基于HyperScan成像光譜數(shù)據(jù)的植被葉綠素反演

方圣輝，樂 源，楊 光

(武漢大學遙感信息工程學院，武漢 430079)

0 引言

成像光譜儀是一種可以同時獲取圖像信息與像元光譜信息的光學傳感器。成像光譜技術(shù)將傳統(tǒng)的二維成像遙感技術(shù)和光譜技術(shù)結(jié)合在一起，具有“圖譜合一”的重要特性[1]。地面成像光譜儀器設(shè)備在國外起步較早，并且已經(jīng)取得了很多的成果[2－3]。

植被葉綠素是植被進行光合作用最重要的物質(zhì)之一，準確估算葉綠素含量對研究植被的生態(tài)效應(yīng)具有重要意義。近年來，高光譜遙感數(shù)據(jù)由于具有較高的光譜分辨率，在反演植物生化參數(shù)時表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。目前，基于地面與實驗室點光譜數(shù)據(jù)的植被色素反演已經(jīng)得到了廣泛的研究，國內(nèi)外也有很多基于航空或衛(wèi)星平臺成像光譜數(shù)據(jù)的植被色素反演方面的研究[4－5]。利用高光譜數(shù)據(jù)進行植被色素反演的方法可歸納為3類，即半經(jīng)驗方法、統(tǒng)計方法和物理模型方法。本文基于HyperScan成像光譜數(shù)據(jù)，在植被葉片光譜曲線獲取及分析、相關(guān)分析以及波段選取的基礎(chǔ)上，利用SPAD502儀器獲取植被葉片的綠度值，建立了基于葉片綠度值與歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)、簡單比值指數(shù)(simple ratio index，SR)、綠波段葉綠素指數(shù)CIgreen(green chlorophyll index)、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(soil－adjusted vegetation index，SAVI)、差值植被指數(shù)(difference vegetation index，DVI)、改進的土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)2(modified soiladjusted vegetation index 2，MSAVI2)、三角植被指數(shù)(triangular vegetation index，TVI)和葉綠素吸收比值指數(shù)(chlorophyll absorption ratio index，CARI)等8 種植被指數(shù)的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒⑦M行葉綠素含量反演實驗，取得了較高的反演精度。

1 高光譜反射率圖像獲取

1.1 成像系統(tǒng)

HyperScan系統(tǒng)是一種地空(包括機載、實驗室和現(xiàn)場應(yīng)用)兩用的多功能型高光譜遙感成像系統(tǒng)，整套系統(tǒng)包括高光譜傳感器(HyperScan)、440系列慣導系統(tǒng)、一個正弦波逆變器和一臺個人電腦(PC)。傳感器的光譜范圍為389.9～1 006 nm，光譜分辨率為1～1.1 nm，可獲取572個波段的數(shù)據(jù);曝光時間為 30.0 μs～1.5 s，信噪比為 200?？紤]到應(yīng)用的廣泛性，該系統(tǒng)還配置了2種焦距不同的采集鏡頭(焦距分別為23 mm和12 mm)，以獲取不同空間分辨率的圖像。該系統(tǒng)內(nèi)部有一個掃描鏡，通過開啟或關(guān)閉掃描鏡的運動，系統(tǒng)擁有擺掃和推掃2種成像方式，其中擺掃采用鏡面掃描機制，掃描角度為－30°～+30°。光譜儀使用1 276×1 024面陣列CCD作為探測器，探測器像元大小為10.8 μm，每條掃描線對應(yīng)圖像上的1 276個像元。圖1(a)為該系統(tǒng)工作時的實況照片，圖1(b)為儀器的2種不同的掃描成像方式。

圖1 HyperScan系統(tǒng)Fig.1 HyperScan system

1.2 圖像獲取

HyperScan高光譜遙感成像系統(tǒng)在出廠時已經(jīng)進行了輻射定標，因此，要實現(xiàn)遙感圖像像元亮度值(digital number，DN)到輻亮度的轉(zhuǎn)換，只需使用出廠標定時留下的增益文件進行數(shù)據(jù)處理。

儀器的輻射定標公式為

式中:L1為輻射定標后需要得到的輻亮度值(是輻亮度單元的一次衍射);L2為輻亮度單元的二次衍射;G1和G2分別為系統(tǒng)的一次增益和二次增益;ET為積分時間，默認值為100 ms;DF為暗電流。

