基于TM和MODIS的滇中云南松反射光譜特征分析

蔡健玲，朱大明，陳 璐

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基于TM和MODIS的滇中云南松反射光譜特征分析

蔡健玲，朱大明，陳 璐

（昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

本文利用ArcGIS、ERDAS以及ENVI軟件，以林業(yè)調(diào)查獲取的2007年云南松樣地一類清查結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于多源遙感數(shù)據(jù)，TM和MODIS數(shù)據(jù)等，對(duì)滇中地區(qū)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種云南松，進(jìn)行不同郁閉度等級(jí)和坡向的植被指數(shù)特征、林學(xué)特征及光譜特征提取、分析和研究，為豐富植被遙感光譜研究提供了較大的參考，具有一定意義的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

TM；MODIS；云南松；光譜特征

0 引言

遙感技術(shù)具有遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，大尺度和時(shí)效性等特征，近年來(lái)，隨著林業(yè)3S技術(shù)的廣泛應(yīng)用，森林植被遙感成為了林業(yè)研究樹(shù)種特征的重要手段和基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)地表植被的光譜特征做了大量研究和探討并取得了豐碩的成果[1-3]，但對(duì)于滇中地區(qū)云南松，尤其是對(duì)滇中云南松林反射光譜特征分郁閉度和坡向的研究甚少，對(duì)西南地區(qū)森林植被及樹(shù)種光譜的測(cè)定和分析，對(duì)亞熱帶主要植被類型及每一類內(nèi)各樹(shù)種間的光譜特征分析相對(duì)匱乏。本文以滇中（昆明市、楚雄彝族自治州、玉溪 市）為研究區(qū)，提取和繪制不同郁閉度等級(jí)和坡向下的云南松反射波譜曲線，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析和驗(yàn)證波譜曲線，探討云南松反射光譜的特征及其規(guī)律，為當(dāng)?shù)厝?、地協(xié)調(diào)發(fā)展，地區(qū)森林生態(tài)效益改善，林業(yè)部門管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究?jī)?nèi)容

主要包括以下4個(gè)方面：（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理，云南松林樣地信息提?。唬?）基于LandsatTM數(shù)據(jù)的反射光譜特征分析；（3）基于MODISL1B數(shù)據(jù)的反射光譜特征分析；（4）基于Hyperion高光譜和ASD實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反射光譜特征分析。

技術(shù)流程如下所示：

2 光譜特征分析

2.1 基于LandsatTM數(shù)據(jù)的反射光譜特征分析

2.1.1 不同郁閉度等級(jí)的反射光譜特征

綜合分析TM影像6個(gè)波段上云南松的光譜反射率，計(jì)算每個(gè)波段的云南松光譜反射率的平均值，分不同郁閉度等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并繪制成云南松反射光譜曲線，如表1。

表1 TM影像不同郁閉度下云南松光譜反射率

Tab.1 Spectral reflectance of Yunnan pine under different canopy density

由表1和圖2可以看出，從整體上看，云南松的反射光譜曲線具有兩個(gè)較為明顯的吸收谷、一個(gè)微弱的反射峰和一個(gè)明顯的反射峰。

對(duì)比分析不同郁閉度下云南松反射光譜曲線可以發(fā)現(xiàn)：

（1）在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)，云南松郁閉度越高，對(duì)應(yīng)的植被光譜反射率值就越小，云南松反射越弱，吸收作用越強(qiáng)；

圖2 云南松反射光譜曲線

（2）在紅光波段附近，植被的反射率值呈現(xiàn)出相同程度的上升趨勢(shì)，且郁閉度為密和中的區(qū)間內(nèi)，云南松的光譜反射率值相等，且均比疏的區(qū)間對(duì)應(yīng)的反射率值大；

（3）在短波紅外波段區(qū)間，受到水分和土壤影響，隨著郁閉度值增加，郁閉度較密的區(qū)域的云南松的光譜反射率值越小，疏、中、密三個(gè)郁閉度等級(jí)的云南松反射率值在近紅外附近最大，反射作用最強(qiáng)，處于植物的防御高溫輻射和降溫狀態(tài)。

利用單波段NDVI影像端元值和反射波段影像的反射率端元值兩者之間二維散點(diǎn)圖，分析植被指數(shù)和單波段的關(guān)系，驗(yàn)證云南松郁閉度大小對(duì)云南松光譜反射率的影響。如圖3所示。

