高光譜成像分析植物葉片滯塵前后光譜特征變化

張愛武，張?zhí)┡?，康孝巖，郭超凡

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高光譜成像分析植物葉片滯塵前后光譜特征變化

張愛武，張?zhí)┡?，康孝巖，郭超凡

（1. 首都師范大學(xué) 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點實驗室，北京 100048； 2. 首都師范大學(xué) 空間信息技術(shù)教育部工程研究中心，北京 100048）

灰霾的監(jiān)測與治理是迫切需要解決的問題，分析植被葉片滯塵前后的光譜變化特征是灰霾監(jiān)測的一種有效方式。植物葉片具有吸附空氣顆粒物的能力。該文通過獲取10種常見樹木葉片10月和11月連續(xù)26 d的高光譜圖像，對比分析每種葉片滯塵前后的光譜特征變化情況，得出滯塵前后葉片光譜變化的基本趨勢：1）10種葉片變化趨勢基本一致，10種葉片滯塵前后光譜變化明顯的區(qū)間均表現(xiàn)在500～550 nm、550～700 nm、730～760 nm波段內(nèi)；2）滯塵前后的葉片紅邊位置并沒有發(fā)生改變，滯塵沒有對葉片內(nèi)部生理結(jié)構(gòu)構(gòu)成影響；3）金露梅和二球懸鈴木在765 nm波段處的光譜響應(yīng)與其它樹種存在很大差異；白杜、金銀忍冬、紫薇和玉蘭在550～570 nm波段區(qū)間對于滯塵的敏感度較弱。研究為大氣降塵的監(jiān)測以及灰霾的治理提供應(yīng)用參考。為進(jìn)一步通過高光譜探測灰霾典型成分提供理論支撐。

灰塵；光譜分析；植物；滯塵；高光譜圖像；葉片光譜

0 引 言

近年來，中國工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快導(dǎo)致空氣質(zhì)量日益惡化，大氣顆粒物污染愈發(fā)嚴(yán)重[1-3]，霧霾天氣頻繁出現(xiàn)。植被是大氣自我凈化的工具之一，對大氣顆粒物有一定的吸附能力，一些學(xué)者展開了分析滯塵前后植被光譜差異與滯塵量的相關(guān)性的研究。

王兵等[4]以北京植物園10種常綠植被為研究對象，分析不同樹種葉片單位面積對不同顆粒物的附著能力；羅娜娜等[5]通過對北京市大葉黃楊葉片的光譜曲線對比分析，得出除塵前后葉片光譜曲線在350～700 nm，780～1 300 nm，1 900～2 500 nm波段區(qū)間內(nèi)有較大差異，滯塵量與葉片單波段光譜反射率比值呈負(fù)相關(guān)的結(jié)論；Xu等[6]研究了廣州市的榕樹葉片滯塵量與榕樹葉片光譜特征之間的相關(guān)關(guān)系；Horler等[7]研究受污染和未污染植被的光譜特征；陳志強等[8]研究不同層次玉米葉片光譜響應(yīng)的敏感區(qū)域，不同施肥水平和不同層次的玉米葉片的光譜反射率明顯集中在某一特定的區(qū)域；吳見等[9]對北京市10種常見樹種進(jìn)行了不同時間葉片光譜的觀測，分析表明不同樹種葉片光譜均隨時間的改變而產(chǎn)生顯著變化，但差異規(guī)律各不相同?；谏鲜鰢鴥?nèi)外相關(guān)研究，本文用高光譜成像技術(shù)分析對比樹木葉片滯塵前后的光譜特征變化情況。

植被葉片具有吸附空氣中的塵埃的能力，葉面上的滯塵量可以反映出該地區(qū)一段時間內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況。本文以首都師范大學(xué)本部校區(qū)10種樹木的葉片為例，從2017年10月28日至11月23日（除10月1日和11月15日外），每天用高光譜成像相機(jī)采集滯塵前后葉片的高光譜圖像。分析葉片高光譜圖像滯塵前后的光譜變化情況和滯塵對葉片光譜的影響，以及對比不同種葉片的滯塵效果，從而揭示滯塵對不同種葉片影響的某些規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