將式(1)進行變形，可以得到所需的定標公式，即

在式(1)中，當波長小于800 nm時，L2=0;當波長大于800 nm時，L2和L1之間的關(guān)系為

式中λ為波長。對每一景圖像的每一個像元進行上述變換，完成高光譜圖像的輻射定標。

在每景圖像的采集過程中，均在掃描范圍內(nèi)放置了一塊已知反射率的標準白板，用于得到反射率圖像。具體處理方法如下:用一個N像元×N像元的窗口遍歷圖像的第1個波段，計算每個窗口內(nèi)的和值，取最大的一個，并記下此時窗口的位置和定位白板的位置。本文取N=10像元，對每一個波段圖像的每一個像元，通過式(4)計算得到反射率，即

式中:ref(i，j)(n)為第 n 波段的第(i，j)個像元的反射率;L(i，j)(n)為第 n 波段的第(i，j)個像元的輻射亮度;ρ0為標準白板的反射率;Ln為第n波段的10像元×10像元白板的輻射亮度均值。

2 植被葉綠素含量反演方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

本文在實驗中所采集葉片的樹種主要是武漢地區(qū)常見的3種常綠闊葉植被——桂樹、梔子和石楠。對同一樹種在多棵樹上采集樹葉，按照從頂層到底層的順序，分別采集顏色、葉齡等不同的樹葉50片;并依次對每片樹葉進行編號，利用HyperScan掃描獲取葉片的高光譜圖像，掃描方式為擺掃。圖2為獲取的原始圖像(右上角的白色部分為采集數(shù)據(jù)時在圖像范圍中放置的標準白板)。

圖2 葉片原始HyperScan圖像Fig.2 Original HyperScan image of leaves

本文使用SPAD502葉綠素儀獲取植被的葉綠素值。SPAD值也被稱作“綠度”，是一個無量綱的值，是反映植物葉綠素相對含量的指標。研究表明，植被葉綠素含量隨SPAD值的增加而增加，呈一定函數(shù)變化規(guī)律，且達到極顯著相關(guān)的水平[6]。在獲取HyperScan圖像的同時，利用SPAD502葉綠素儀測量每片樹葉的SPAD值，每片樹葉測量10次，大部分葉片10次SPAD測量值之間的差值在0～3.5之間波動，記錄其均值作為該葉片的SPAD值。

對原始HyperScan圖像進行處理，得到反射率圖像。在反射率圖像中，取每片樹葉中心的一個30像元×30像元大小的窗口，一片葉片共獲取900個點;每個點對應(yīng)一條光譜反射率曲線，計算900條光譜反射率曲線的平均值作為該葉片的光譜曲線。這樣，每種實驗樹種均能得到50組光譜曲線及其對應(yīng)的SPAD值。圖3為使用HyperScan獲取的光譜反射率曲線與使用ASD光譜儀獲取的同一片梔子葉片光譜曲線的對比圖。

2.2 波段選擇與模型建立

在利用高光譜數(shù)據(jù)進行葉綠素含量反演的各種算法中，半經(jīng)驗方法由于其計算過程比較簡單、所需數(shù)據(jù)容易獲取等優(yōu)點，已得到了廣泛的研究和應(yīng)用[7]。本文即采用半經(jīng)驗方法，通過建立葉綠素含量和某些波段組合形成的8種植被指數(shù)(見表1)的關(guān)系，反演植被葉綠素含量。

表1 本文使用的植被指數(shù)Tab.1 Vegetation indices used in this paper

表 1 中:ρnir，ρgreen，ρred分別表示近紅外波段反射率、綠波段反射率、紅波段反射率;nir，green，red分別表示與 ρnir，ρgreen，ρred相對應(yīng)的波長值。

本實驗選取表1中的8種常用植被指數(shù)進行葉綠素含量反演。在這8種植被指數(shù)中，NDVI，SR，CI，SAVI，DVI和MSAVI2是2波段植被指數(shù)，而TVI和CARI是3波段植被指數(shù)。其中SAVI中L的取值需要根據(jù)測量土壤的光譜曲線并進行擬合得到;本次實驗數(shù)據(jù)是直接獲取葉片光譜，并沒有獲取土壤的光譜信息，實驗中嘗試變換L的取值，發(fā)現(xiàn)其對葉綠素反演的影響較小，最終本文選取L=1。兩種3波段植被指數(shù)TVI和CARI的原始定義中包含670 nm的紅波段[8]，但從實驗中單波段相關(guān)分析的結(jié)果可知，HyperScan獲取的植被光譜曲線在670 nm處的反射率與植被SPAD值的相關(guān)性形成了一個波谷(即相關(guān)性較其他波段要小)。因此本文在使用這兩種3波段植被指數(shù)進行葉綠素反演時，借用了這些植被指數(shù)的形式，但并沒有完全嚴格按照其原始的定義來選取波段，具體的波段在進行相關(guān)分析后選取。