NDVI可以用來(lái)直觀反映地面植被的覆蓋程度。據(jù)森林郁閉度的定義，郁閉度是用來(lái)反映樹(shù)冠的密閉程度，兩者之間呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系[4]。從圖3可看出，隨著植被覆蓋度的上升，地物的反射率值呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，說(shuō)明郁閉度越高，植被的反射率值越小。

2.1.2 不同坡向的反射光譜特征

從TM影像上提取出6個(gè)波段，分陰陽(yáng)坡兩個(gè)坡向來(lái)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)每個(gè)波段的反射率平均值，并建立中心波長(zhǎng)值與光譜反射率值對(duì)應(yīng)關(guān)系，生成陰陽(yáng)坡兩條反射光譜曲線。

分析表2和圖4可以看出整體上云南松陰坡的光譜反射率值與陽(yáng)坡相同，但在可見(jiàn)光波段部分，陽(yáng)坡的光譜反射率值較陰坡高。從單波段角度分析可看出：

（1）在藍(lán)綠光波段附近：陰陽(yáng)坡的云南松光譜反射值均小于0.10，在正常健康植被的反射率值變化范圍內(nèi)，說(shuō)明研究區(qū)云南松長(zhǎng)勢(shì)良好。

（2）在綠光波段附近：波長(zhǎng)在0.569mm范圍，云南松光譜反射率值較藍(lán)綠光波段大，處于光譜曲線上第一個(gè)反射峰，由于TM影像成像為北半球的春夏兩季，植被生長(zhǎng)狀態(tài)良好，陽(yáng)坡受到太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，光照時(shí)間長(zhǎng)，云南松為喜陽(yáng)樹(shù)種，此波段波長(zhǎng)附近植被能強(qiáng)烈吸收藍(lán)光和紅光，但對(duì)綠光產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射作用，此時(shí)陽(yáng)坡的反射率值較陰坡大。

表2 TM影像不同坡向下云南松光譜反射率

Tab.2 TM image spectral reflectance of different slopes of Yunnan pine

圖4 云南松陰陽(yáng)坡反射光譜曲線

（3）紅光波段附近：出現(xiàn)正常綠色植被的吸收谷，為植物典型的強(qiáng)吸收階段。

（4）由紅光向近紅外波段過(guò)渡區(qū)域：植被光譜反射率值顯現(xiàn)出直線式增長(zhǎng)，且陰陽(yáng)坡增長(zhǎng)程度相同，但陽(yáng)坡反射率值仍大于陰坡，處于太陽(yáng)輻射急劇增強(qiáng)階段，云南松在此波段上變現(xiàn)出最為明顯的高反射峰。

（5）在短波紅外波段附近：受到土壤和水分的雙重影響，尤其是水分對(duì)太陽(yáng)輻射影響，植物的光譜反射率值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但反射率值比可見(jiàn)光區(qū)間大，這在一定程度上既防止短波波段太陽(yáng)輻射過(guò)于集中帶來(lái)的葉片的高溫上升過(guò)度，又避免了近紅外波段高反射帶來(lái)的降溫過(guò)度引起的自身溫度過(guò)低，保證植物的正常生長(zhǎng)。

2.2 基于MODISL1B數(shù)據(jù)的反射光譜特征分析

2.2.1 不同郁閉度等級(jí)的反射光譜特征

將250 m和500 m分辨率的MODIS影像重采樣為分辨率為1000 m的影像，按照中心波長(zhǎng)大小重新排列，按照MODIS數(shù)據(jù)的光譜分辨率大小篩選出適合的波段，并按照不同郁閉度等級(jí)分別提取出對(duì)應(yīng)云南松樣點(diǎn)的單波段的反射率平均值進(jìn)行分析，如表3所示。

表3 1000 m分辨率影像不同郁閉度等級(jí)光譜反射率

從表3可以看出:

