干旱區(qū)湖泊水體研究的最優(yōu)遙感影像選擇
——以艾比湖為例

唐爽，陳蜀江

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052； 2.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊 830054)

干旱區(qū)湖泊水體研究的最優(yōu)遙感影像選擇
——以艾比湖為例

唐爽1?，陳蜀江2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052； 2.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊 830054)

利用CBERS-2、Landsat-7 ETM+、ASTER遙感影像的光譜信息并結(jié)合實測光譜數(shù)據(jù)，獲得艾比湖水體光譜特征。在對3種衛(wèi)星影像進(jìn)行幾何校正、大氣校正、圖像鑲嵌等預(yù)處理的基礎(chǔ)上，提取各衛(wèi)星影像上樣點的各波段灰度值。然后對其求均值后生成反射折線圖，通過與艾比湖水體光譜特征曲線進(jìn)行對比，來選擇最適合艾比湖水體研究的衛(wèi)星影像。

CBERS-2；Landsat-7 ETM+；ASTER；艾比湖水體；光譜特征曲線

1 引 言

遙感技術(shù)為不同時空尺度上的研究提供了數(shù)據(jù)源，結(jié)合地面觀測、調(diào)查和試驗，為多尺度湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究奠定了基礎(chǔ)。地理信息系統(tǒng)為各種數(shù)據(jù)的分析處理、維護(hù)和管理提供了基本平臺，為區(qū)域環(huán)境要素的尺度轉(zhuǎn)換提供了技術(shù)支持。迄今為止，在海洋湖泊測定浮游植物各指標(biāo)方面，所利用的遙感數(shù)據(jù)主要有:Landsat MSS和TM數(shù)據(jù)、SeawiFS、氣象衛(wèi)星NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)、SPOT和MODIS數(shù)據(jù)等。隨著遙感傳感器光譜分辨率的進(jìn)一步提高，利用成像高光譜技術(shù)進(jìn)行水體監(jiān)測表現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。目前，國內(nèi)外利用遙感手段對湖泊水體的研究主要有:浮游植物生物量的遙感反演，湖泊水質(zhì)的監(jiān)測、湖泊浮游植物葉綠素a的遙感反演。這些研究的區(qū)域多集中在太湖，多數(shù)使用TM和MODIS衛(wèi)星影像。

本研究選取干旱區(qū)湖泊艾比湖作為研究區(qū)域，利用湖面采樣點的水體光譜實測數(shù)據(jù)和3種衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)所反映出的光譜信息，對比研究兩者之間的關(guān)系，選擇最適合研究艾比湖水體的衛(wèi)星影像，為今后基于RS技術(shù)的艾比湖水體研究提供理論參考。

2 遙感數(shù)據(jù)的選擇及預(yù)處理

2.1 實驗選取的遙感影像數(shù)據(jù)

本研究選用2008年8月覆蓋艾比湖湖面范圍且與野外調(diào)查時間相近的CBERS-2、Landsat-7 ETM+、ASTER的可見光到近紅外遙感影像。實驗選擇CBERS-2第1、2、3、4波段的影像、ASTER第1、2、3波段影像以及Landsat-7 ETM+七波段中的第1、2、3、4波段影像。3種遙感影像的詳細(xì)信息如表1所示。

實驗選取的遙感影像信息 表1

2.2 遙感影像的預(yù)處理

(1)大氣校正

選擇利用ENVI軟件的FLAASH模塊對CBERS-2、 ETM、ASTER三種衛(wèi)星影像的可見光波段圖像進(jìn)行了大氣校正。

(2)幾何糾正

以一幅已經(jīng)進(jìn)行過精確糾正的ETM數(shù)據(jù)(投影坐標(biāo)為UTM，橢球體為WGS-84)為底圖，在Erdas軟件支持下選取7個地面控制點(GCP)，使用多項式糾正模型對ASTER、ETM、CBERS-2三種遙感影像進(jìn)行幾何精糾正，最后采用最鄰近點法對圖像重采樣，輸出圖像?？傉`差RMS控制在0.5個像元之內(nèi)，此誤差范圍滿足本研究的要求。

(3)圖像鑲嵌

由于一景ASTER遙感影像無法覆蓋整個艾比湖湖面范圍，所以需要將相鄰兩景ASTER影像拼接起來，構(gòu)成一幅覆蓋完整湖面的影像。本文使用ENVI中的Mosaicking圖像鑲嵌功能，將兩景圖像基于地理坐標(biāo)進(jìn)行拼接和鑲嵌，并使用羽化技術(shù)來融合圖像邊緣，輸出一幅有地理坐標(biāo)的鑲嵌影像。

3 衛(wèi)星影像樣點灰度值的提取

本文提取了CBERS-2、ETM+和ASTER三種衛(wèi)星影像上對應(yīng)采樣點的灰度值。將RTK測得的樣點地理坐標(biāo)輸入Excel中，導(dǎo)入SuperMap軟件中利用“屬性轉(zhuǎn)點”功能，生成矢量點圖層。利用ArcGIS 9.2中的子集提取工具按照矢量點的位置提取艾比湖湖面30個樣點在衛(wèi)星影像上的各波段灰度值。表2、表3、表4分別為CBERS-2、ETM+和ASTER采樣點各波段灰度值。圖1艾比湖采樣點分布示意圖。

圖1 艾比湖采樣點分布示意圖

CBERS-2影像各波段反射率 表2

續(xù)表2

ETM影像各波段反射率 表3

ASTER影像各波段反射率 表4

4 水體光譜實測數(shù)據(jù)