首都師范大學(xué)本部位于北京市西三環(huán)北路105號，處于玲瓏路與西三環(huán)主干道的交叉處。北京市坐落于東經(jīng)115.7°～117.4°，北緯39.4°～41.6°，毗鄰天津市，被河北省圍繞，位于華北平原西北部，總面積16 410.54 km2，屬于半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，春、秋短促。該校園圍墻多以欄桿為主，實體圍墻較少。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本文采用課題組自主研制的高光譜成像裝置獲取樹木葉片的高光譜圖像。自主研制的高光譜成像裝置的光譜范圍為400～1 000 nm，有840個波段，其中心波長差異在1 nm范圍內(nèi)。本文在首都師范大學(xué)本部校園內(nèi)采集了10種常見樹種，包括冬青、月季、二球懸鈴木、銀杏、金露梅、紫丁香、白杜、金銀忍冬、紫薇和玉蘭，采集地點主要位于校園欄桿圍墻周邊，在每天下午2～3點隨機(jī)采集上述樹種成熟、健康、無損害的葉片（10種樹木的葉片采集數(shù)量見表1），立即放置到密封袋內(nèi)并置于冰袋中，及時帶回到實驗室，采用上述高光譜成像裝備獲取滯塵后葉片高光譜圖像見圖1。然后用流水清洗葉片，并用吸水紙擦拭、晾干，再次獲取滯塵前的葉片高光譜圖像見圖2。為減小高光譜成像裝備觀測的偶然誤差，對同一葉片采集5幅高光譜圖像，最后提取每一葉片的平均光譜數(shù)據(jù)。采集時間從10月28日至11月23日，均無降水，其中10月31日沒有采集葉片，11月15日沒有對葉片進(jìn)行清洗后掃描。

高光譜遙感具有高光譜分辨率、圖譜合一和光譜波段多，在某一光譜段范圍內(nèi)連續(xù)成像的特點。成像光譜儀解決了傳統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域“成像無光譜”和“光譜不成像”的歷史問題[10]。采用高光譜成像裝置獲取葉片高光譜圖像，可以進(jìn)行閾值分割，提取整個葉片的平均光譜曲線。

表1 10種樹木的葉片采集數(shù)量

圖1 第380波段（671 nm）部分葉片滯塵后高光譜圖像

圖2 第380波段（671 nm）部分葉片滯塵前高光譜圖像

閾值分割是圖像分割領(lǐng)域中使用最為普遍的一類簡單而有效的方法[11]。單閾值分割的灰度級映射情況如式（1）。

式中(,)表示坐標(biāo)為(,)的像素灰度級，分割后的圖像僅有0和1 2類灰度級，為所確定的閾值。

由于獲取的高光譜圖像中葉片和背景為明顯不同的灰度級范圍，因此本文采用單閾值分割的方法對高光譜圖像進(jìn)行葉片提取。

采用高光譜成像裝置獲取葉片滯塵前后的高光譜圖像，進(jìn)行平滑和降噪處理，然后利用暗電流和標(biāo)準(zhǔn)板將獲取的DN值轉(zhuǎn)換為反射率，提取光譜反射率曲線。由于葉片高光譜圖像在第1～159波段（400～512 nm）和第661～840波段（872～1 000 nm）范圍內(nèi)噪聲較大，因此選擇第160～660波段（513～871 nm）范圍分析滯塵前后光譜特征變化。

1.3 分析方法

本文對采集的10種葉片滯塵前后自身的對比，排除了水分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素的影響，控制單一變量為塵埃。分析單一葉片光譜特征變化，多種葉片光譜特征變化，以及滯塵影響下的葉片滯塵前后的光譜差值。

1.3.1 葉片滯塵前后光譜對比方法

為了使獲取的葉片光譜更具典型性和代表性同時減小采集樹種葉片、獲取光譜數(shù)據(jù)，以及處理原始數(shù)據(jù)時所帶來的誤差。因此對26 d的葉片光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，得到26 d的平均葉片光譜作為該葉片的反射光譜。簡單的算術(shù)平均數(shù)的計算公式為