HyperScan成像光譜數(shù)據(jù)的波段較多，光譜分辨率也較高，為了更好地分析窄波段的光譜指數(shù)對葉綠素反演效果的影響，對于某種植被指數(shù)，在572個波段中任意選取2個波段進行組合，計算該植被指數(shù)與對應(yīng)植被的SPAD值之間的相關(guān)系數(shù)，生成相關(guān)系數(shù)圖;根據(jù)各個植被指數(shù)的定義，選取與SPAD值相關(guān)性最高的2個波段建立線性模型。在計算2種3波段組合植被指數(shù)的相關(guān)系數(shù)時，為運算方便，本文采取固定綠波段、計算紅外波段和紅波段組合的植被指數(shù)與對應(yīng)SPAD值的相關(guān)系數(shù)的方法，綠波段的選取和CI指數(shù)中綠波段的選取相一致。根據(jù)所選擇的波段建立了葉綠素含量反演模型，并對總體模型的精度進行了驗證。

2.3 反演模型驗證

隨著成像光譜儀的光譜波段的增加，數(shù)據(jù)量也隨之增大。為了驗證HyperScan的光譜波段的增加是否有利于葉綠素含量反演精度的提高，設(shè)計了波段合并實驗，通過將HyperScan的光譜波段進行合并，發(fā)現(xiàn)隨著光譜波段的合并和光譜分辨率的減小，反演模型的精度呈現(xiàn)一定的下降趨勢，證明Hyper-Scan成像光譜數(shù)據(jù)的波段的增加有利于葉綠素含量反演精度的提高。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 波段相關(guān)性分析

為了提高葉綠素含量反演的精度，在選擇具體

圖3 HyperScan與ASD數(shù)據(jù)對比Fig.3 Comparison between HyperScan and ASD Data

與ASD測量的光譜反射率數(shù)據(jù)相比，HyperScan數(shù)據(jù)有明顯的區(qū)別。在波長為550 nm附近的反射峰值更加明顯，大于700 nm的近紅外波段反射率更高，小于500 nm處以及紅邊反射率與ASD數(shù)據(jù)基本一致，只是紅邊位置相對ASD的左移;整條光譜曲線在波長小于700 nm時比較平滑，在大于800 nm的近紅外波段開始光譜曲線的平滑性減小，呈現(xiàn)出明顯的鋸齒狀的反射坪，說明大于800 nm時光譜曲線的噪聲較大。為了提高植被葉綠素含量反演的精度，盡量避免使用波長大于800 nm處的反射率值。HyperScan數(shù)據(jù)與ASD數(shù)據(jù)的不同，使得在利用HyperScan數(shù)據(jù)進行葉綠素含量的反演時，不能完全利用適合于ASD這種地面點光譜儀器所獲取光譜數(shù)據(jù)的反演方法，而是要對HyperScan數(shù)據(jù)的反射率光譜進行一定的分析，選取適合于HyperScan數(shù)據(jù)的光譜波段。的植被指數(shù)之前，首先分析了3種植被光譜曲線與SPAD值之間的單波段相關(guān)系數(shù)，分析結(jié)果如圖4所示。

3種植被呈現(xiàn)出相似的相關(guān)特性，在520～650 nm的綠波段和紅波段以及在700～730 nm的近紅外波段的相關(guān)系數(shù)較高，在小于500 nm和大于750 nm的波段處相關(guān)系數(shù)較低，同時在675 nm附近有一個相關(guān)系數(shù)先減小后增加的過程。因此，利用綠波段、紅波段和近紅外波段組合進行葉綠素含量反演，相對其他波段組合會有更高的精度?？傮w的相關(guān)系數(shù)同3種植被的一致，同時受到3種植被相關(guān)系數(shù)的影響，其取值介于相關(guān)系數(shù)較高的梔子、桂樹和相關(guān)系數(shù)較低的石楠之間。表2列出了各植被指數(shù)與對應(yīng)SPAD值之間相關(guān)系數(shù)最大的值以及對應(yīng)的波段。