1）可見(jiàn)光區(qū)：波段有9個(gè)，其中前四個(gè)為藍(lán)光波段，其間云南松光譜反射率值變動(dòng)微小，band1至band15的四個(gè)波段為紅光波段，紅光區(qū)波幅為0.620~0.760mm，在藍(lán)光區(qū)內(nèi)和紅光區(qū)出現(xiàn)明顯的吸收谷，是云南松葉子中所含的葉綠素、葉黃素、類胡蘿卜素、花青素等成分吸收造成的；band11和band4為綠光波段，此間綠光區(qū)波幅為0.500~ 0.560mm，出現(xiàn)了弱的反射峰，是紅光和藍(lán)光波段的強(qiáng)吸收使得綠光的反射突起所致；

2）近紅外區(qū)：band16和band19為近紅外波段，有一個(gè)反射率較高的區(qū)域；

3）短波紅外區(qū)：受到葉子中葉綠素含量影響波長(zhǎng)，在1.400mm處有一吸收谷，1.400~1.600mm處云南松的反射光譜曲線迅速回升，處于短波紅外1波段（1.600mm）附近出現(xiàn)小的反射峰，波長(zhǎng)在1.600~2.400mm附近反射光譜曲線再次回跌，主要原因是受到植被中水分和葉綠素含量的影響。

圖5 不同郁閉度等級(jí)云南松反射光譜曲線

從圖5可知，在可見(jiàn)光部分，不同郁閉度等級(jí)的云南松反射率值幾乎相等，在近紅外波長(zhǎng)區(qū)間開(kāi)始出現(xiàn)差異，波長(zhǎng)在0.900mm附近云南松的反射率值達(dá)到最大為0.34，在近紅外和短波紅外部分，從整體趨勢(shì)上看，隨著郁閉度值的增加，植被的光譜反射率值逐漸降低，但趨勢(shì)并不明顯。

2.2.2 不同坡向的反射光譜特征

分陰陽(yáng)坡兩個(gè)不同坡向，分別提取1000 m分辨率的MODIS影像對(duì)應(yīng)的云南松樣點(diǎn)的光譜反射率平均值進(jìn)行分析，如表4所示。

表4 1000 m分辨率影像不同郁閉度等級(jí)光譜反射率

Tab.4 1000 m resolution image with different canopy degree spectral reflectance

由表4和圖6分析可知，分陰陽(yáng)坡從1000 m分辨率下的MODIS影像中提取的云南松的光譜反射率值較500m的效果更佳。

圖6 不同坡向云南松反射光譜曲線

2.3 基于Hyperion高光譜和ASD實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反射光譜特征分析

2.3.1 Hyperion高光譜特征分析

提取出hyperion高光譜得到其光譜曲線如圖7所示。

圖7 基于hyperion高光譜的云南松反射光譜曲線

2.3.2 ASD實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反射光譜特征分析

提取出篩選后合適的ASD實(shí)測(cè)光譜的平均光譜曲線，并對(duì)提取出來(lái)的影像進(jìn)行平滑處理得到最后的光譜曲線，光譜平滑能有效減少噪聲，微分光譜在一定程度上能較好減少土壤背景和植被覆蓋度影響，對(duì)于植被光譜識(shí)別具有提高精度的效果[5]。實(shí)測(cè)光譜曲線如圖8所示。

ASD光譜儀實(shí)測(cè)光譜波長(zhǎng)范圍為0.35~ 2.500mm，一般健康的綠色植物在0.38~0.50mm為藍(lán)光波段，而在0.50~0.60mm綠光波段的中點(diǎn)0.55mm左右位置，形成了一個(gè)反射率小峰值。在0.60~0.76mm紅光波段，剛開(kāi)始的反射率非常低，到了0.65mm波段值附近達(dá)到了一個(gè)低谷，之后又慢慢上升，到了0.70~0.75mm處反射率陡峭上升，到了1.00mm附近時(shí)達(dá)到反射率的最高峰值[6]。

圖8 實(shí)測(cè)光譜曲線

3 多源數(shù)據(jù)反射光譜特征對(duì)比

實(shí)測(cè)云南松反射光譜特征與綠色植物有效光譜響應(yīng)特征大致相同，但在反射率值上又有所不同。如圖9所示。

圖9 綠色植物有效光譜響應(yīng)特征

對(duì)于綠色植物來(lái)說(shuō)，色素決定可見(jiàn)光波段的光譜反射率，細(xì)胞結(jié)構(gòu)決定近紅外的光譜反射率，水汽則是決定短波紅外的光譜反射率特征。在此基礎(chǔ)上結(jié)合野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和高光譜Hyperion數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行定量化分析，對(duì)上述基于TM和MODIS影像提取出的反射率結(jié)果進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證[7]。