根據(jù)式（2）計算26 d的平均葉片光譜得到10種葉片的光譜反射率曲線（見圖3）。

圖3 10種葉片滯塵前后光譜反射率曲線

1.3.2 葉片滯塵前后一階導(dǎo)數(shù)光譜對比方法

分析高光譜遙感信息較為常用的一種有效方法就是導(dǎo)數(shù)光譜方法[12]。一階導(dǎo)數(shù)光譜被認(rèn)為可以消除部分線性和二次型背景噪聲，可以減少大氣對光的散射以及吸收對高光譜遙感測定的影響，且有利于減少因光照條件變換所產(chǎn)生的乘性因素的影響[13]。計算一階導(dǎo)數(shù)光譜的公式如式（3）：

1.3.3 多種葉片光譜特征對比方法

采用葉片滯塵前后的光譜反射率差值反映葉片對于有塵和無塵不同情況下的光譜響應(yīng)，探討葉片對于有無塵埃的敏感波段，以及分析葉片在滯塵前后在不同波段的反射光譜變化，和滯塵前后不同葉片在同一波段的反射光譜變化。計算光譜差值（difference spectral index DSI）的公式如下[8]

式中1和2分別為該波段滯塵后和滯塵前的光譜反射率。

2 結(jié)果與討論

2.1 單一葉片光譜特征分析

2.1.1 葉片滯塵前后光譜對比

400～700 nm區(qū)間為植被強吸收波段，反射和透射都很低。由于植物色素吸收，特別是葉綠素a、b的強吸收，在可見光波段形成2個反射率很低的吸收谷（450 nm藍(lán)光和660 nm紅光附近）和一個反射峰（550 nm的綠光處），呈現(xiàn)出其獨特的光譜特征[14-16]。

根據(jù)所提取的10種葉片在500～900 nm光譜范圍內(nèi)的光譜曲線（圖3），10種葉片滯塵前后的光譜反射率曲線總體變化趨勢一致，在520～550 nm之間，光譜曲線逐漸上升，在可見光波段（554～556、618～620 和676～684 nm）出現(xiàn)2個比較小的反射峰和一個吸收谷；在700～730 nm區(qū)間內(nèi)，光譜曲線急劇上升，形成陡坡，稱之為“紅邊”。而通過對比葉片滯塵后和滯塵前的光譜曲線，均表現(xiàn)出在500～550 nm之間葉片滯塵后反射率高于滯塵前反射率，在550～700 nm光譜范圍內(nèi)除滯塵后反射率略高于滯塵前反射率，在730～760 nm之間葉片滯塵前反射率高于滯塵后反射率。

2.1.2 葉片滯塵前后一階導(dǎo)數(shù)光譜對比

根據(jù)式（3）計算10種樹種的葉片滯塵前后的一階導(dǎo)數(shù)光譜見圖4。由圖4可知，10種樹種的葉片滯塵前后的一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線在780～850 nm波段區(qū)間內(nèi)有所變化且在零值附近，主要反映葉片滯塵前后光譜反射率在此波段區(qū)間的變化幅度減小。紅邊位置是在680～750 nm一階導(dǎo)數(shù)光譜最大的斜率，因此，10種樹種的紅邊均處于710 nm波段處左右。

紅邊是植被營養(yǎng)、長勢、水分、葉面積等的指示性特征，并得到了廣泛應(yīng)用與證實。當(dāng)植被生物量大、色素含量高、生長力旺盛時，紅邊位置會向長波方向移動（紅移）；而當(dāng)遇病蟲害、污染、葉片老化等因素發(fā)生時，紅邊位置會向短波方向移動（藍(lán)移）[17-23]。由于葉片滯塵前后，葉片本身的內(nèi)部生理結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生改變，相比10種樹種葉片的一階導(dǎo)數(shù)光譜，滯塵前后葉片的紅邊位置并沒有發(fā)生偏移。

2.2 多種葉片光譜特征對比

10種樹種滯塵前后光譜反射率曲線見圖5。如圖5a所示，銀杏和玉蘭滯塵后的光譜曲線在515～680 nm之間與其它樹種滯塵后的光譜曲線存在明顯差異，而其余樹種在此波段區(qū)間內(nèi)差異較小。銀杏和玉蘭葉片的“紅邊”較其他樹種葉片的“紅邊”偏左。由圖5b可知，與滯塵后的光譜曲線類似，在515～680 nm區(qū)間內(nèi)銀杏和玉蘭葉片滯塵前的光譜反射率比其他樹種葉片滯塵前的光譜反射率高；而除銀杏和玉蘭之外的其他樹種，其葉片滯塵前的光譜反射率值基本一致。在750～900 nm光譜區(qū)間內(nèi)，10種樹種的光譜反射值聚攏在42%～48%區(qū)間內(nèi)，與滯塵后的光譜反射值相比，差異明顯減小。銀杏和玉蘭在滯塵前后的光譜曲線與其他樹種均存在很大差別，因此，在515～680 nm波段區(qū)間內(nèi)是區(qū)別銀杏、玉蘭和其他樹種的有效波段。