表2 波段選擇與相關(guān)系數(shù)Tab.2 Band selection and correlation coefficient

對于某種植被來說，不同植被指數(shù)的波段選擇具有相似性，例如梔子的波段選取基本上集中在530 nm，700 nm，770 nm和800 nm等處的波段。在這些波段中，530 nm和700 nm處的波段在單波段相關(guān)分析中相關(guān)性較高;700 nm處在紅邊波段，與傳統(tǒng)的地面點光譜數(shù)據(jù)研究中應(yīng)用的植被指數(shù)的定義有一定區(qū)別，但還是在植被指數(shù)定義的范圍之中;而770 nm和800 nm處的波段在單波段相關(guān)分析中相關(guān)性并不高，但在多波段相關(guān)性分析中，經(jīng)過波段組合，其相關(guān)性也超過了單波段相關(guān)分析。

8種植被指數(shù)中，2種3波段的植被指數(shù)最終選擇的波段組合與原始定義有一定差別。除CARI呈現(xiàn)出負相關(guān)特性并且相關(guān)系數(shù)較其他植被指數(shù)偏小以外，其他植被指數(shù)均呈現(xiàn)出較高的相關(guān)特性(其中最大值為桂樹的DVI指數(shù)，R=0.974 7;最小值為梔子的CI指數(shù)，但R＞0.9)。8種植被指數(shù)中，SAVI，DVI，MSAVI2和TVI這4種植被指數(shù)相關(guān)系數(shù)略大于NDVI，SR和CI，明顯大于CARI。總體的相關(guān)系數(shù)均小于單一植被的相關(guān)系數(shù)，這說明對于HyperScan數(shù)據(jù)來說，混合植被的葉綠素反演精度會低于單一植被的葉綠素反演精度。

3.2 模型建立與驗證

利用波段分析得到的敏感波段進行葉綠素含量反演模型的建立與驗證。由3種單一植被數(shù)據(jù)組成的總體數(shù)據(jù)共有150組，其中用于波段分析的數(shù)據(jù)共120組，余下的30組作為模型驗證數(shù)據(jù)。這30組數(shù)據(jù)是從每種植被數(shù)據(jù)中隨機選出10組組合而成的。圖5示出總體數(shù)據(jù)的建模(左)與驗證(右)圖形。

圖4 單波段相關(guān)系數(shù)Fig.4 Correlation coefficient of single band

圖 5(a)－ (h)分別為 NDVI，SR，CI，SAVI，DVI，MSAVI2，CARI和 TVI與對應(yīng) SPAD 之間的關(guān)系模型與驗證模型，其具體的模型參數(shù)在表3中列出。

表3 模型參數(shù)Tab.3 Model parameters

從表3可以看出，在8種植被指數(shù)的模型中，反演精度最高的是SAVI和MSAVI2(決定系數(shù)接近0.9)，CARI精度較低(決定系數(shù)只有 0.6)，其余各植被指數(shù)模型精度則普遍較高(決定系數(shù)均大于0.8 而小于0.9)。

3.3 波段合并實驗

高光譜數(shù)據(jù)在提高光譜分辨率的同時，也使得數(shù)據(jù)量急劇增大，這對數(shù)據(jù)獲取、存儲與處理提出了一定的要求。為了探究利用HyperScan高光譜數(shù)據(jù)進行葉綠素反演是否需要如此高的光譜分辨率的問題，本文進行了波段合并實驗——通過合并相鄰波段數(shù)據(jù)，研究模型的決定系數(shù)和均方根誤差隨著合并波段數(shù)目增加而產(chǎn)生的變化情況。具體實驗過程是:以建立模型時選取的波段為中心波段，將相鄰波段數(shù)據(jù)分別進行3，5，7，…，直到21個波段相加并取其均值;再利用均值計算對應(yīng)的植被指數(shù)，建立模型。圖6是波段合并實驗的結(jié)果圖，圖6(a)和(b)分別示出合并波段數(shù)與模型的決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE之間的關(guān)系。

