)樣方進(jìn)行觀測(cè)，主要記錄植被垂直投影面積、裸土面積、植被群落數(shù)量和植被群落相對(duì)占比等指標(biāo)。

圖4 外業(yè)調(diào)查與樣方布置

3.2 數(shù)據(jù)采集

本研究采用無(wú)人機(jī)懸停掃描方式采集荒漠草原退化地物高光譜遙感影像。地面站通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)發(fā)送指令，使得操作員能夠?qū)崟r(shí)控制無(wú)人機(jī)的飛行方向、高度、速度等參數(shù)。

3.3數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進(jìn)行無(wú)人機(jī)高光譜遙感影像數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于云量、強(qiáng)風(fēng)以及其他外在因素的干擾，導(dǎo)致影響成像質(zhì)量，包括圖像過(guò)曝光和扭曲變形等。為確保獲取數(shù)據(jù)的有效性，首先通過(guò)人工檢查的方式剔除扭曲變形等成像不佳的遙感影像，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進(jìn)行反射率校正，即結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)板和暗電流將無(wú)量綱的DN值轉(zhuǎn)換為地物光譜反射率，如圖5所示。

圖5 高光譜遙感影像輻射校正圖

（a）反射率校正前；（b）反射率校正后

四、基于光譜信號(hào)特征的草原退化地物分類研究

本章結(jié)合以往的研究數(shù)據(jù)以及研究區(qū)草原植被群落的結(jié)構(gòu)低矮、稀疏分布特性，選擇了四種適用于計(jì)算低密度綠色植被覆蓋度的植被指數(shù)，包括歸一化植被指數(shù)（NDVI）、比值植被指數(shù)(RVI)、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（SAVI）和差值植被指數(shù)（DVI）等，以比較不同植被指數(shù)對(duì)低空無(wú)人機(jī)高光譜遙感影響的荒漠草原植被蓋度的估算能力及精確度，如表1所示。

表 1 常用植被指數(shù)及其特性

4.1荒漠草原退化指示地物光譜特性分析

本研究在2021～2023年期間共獲取了450幅低空無(wú)人機(jī)高光譜遙感影像，所采集地光譜數(shù)據(jù)包含256個(gè)波段，覆蓋波段范圍為400nm～1000nm。豐富的地物光譜信息為準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本節(jié)將對(duì)利用無(wú)人機(jī)高光譜遙感獲取的荒漠草原退化指示地物影像進(jìn)行光譜特性分析，研究選取了裸土、植被以及非植被進(jìn)行光譜特性分析，其中非植被主要以枯草為主。選取經(jīng)過(guò)預(yù)處理的無(wú)人機(jī)高光譜遙感影像中具有代表性數(shù)據(jù)，進(jìn)行反射率光譜特性分析。利用ENVI軟件分別繪制各類地物反射率光譜曲線，其中不同顏色的反射率光譜曲線分別**取自不同感興趣區(qū)域的純凈像元，如圖6所示。

圖6 地物反射率光譜曲線

（a）裸露土壤；（b）植被；（c）非植被

通過(guò)圖6（a）可以看出，土壤在可見(jiàn)光范圍內(nèi)表現(xiàn)出較低的反射率，尤其在藍(lán)光和綠光波段，紅光波段反射率逐漸上升，且隨著波長(zhǎng)的增加土壤的反射率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。植被在可見(jiàn)光波段的光譜特征受到葉綠素的影響，其主要吸收藍(lán)光和紅光，而在綠光波段的吸收相對(duì)較弱，導(dǎo)致可見(jiàn)光中綠光波段560nm波長(zhǎng)附近形成反射峰（559.9nm），相比之下，在紅光波段670nm波長(zhǎng)附近形成反射谷（672.2nm），所謂“綠峰紅谷”，如圖6（b）所示。同時(shí)，隨著波長(zhǎng)的增加反射率呈現(xiàn)出陡增的趨勢(shì)。在近紅外波段，特別是在紅邊690nm～750nm附近，植被的反射率***上升，表現(xiàn)出植被對(duì)近紅外光有較強(qiáng)的反射?？傮w而言，植被光譜曲線存在藍(lán)谷、綠峰、紅谷和近紅外反射平臺(tái)等特征?？莶萦捎谑チ酥脖辉械乃趾腿~綠素，其反射率光譜特征主要由木質(zhì)素、纖維素及氮含量等決定，相比綠色植被差別較大，在可見(jiàn)光波段不具備藍(lán)谷、綠峰及紅谷等綠色植被的反射率特征。其反射率光譜曲線隨著波長(zhǎng)的增加表現(xiàn)出線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，且在500nm～1000nm范圍枯草的反射率始終低于裸露土壤，如圖6（c）所示。