2.3 滯塵影響下的葉片滯塵前后的光譜差值分析

根據(jù)式（4）計算10種葉片的滯塵前后的光譜差 值見圖6。滯塵后的葉片反射率值并不是滯塵前葉片反 射率值與塵埃反射率值的簡單的線性疊加[24]。葉片滯 塵前后的光譜差值不能代表葉面塵的光譜反射率，因 此，葉片的光譜差值曲線的變化幅度不能很好的說明 該葉片的滯塵效果，但是光譜差值曲線可以反映出此葉片對于滯塵影響的響應(yīng)，以及不同葉片滯塵前后的敏感程度。

由圖6，10種葉片中，除金露梅和二球懸鈴木外，其余8種葉片在765 nm波段滯塵前后光譜差值曲線出現(xiàn)低谷，表現(xiàn)為葉片滯塵后的光譜反射率低于滯塵前的光譜反射率，而金露梅和二球懸鈴木在765 nm波段處的光譜差值接近于0，在此波段內(nèi)金露梅和二球懸鈴木滯塵前后的光譜反射率值基本沒有變化，因此，765 nm波段處，金露梅和二球懸鈴木的光譜響應(yīng)與其它樹種存在很大差異。

根據(jù)圖6b圖所示，在550～570 nm波段范圍內(nèi)，白杜、金銀忍冬、紫薇和玉蘭的光譜差值與其它樹種表現(xiàn)出明顯的不同，前4種樹種的光譜差值均處于0附近，滯塵前和滯塵后的光譜反射率值基本沒有變化，由圖6左圖，其余6種樹種的光譜差值均大于0，這4種樹種在此波段區(qū)間對于滯塵的敏感度較弱。根據(jù)圖6，二球懸鈴木、金露梅和玉蘭的光譜差值曲線變化幅度較小，說明這3種樹種對于滯塵的敏感性弱，主要是由于這3種樹種葉片表面紋路清晰，溝壑深，滯塵前后葉片表面結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化。

圖4 10種葉片滯塵前后一階導(dǎo)數(shù)光譜

圖5 10種葉片滯塵前后光譜反射率曲線

圖6 10種葉片滯塵前后光譜差值

3 結(jié) 論

1）所采集的10種葉片在500～900 nm波段區(qū)間的光譜曲線符合典型的植被光譜特性。對于單種葉片，滯塵前和滯塵后的光譜反射率曲線具有明顯變化，而且10種滯塵前后的葉片均表現(xiàn)出在500～550、550～700、730～760 nm波段區(qū)間內(nèi)光譜有所變化，且變化趨勢基本一致。通過對比10種葉片滯塵前后的一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線，滯塵前后葉片的紅邊位置并沒有發(fā)生改變。

2）對比10種葉片滯塵前和滯塵后的光譜曲線，銀杏和玉蘭與其他樹種在515～680 nm波段區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出差異，可以作為銀杏、玉蘭與其他樹種區(qū)分的敏感波段區(qū)間。10種樹種在滯塵前，其光譜曲線相比滯塵后更加聚攏，可以看出塵埃對于葉片只是表觀的現(xiàn)象，并沒有對葉片的內(nèi)部生理結(jié)構(gòu)構(gòu)成影響。

3）根據(jù)葉片的光譜差值，金露梅和二球懸鈴木在765 nm波段處的光譜響應(yīng)與其它樹種存在很大差異；白杜、金銀忍冬、紫薇和玉蘭在550～570 nm波段區(qū)間對于滯塵的敏感度較弱；二球懸鈴木、金露梅和玉蘭對于滯塵的敏感性弱。