圖6 波段合并實驗結(jié)果Fig.6 Experimental results of band combination

由于CARI指數(shù)的結(jié)果與其他指數(shù)相差較大，為了更直觀的顯示波段合并對反演模型的影響，圖6中并沒有顯示CARI指數(shù)，但CARI指數(shù)的變化趨勢與其他植被指數(shù)是一致的。

由圖6可以看出，隨著HyperScan數(shù)據(jù)波段的不斷合并，除DVI指數(shù)外，其他指數(shù)的模型精度均呈單調(diào)下降趨勢。在合并波段數(shù)為7－15時，精度下降趨勢較快;當合并波段增加至17波段時，精度下降趨勢減小，模型精度趨于穩(wěn)定。但DVI指數(shù)的模型精度呈先減小、后增大的趨勢。

3.4 葉綠素含量反演

利用3.2中建立的總體模型，對桂樹的Hyper-Scan圖像進行了葉綠素含量的反演，統(tǒng)計了50片葉片影像范圍中的葉綠素含量的均值，并與實測值進行了比較。圖7顯示了部分葉片的葉綠素含量反演結(jié)果圖，圖7(a)—(h)分別表示NDVI，SR，CI，SAVI，DVI，MSAVI2，CARI和 TVI等 8 種植被指數(shù)的葉綠素含量反演結(jié)果。

圖7－1 桂樹數(shù)據(jù)葉綠素含量反演結(jié)果Fig.7－1 Inversion results of HyperScan data

圖7－2 桂樹數(shù)據(jù)葉綠素含量反演結(jié)果Fig.7－2 Inversion results of HyperScan data

從圖7可以看出，在8種植被指數(shù)中，CARI模型的反演精度較差，表現(xiàn)在同一片葉片反演的SPAD值變化范圍較大;除模型反演精度較差的CARI之外，其余7種植被指數(shù)反演的同一片葉片SPAD值的變化范圍不大。圖7中第一行左起第4片葉片出現(xiàn)了左右兩邊葉綠素值不一致的現(xiàn)象，經(jīng)過觀察原始圖像發(fā)現(xiàn)，這是由于圖像掃面瞬間因葉片被風吹動導致部分葉片背面向上所致。盡管在提取光譜時避開了這些區(qū)域，但進行圖像的葉綠素含量反演時無法避開這些區(qū)域;為了減小對實驗結(jié)果的影響，人為去除了被風吹動葉片的反演結(jié)果。對葉綠素含量反演誤差進行了統(tǒng)計(表4)。

從表4可以看出，對整景圖像而言，SAVI，DVI，MSAVI2和TVI這4種植被指數(shù)的葉綠素含量反演精度較高;NDVI，SR和CI次之;CARI的反演精度最低(反演的平均誤差超過了30%)，其余7種植被指數(shù)的反演平均誤差均在15%以內(nèi)。

4 結(jié)論

本文利用HyperScan采集不同植被葉片的高光譜圖像數(shù)據(jù)，采用 NDVI，SR，CI，SAVI，DVI，MSAVI2，TVI和CARI等8種植被指數(shù)反演模型進行植被葉綠素含量反演實驗，同時進行了波段合并實驗，并比較了在逐步合并波段的情況下各種模型的反演精度。實驗結(jié)果表明:

1)在本文選取的植被指數(shù)中，2波段植被指數(shù)反演葉綠素含量精度普遍高于3波段植被指數(shù)。

2)波段合并的實驗表明，隨著波段的逐步合并，模型的反演精度逐漸下降;因此，光譜分辨率較高的高光譜圖像數(shù)據(jù)更適合于植被葉綠素含量反演。

3)本文中的反演模型精度普遍較高，說明利用地面高光譜圖像進行葉片葉綠素反演是可行的，且采用葉片內(nèi)光譜反射值的均值進行葉片的葉綠素含量反演有很高的反演精度。

4)由于HyperScan數(shù)據(jù)本身的特點，導致了紅邊的位置與一般的地面點光譜儀(ASD)數(shù)據(jù)有一定的不同，同時在波長大于800 nm處的反射率曲線呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀，因此在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上進行了波段的選擇，并且沒有選擇波長在800 nm以上的波段;這也導致了選擇的特征波段與傳統(tǒng)的地面點光譜儀器的特征波長有所不同，但是所選擇的波段仍然是在植被指數(shù)所定義的范圍中的，除了2種3波段的植被指數(shù)的形式與原始定義的形式有一定的差別，其余的植被指數(shù)均與原來的定義一致。

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