主要道路路面材料高光譜特征分析

佘宇晨，林 輝，孫 華

（中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)遙感信息工程研究中心，湖南 長沙 410004）

主要道路路面材料高光譜特征分析

佘宇晨，林 輝，孫 華

（中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)遙感信息工程研究中心，湖南 長沙 410004）

隨著公路建設(shè)的發(fā)展，路面材料變得更加多元化。利用高光譜監(jiān)測不同性質(zhì)的路面材料，非常值得關(guān)注。本研究采用美國ASD公司生產(chǎn)的地物波譜輻射儀（波段范圍350～2 500 nm），開展了對瀝青、混凝土、裸土和草地等典型路面材料的高光譜數(shù)據(jù)的野外觀測，利用光譜均值、一階微分、二階微分、倒數(shù)后對數(shù)等方法，對原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，得到4種材料的光譜特征曲線圖，并進(jìn)行對比和分析。結(jié)果表明：在多種數(shù)據(jù)變換方法中，倒數(shù)后對數(shù)方法最好,利用高光譜遙感方法能實現(xiàn)對不同路面材料的分類和識別，說明高光譜遙感技術(shù)能實現(xiàn)對道路材料和結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。

公路路面材料；高光譜特征曲線；特征分析；比較分析

高光譜遙感是用很多很窄的連續(xù)光譜對目標(biāo)物觀測的技術(shù)。從可見光到紅外，光譜分辨率特別高，波段數(shù)特別多，數(shù)據(jù)處理成為難點(diǎn)。國外有很多機(jī)構(gòu)如：美國國家航空航天局（NASA）、日本國家空間發(fā)展局（NASDA）、歐洲航天局（ESA）等設(shè)有高光譜影像應(yīng)用分析機(jī)構(gòu)。

我國近年來也開展了高光譜的研究，在高光譜影像分析技術(shù)和地物光譜數(shù)據(jù)處理技術(shù)方面取得了一些進(jìn)展，如20世紀(jì)90年代中國建立的第一個綜合性“地物波譜特性數(shù)據(jù)庫”，1998年中國國土資源航空物探與遙感中心建立的“典型巖石礦物波譜數(shù)據(jù)庫”等等[4]。理論上認(rèn)為，高光譜中總可以找到一個或一組波譜能夠更好地區(qū)分目標(biāo)物，達(dá)到對地物進(jìn)行精細(xì)識別的目的，因此，高光譜遙感在很多方面取得了重要進(jìn)展，如利用高光譜數(shù)據(jù)對杉木和馬尾松進(jìn)行識別研究[6]，利用光譜匹配技術(shù)對巖石、礦物種類及分布進(jìn)行識別調(diào)查[10]；利用高光譜線性混合光譜分解識別人工地物[11]。同時，高光譜遙感在軍事、氣象預(yù)測、資源評估、海洋監(jiān)測、城市規(guī)劃等方面都有應(yīng)用,如在土地利用動態(tài)監(jiān)測[12]、地質(zhì)探測中的土壤、礦物、冰川[13]專題制作等發(fā)揮了重要作用。文章主要通過對主要公路路面材料的高光譜外業(yè)觀測，通過對數(shù)據(jù)的處理和分析，達(dá)到利用高光譜遙感數(shù)據(jù)識別不同路面材料的目的。

1 材料與方法

1.1 實驗區(qū)概況

研究選定的實驗區(qū)位于中南林業(yè)科技大學(xué)校園及附近區(qū)域，具有各種等級、各種材質(zhì)的路面，為便于觀測，將其主要?dú)w為瀝青、混凝土、裸土以及草地4種類型。其中，瀝青道路級配為細(xì)粒式AC-13F密級配瀝青混凝土，最大粒徑為13.2 mm。

1.2 觀測條件

觀測時間一般選擇在10:00～14:00，以保證太陽高度角處于最佳狀態(tài)。天氣晴朗，光照穩(wěn)定；風(fēng)力≤3級；測量前一天降水量≤5 mm。測量時離地面高度約10 cm。參考板水平放置，傾斜角小于1°，并且周圍不允許存在強(qiáng)反射體，實驗人員穿暗色衣物進(jìn)行測量。實驗前需要對光譜儀進(jìn)行調(diào)試，每次測定前需要對光譜儀進(jìn)行參考板檢驗。

1.3 數(shù)據(jù)采集

研究采用美國ASD公司生產(chǎn)的地物波譜儀，光譜范圍為350～2500 nm。隨機(jī)選取具有平均水平的路塊，且在一定面積之內(nèi)基本均勻、具有代表性的典型路塊，進(jìn)行等距測量（即一條直線上按照固定間距逐次選點(diǎn)測量，共選定20個點(diǎn)進(jìn)行測量，5 m一個點(diǎn)共100 m）。測量水平放置參考板反射率5次，固定高度后測量目標(biāo)反射率5次，取均值作為最終的測量值。為排除溫度及水汽的干擾因素，測量時間為2013年1月。