通過對采集的10種葉片的光譜曲線從單一葉片光譜特征，多種葉片光譜特征，以及滯塵影響下的葉片滯塵前后的光譜差值3個方面的對比和分析，10種樹種葉片的光譜曲線一致，與典型的植被光譜曲線相吻合；10種樹種滯塵前后的光譜反射率曲線發(fā)生明顯變化，且變化幅度不一，表明不同樹種對于滯塵的敏感程度有所不同。本研究分析可為大氣降塵的監(jiān)測以及灰霾的治理提供應(yīng)用參考；以期為經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的城市環(huán)境空氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)；為進(jìn)一步通過高光譜探測灰霾典型成分提供理論支撐。

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Changes of spectral characteristics of plant leaves before and after dust-retention under hyperspectral imaging

Zhang Aiwu, Zhang Taipei, Kang Xiaoyan, Guo Chaofan

(1.100048,; 2.100048,)

In recent years, due to the influence of natural and human factors, air pollution has become one of the serious problems in the world, which affects people’s life, physical and mental health and daily production. So this paper tried to address this problem by the monitoring and governance of haze. Analyzing the spectral characteristics of vegetation leaves before and after dust retention is an effective way to monitor haze. Plant leaves have the ability to adsorb airborne particles. By comparing the spectral curves of plant leaves before and after dust detention, it provides a scientific basis for the control of haze. In this study, the leaves of 10 common trees were collected for 26 consecutive days in October and November. Ten common tree species included Holly, Chinese rose, Platanus acerifolia, Ginkgo, Potentilla fruticosa, Lilac, Euonymus maackii, Lonicera maackii, Lagerstroemia indica and Magnolia. The hyperspectral image of leaf before and after dust retention was obtained by the hyperspectral imaging device developed by our research group. The hyperspectral image is segmented by thresholding method, and the average spectral curve of the whole leaf is extracted. The comparison of 10 kinds of leaves before and after dust retention was performed, excluding the influence of water, internal structure, and so on, and controlling dust to be the single variable. The changes of spectral characteristics of a single leaf, a variety of spectral characteristics of leaves, and the spectral differences before and after dust retention were analyzed. The basic trends of spectral changes of leaves before and after dust retention were obtained: 1) The variation trend of 10 kinds of leaves was basically the same, and the obvious spectrum changes of them before and after the dust retention were in the 500-550, 550-700 and 730-760 nm bands. 2) There was no change in the position of the red edge of the leaves before and after the dust retention, and the dust retention did not affect the internal physiological structure of the leaves. 3) The spectral response at the 765 nm band of Potentilla fruticosa and Platanus acerifolia differed greatly from other tree species; Euonymus maackii, Lonicera maackii, Lagerstroemia indica, and Magnolia had less sensitivity to dust retention in the 550-570 nm band. The spectral curves of 10 species of leaves were compared and analyzed from 3 aspects: Single leaf spectral characteristics, multiple leaf spectral characteristics, and spectral difference before and after dust retention. The spectral curves of 10 species of leaves were consistent with typical vegetation spectral curves; the spectral reflectance curves of 10 species changed obviously before and after dust retention, and the variation ranges were different, which indicated that different species had different sensitivity to dust retention. The study provides reference for monitoring atmospheric dustfall and controlling haze, and also provides theoretical support for further hyperspectral detection of typical components of haze.

dust; spectrum analysis; plants; dust retention; hyperspectral imaging; leaf spectrum

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.022

TP79; S127

A

1002-6819(2018)-19-0170-07

2018-05-10

2018-09-03

國家自然科學(xué)基金（41571369）；國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB0502500）；北京市自然科學(xué)基金（4162034）；青海省科技計劃項目（2016-NK-138）

張愛武，博士，教授，主要從事空間信息獲取與處理、高光譜成像等方面的研究。Email：zhangaw163@163.com

張愛武，張?zhí)┡?，康孝巖，郭超凡. 高光譜成像分析植物葉片滯塵前后光譜特征變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(19)：170－176. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.022 http://www.tcsae.org

Zhang Aiwu, Zhang Taipei, Kang Xiaoyan, Guo Chaofan. Changes of spectral characteristics of plant leaves before and after dust-retention under hyperspectral imaging[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 170－176. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.022 http://www.tcsae.org