圖7 地物反射率平均光譜曲線

為了更好的展示荒漠草原退化指示地物的反射率光譜曲線特性，采用多點(diǎn)平均法分別提取上述地物的反射率平均光譜曲線。通過(guò)選取每類地物感興趣區(qū)域各300個(gè)純凈像元，并平均運(yùn)算得到各類地物反射率均值，光譜反射率均值公式如式（2）所示，得到裸土、植被和非植被的光譜反射率曲線，如圖7所示。

4.2退化指示植被群落光譜特征分析

本節(jié)將重點(diǎn)分析退化指示植被群落的反射率光譜曲線，以進(jìn)行建群種（短花針茅）、退化指示種（冷蒿）和優(yōu)勢(shì)種（無(wú)芒隱子草）群落的閾值分類研究。

在處理無(wú)人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)采集的植被純樣方影像數(shù)據(jù)時(shí)，研究采取了一種綜合的樣方選擇策略，以避**一樣方數(shù)據(jù)代表性不足、誤差影響大和空間變異性等問(wèn)題，從而提升數(shù)據(jù)的代表性和可靠性。首先，將對(duì)整個(gè)研究區(qū)域的植被純樣方高光譜數(shù)據(jù)按照群落類型進(jìn)行分類，每一類植被群落都被視為一個(gè)**的研究單元；接著，從每一類植被群落研究單元中隨機(jī)選擇三個(gè)樣方進(jìn)行反射率光譜曲線分析，其能夠更好的反映整個(gè)研究區(qū)域的植被狀況，詳見(jiàn)圖8。

圖8 純樣方假彩色圖像（a）植被群落假彩色圖像；（b）植被增強(qiáng)圖像

圖中依次排序?yàn)榻ㄈ悍N、退化指示種和優(yōu)勢(shì)種群落。圖9中分別展示了建群種、退化指示種和優(yōu)勢(shì)種植被群落高光譜影像中隨機(jī)提取的20個(gè)純凈像元反射率光譜曲線，不同曲線顏色分別**取自不同的感興趣區(qū)域?？傮w而言，圖9a、33b和33c揭示了荒漠草原退化指示植被群落的反射率光譜曲線走勢(shì)在很大程度上是一致的，展現(xiàn)出了典型綠色植被光譜的“綠峰”、“紅谷”、“紅邊”特征，且存在區(qū)分度較低。具體分析植被群落光譜曲線特征，統(tǒng)計(jì)出藍(lán)谷區(qū)域的反射率約為5%，綠峰區(qū)域反射率在6%～8%之間，紅谷反射率在4%～8%之間，而近紅外波段反射率在12%～28%之間。

圖9 植被群落光譜反射率曲線（a）建群種；（b）退化指示種；（c）優(yōu)勢(shì)種

本章所使用的無(wú)人機(jī)高光譜遙感的荒漠草原退化指示植被群落純樣方影像數(shù)據(jù)主要包含建群種、退化指示種、優(yōu)勢(shì)種、枯草（枯枝落葉）和裸土等。為了更清晰地揭示退化指示植被群落的反射率光譜曲線特征，本節(jié)采用光譜反射率均值公式進(jìn)行平均運(yùn)算。分別從每類植被群落中分別提取300個(gè)純凈像元的反射率平均光譜曲線，詳見(jiàn)圖10。

圖10 植被群落反射率平均光譜曲線

從圖中可以觀察到，植被群落在波長(zhǎng)560nm（555.2nm～562.3nm）附近具有較明顯的綠光反射峰，波長(zhǎng)680nm（674.6nm～684.3nm）附近具有明顯的紅光吸收谷；在波長(zhǎng)400nm～720nm之間建群中和優(yōu)勢(shì)種反射率光譜曲線存在高度重合；而退化指示種在波長(zhǎng)720nm～1000nm之間光譜反射率明顯高于建群種和優(yōu)勢(shì)種植被群落；且優(yōu)勢(shì)種在波長(zhǎng)730nm～900nm之間光譜反射率偏高于建群種。

五、小結(jié)

本章闡述了植被指數(shù)在地表觀測(cè)方面的研究概況，并對(duì)常用植被指數(shù)進(jìn)行了介紹；研究分析了荒漠草原退化地物光譜特性，并利用歸一化植被指數(shù)、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)提取了植被的光譜特征信息，針對(duì)傳統(tǒng)植被指數(shù)中裸土和非植被閾值區(qū)間重疊較高的問(wèn)題，采用J-M距離法進(jìn)行特征波段提取，成功實(shí)現(xiàn)了裸土和非植被的分類；深入分析了植被群落反射率光譜特性，針對(duì)建群種、退化指示種和優(yōu)勢(shì)種具有典型綠色植被光譜的“綠峰”、“紅谷”、“紅邊”特征，同時(shí)反射率光譜曲線存在高度一致問(wèn)題，依據(jù)波長(zhǎng)730nm～900nm區(qū)間植被群落光譜反射率特征，利用特征波段求和方式研究了植被群落閾值分布區(qū)間。

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