1.4 研究方法

數(shù)據(jù)采集完畢后利用ViewSpecPro進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將所有數(shù)據(jù)匯總。匯總數(shù)據(jù)后通過數(shù)學(xué)分析軟件MATLAB對其進(jìn)行各種數(shù)學(xué)變換（對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理、一階微分、二階微分以及倒數(shù)后對數(shù)），最后借助Excel將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為圖像，對圖像形式進(jìn)行分析，從而得出結(jié)論。

由于大氣中水汽強(qiáng)烈吸收的影響，光譜圖上出現(xiàn)部分波段較大幅度的抖動。為了方便分析，數(shù)據(jù)處理時剔除了水汽吸收的波段數(shù)據(jù)，被剔除的吸收波段為：1 350～1 440 nm，1 750～1 950 nm和2 350～2 500 nm，對保留下來的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 原始數(shù)據(jù)處理

對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行均值和去噪處理，結(jié)果見圖1。

圖1 4種路面材料光譜均值曲線Fig.1 Spectral mean curves of 4 kinds of highway pavement materials

由圖1可知，4種材料的光譜反射率明顯區(qū)分為3個區(qū)間，即左邊的350～1 350 nm，中間的1 350～1 750 nm和右邊的1 950～2 350 nm區(qū)間，在左邊區(qū)間內(nèi)的4種材料的波譜差異大，是進(jìn)行分類和識別的最佳區(qū)域。中間區(qū)域稍差但也可以進(jìn)行分類和識別，但右邊區(qū)域差異較小，基本不能用于分類。

草地和裸土反射率在左邊區(qū)域350～1 350 nm之間呈上升趨勢，在可見光內(nèi)草地的反射率低于裸土，而在紅外區(qū)域則剛好相反。在中間的1 350～1 750 nm區(qū)域，草地反射率（約0.4）仍然高于裸土（約0.25）。草地反射率左、中、右3個區(qū)間的反射率依次下降，裸土也具有同樣的趨勢。瀝青與混凝土兩者反射率曲線相似，在全部的波段區(qū)間反射率比較平穩(wěn)，維持在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值。瀝青的反射率維持在0.15左右，而混凝土則維持在0.3左右，瀝青的反射率明顯低于混凝土的反射率。

4種材料中，草地的波譜曲線波動最大，這主要是與草地葉綠素含量有關(guān)。其余3種材料的光譜曲線波動相對較小，裸土波動大一些，這與含水量有關(guān)，當(dāng)土壤含水量增加時，土壤反射率就會下降，特別在3個水汽吸收帶處，反射率的下降更加明顯。瀝青表面主要成分是瀝青碳?xì)浠衔?，包裹著碎石，顏色較深，對可見光的吸收較大；水泥呈現(xiàn)灰白色，在可見光的反射率最大，它們的成分和結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，光譜曲線也比較平穩(wěn)。

2.2 一階微分

對原始光譜進(jìn)行一階微分變換，結(jié)果見圖2。

圖2 4種路面材料的光譜一階微分變換曲線Fig. 2 First-order differential transform spectral curves of 4 kinds of highway pavement materials

由圖2可知，在350～750 nm波段范圍，草地、裸土與瀝青、混凝土數(shù)值差距較大，草地、裸土的反射率一階微分均小于0.015，基本低于0.01。草地反射率一階微分波峰在700 nm處，而其他三者波峰則位于550 nm處。裸土反射率一階微分最高達(dá)到0.017，遠(yuǎn)高于混凝土的0.001 1與瀝青的0.000 4?；炷僚c瀝青的區(qū)別在于混凝土反射率一階微分大于瀝青反射率一階微分。

在550～750 nm處，草地反射率曲線斜率較大，波動幅度也很大。550～700 nm屬于可見光波段，葉綠素吸收此波段的光進(jìn)行光合作用導(dǎo)致反射率較低。700 nm之后的近紅外波段，健康的綠色植物一般來說反射率都比較高。草地反射率出現(xiàn)劇烈變化的原因是葉綠素的影響，而其他三者則不會受到葉綠素的影響，反射率變動幅度不大。在550 nm處瀝青，混凝土，裸土均有一個波峰，可能是由于氧化鐵引起的，氧化鐵的含量增加時，可見光與近紅外部分的吸收會因此增強(qiáng)。不過因為氧化鐵在500～700 nm波段的吸收增強(qiáng)幅度不大（土壤呈黃紅色的主要原因），所以在550 nm處的波動并不劇烈。裸土反射率一階微分稍微高于瀝青與混凝土。