光譜測量設(shè)置了4個采樣點，分別位于湖區(qū)的東部、北部、中部和西部，與樣點shw29、shw14、shw2、shw10位置相同。

圖2 樣點實測反射光譜曲線

水體反射光譜的測量使用美國ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec 3便攜式近紅外光譜儀，波長范圍350 nm～2 500 nm。350 nm～1 000 nm光譜分辨率為3 nm， 1 000 nm～2 500 nm光譜分辨率為10 nm，1m長標(biāo)準(zhǔn)光纖探頭，25°前視場。測量時間內(nèi)天空基本無云，水面平靜，標(biāo)準(zhǔn)光纖探頭距離水面1m左右進(jìn)行測量，借助于參考板，儀器自動將水體向上輻射率轉(zhuǎn)化為水體的反射率，采樣時間10次/s。光譜數(shù)據(jù)在ASD ViewSpec Pro數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行篩選，剔除所有異常的曲線，對每個采樣點剩余的曲線進(jìn)行平均用于進(jìn)一步分析。圖2給出的是4個樣點經(jīng)過平均后得到的反射光譜曲線。

5 分析與結(jié)果

5.1 艾比湖水體的光譜特征

根據(jù)ASD光譜儀實測光譜數(shù)據(jù)得到規(guī)律性明顯的艾比湖水體的光譜曲線。圖3中的光譜曲線是根據(jù)圖2中4條樣點實測光譜曲線求均值處理后得到的，圖中灰色區(qū)域為衛(wèi)星影像4個波段區(qū)間范圍。從圖2中可知，反射率自藍(lán)光波段(0.35μm～0.45μm)平緩上升，0.45μm～0.5μm區(qū)間上升明顯。在綠光波段0.55μm處出現(xiàn)反射峰，峰值達(dá)到18%，隨后開始下降。在波長0.59μm～0.63μm的區(qū)間，反射率陡然下降，然后在紅光波段(0.63μm～0.70μm)又有小的上升，在0.65μm和0.7μm處形成兩個小的反射峰，峰值為12%。到了近紅外波段0.75μm～0.8μm反射率無變化，隨后開始下降，曲線下降幅度先急后緩。到了0.9μm～1μm反射率繼續(xù)下降，其值接近0。

因此艾比湖水體光譜曲線可簡單歸結(jié)為，曲線在藍(lán)光波段呈逐漸上升趨勢，在綠光波段到達(dá)峰值，然后陡然下降，在紅光波段反射率有小的起伏，變化不大，到了近紅外波段下降明顯。

圖3 艾比湖水體光譜特征曲線

5.2 光譜特征對比及最優(yōu)遙感影像的選擇

將3種衛(wèi)星影像的各波段樣點灰度值求均值后，在Excel中生成艾比湖水體3種遙感數(shù)據(jù)反射折線圖，反映出了3種遙感影像上的艾比湖水體的光譜特征，見圖4。表5、表6、表7分別為CBERS-2、ETM+和ASTER各波段樣點灰度平均值。

CBERS-2各波段灰度平均值 表5

ETM+各波段灰度平均值 表6

ASTER各波段灰度平均值 表7

圖4 艾比湖水體三種遙感影像反射折線圖

從圖4中可知，ETM影像的反射率峰值出現(xiàn)在藍(lán)光波段(400 nm～500 nm)，并且隨著波長的增加而減小，與艾比湖光譜曲線規(guī)律不符。

ASTER影像沒有藍(lán)光波段，它在綠光波段出現(xiàn)最大值，到了紅光波段陡然下降，在近紅外波段下降至0，也與艾比湖光譜曲線規(guī)律不符，無法反映艾比湖水體光譜特征。

CBERS-2的影像反射曲線與艾比湖水體光譜曲線一致，峰值都出現(xiàn)在綠光波段，在紅光波段和近紅外波段隨著波長的增加，反射率逐漸下降，可以反映出艾比湖水體的光譜特征。

依據(jù)以上光譜曲線的對比分析可知，ASTER影像和ETM影像的反射折線圖與艾比湖實測光譜曲線不一致，無法反映艾比湖水體光譜特征，因此不適用。而CBERS-2的影像反射曲線與艾比湖水體光譜曲線基本一致，能夠反映實際湖體的光譜信息，說明CBERS-2影像較ASTER影像和ETM影像更適用于艾比湖水體的遙感研究，在艾比湖以及類似的干旱區(qū)淺水湖泊水體遙感研究中具有獨特優(yōu)勢。

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Selection of Optimal Remote Sensing Image for Lake Water in Arid Area: A Case Study of Ebinur Lake

Combining with measured spectral data，this study uses CBERS-2，Landsat-7 ETM+and ASTER images to obtain Ebinur lakewater spectral characteristics.Itextracts each band grey value of the sample points from three kinds of satellite images，which based on geometric correction，atmosphere correction，image mosaic，etc.The reflection line charts of grey value was created by themean value of the sample points.Compared the resultswithmeasured spectral data，themost suitable satellite images for water research of Ebinur Lake was found.

CBERS-2；Landsat-7 ETM+；ASTER；The Water Body of Ebinur Lake；The Characteristics of Spectral Curve

1672-8262(2013)01-21-04

TP75，P231.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

2012—07—05

唐爽(1984—)，女，助教，主要從事綠洲資源空間信息方面的研究。