2.3 二階微分

對原始光譜開展二階微分變換，結(jié)果如圖3。

圖3 可以看出，二階微分變換與一階微分變換的結(jié)果比較類似，說明兩種方法可以簡化為一種方法即可。

2.4 倒數(shù)后取對數(shù)

將原始光譜進(jìn)行倒數(shù)變換后取對數(shù)，得到光譜曲線圖（見圖4）。

圖3 4種路面材料的光譜二階微分變換曲線Fig. 3 Second-order differential transform spectral curves of 4 kinds of highway pavement materials

圖4 4種路面材料的光譜倒數(shù)后對數(shù)變換曲線Fig. 4 Transform spectral curves of “f i rst calculate reciprocal then logarithm” of 4 kinds of highway pavement materials

倒數(shù)后對數(shù)變換使草地、裸土、瀝青和混凝土之間的區(qū)別非常明顯，效果非常好。從圖4可以看出，草地750 nm處有一個快速下降的過程，曲線明顯低于裸土。瀝青、混凝土只在350～600 nm呈下降的趨勢，在600 nm之后基本保持穩(wěn)定。從圖上還可以看出，波譜曲線的峰值也很明顯。

3 結(jié)論與討論

通過對4種路面材料的高光譜數(shù)據(jù)觀測，得到了從可見光至近紅外的波譜及曲線，通過對數(shù)據(jù)去噪、數(shù)學(xué)變換等方法進(jìn)行分析，主要結(jié)果有：

（1）采用高光譜數(shù)據(jù)可以區(qū)分出路面的材質(zhì)情況。研究采用的路面材料為瀝青、混凝土、裸土以及草地，這是目前主要的路面用材，通過測定高光譜數(shù)據(jù)及其變換后的曲線走勢，可以判斷其材質(zhì)。其中，草地因含有葉綠素，裸土因含有水而出現(xiàn)一定的波動，瀝青和混凝土曲線平穩(wěn)，且瀝青反射率要低于混凝土的反射率。

（2）在多種數(shù)據(jù)變換中，倒數(shù)后對數(shù)變換方法效果最好。研究對原始光譜開展了一階微分、二階微分和倒數(shù)后對數(shù)的變換方法，其中二階微分與一階微分變換結(jié)果很相似，倒數(shù)后對數(shù)的變換效果最好。

本研究將高光譜技術(shù)運(yùn)用到道路監(jiān)測中，是一次新的嘗試。主要是想通過光譜判斷路面材質(zhì)情況，降低人工檢測對道路的破壞，同時也提高了效率。本研究選擇的路面材料本身差異較大，相對來說也容易區(qū)分。進(jìn)一步的研究將對同一材料的不同配方進(jìn)行觀測和檢驗，實現(xiàn)高光譜對路面質(zhì)量的測定?？傊吖庾V遙感應(yīng)用到公路路面監(jiān)測還有較大的空間，應(yīng)用前景也是十分廣闊。

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Characteristics analysis on hyper-spectral characteristics of main highway pavement materials by using hyper-spectral remote sensing

SHE Yu-chen, LIN Hui, SUN Hua
(Remote Sensing Information Engineering Research Center, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004,Hunan, China)

With the development of highway construction, the types of pavement materials became more diversif i ed. Hyper-spectral monitoring of pavement materials of different nature is very concerned. By using ground object spectrum radiometer (wavelength range 350～2500nm) made by United States ASD Corporation, the fi eld observations of hyper-spectral data of the typical pavement materials such as asphalt, concrete, bare soil and grassland etc. were carried out, and then by using the methods of spectral mean value, fi rst order differential, second order differentiation and fi rst calculate reciprocal then logarithm etc., the original spectral data were transformed,thus obtaining four kinds of materials’ spectral characteristics curves, fi nally the obtained results were compared and analyzed. The results show that among the multiple data transformation methods, the method “f i rst calculate reciprocal then logarithm”is the best,the hyper-spectral remote sensing method used can realized the classif i cation and identif i cation to different highway pavement materials.Therefore, the traditional fi eld measurements can be replaced by hyper-spectral remote sensing for real-time monitoring in highway pavement quality and structure.

highway pavement materials; hyper-spectral characteristics curve; feature analysis; comparative analysis

S771.8

A

1673-923X(2014)11-0120-04

2014-01-12

國家自然科學(xué)基金項目（31370639）；2012年湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目和湖南省高校產(chǎn)業(yè)化培育項目（13CY011）

佘宇晨（1992-），男，湖南邵東人，碩士研究生，主要從事林業(yè)遙感研究；E-mail：sycsupper@gmail.com

林 輝（1965-），女，湖北黃岡人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事森林經(jīng)理學(xué)、遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)的教學(xué)和科研工作

[本文編校：吳 毅]