1）對(duì)比分析hyperion數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的光譜在0.300~2.500mm范圍內(nèi)的反射光譜特征：

從光譜分辨率和獲取得到的光譜曲線可以看出，Hyperion傳感器所獲取的影像的光譜反射率與植被在地面的實(shí)測(cè)光譜值并非完全一樣，利用Hyperion數(shù)據(jù)提取得到的光譜反射率數(shù)值大小相差較大，但其變化趨勢(shì)大體一致，定量提取地面光譜時(shí)，需要注意光譜數(shù)據(jù)差異，進(jìn)行歸一化處理并建立其實(shí)測(cè)和高光譜反射率值的和對(duì)應(yīng)模型[8]。

圖10 對(duì)比光譜曲線

2）對(duì)比分析TM和MODIS(1000 m)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反射光譜特征：

圖12 多源數(shù)據(jù)對(duì)比光譜曲線（陰陽(yáng)坡）

由圖11和圖12，從曲線值大小對(duì)比來(lái)看，郁閉度相對(duì)坡向?qū)υ颇纤傻挠绊懜?，隨著郁閉度增大，TM和MODIS影像提取出結(jié)果均顯示增大趨勢(shì)，但從坡向上來(lái)看，陰陽(yáng)坡坡向?qū)τ谘芯繀^(qū)云南松反射率值影響較小，TM顯示陽(yáng)坡大于陰坡，而MODIS達(dá)到的結(jié)論正好相反[9-11]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)研究區(qū)，基于實(shí)測(cè)光譜、高光譜數(shù)據(jù)、TM和MODIS多光譜數(shù)據(jù)，分不同郁閉度等級(jí)和不同的陰陽(yáng)坡坡向類型來(lái)提取和分析云南松樣地的反射光譜特征得出結(jié)論為：

忽略受太陽(yáng)入射方向及儀器觀測(cè)方向的控制方面因素，云南松的光譜還受著細(xì)胞結(jié)構(gòu)、葉面結(jié)構(gòu)、色素含量、葉片分布、株高、葉面積指數(shù)和土壤背景等因素的影響，尤其其反射光譜特性主要是葉綠素、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和所含水分對(duì)太陽(yáng)光的響應(yīng),具有明顯而獨(dú)特的規(guī)律。

研究區(qū)云南松在主要分布在1600~2000 m海拔上；坡向主要分布在陽(yáng)坡，屬于陽(yáng)性樹(shù)種，但陰坡郁閉度越高，成熟林分布較陰坡多，林分單位蓄積大于陽(yáng)坡；坡度分布在斜坡、緩坡、陡坡，數(shù)值上對(duì)應(yīng)為7~34°；在不同的郁閉度，分不同的坡向分析研究區(qū)云南松光譜反射率、植被指數(shù)上分布規(guī)律。

通過(guò)上述分析，得出以下結(jié)論：在可見(jiàn)光波段上，云南松主要分布光譜反射率值為：0.09~0.10、0.03~0.05、0.03~0.05、0.06~0.08、0.07~0.08、0.02~ 0.04上。

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The Characteristic Analysis of Yunnan Pine Reflection Spectrum Based on TM and MODIS

CAI Jian-ling, ZHU Da-ming, CHEN Lu

(College of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650093)

Based on ArcGIS, ERDAS and ENVI software, in order to forestry investigation for 2007 yunnan pine sample to a class of inventory results on the basis of the data, based on multi-source remote sensing data, the TM and MODIS data, etc., in yunnan region advantage and yunnan pine tree to carry on the different level of crown density and slope to the characteristics of vegetation index, forestry characteristics and spectral feature extraction, analysis and research, as the rich vegetation spectral remote sensing research provides a great reference, has a certain meaning of real value.

TM; MODIS; Yunnan pine; Spectral features

P237

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.027

蔡健玲(1993-)，女，研究生，主要研究方向：3s集成與應(yīng)用；朱大明(1970-)，男，副教授，主要研究方向：3S集成，土地規(guī)劃。

蔡健玲，朱大明，陳璐. 基于TM和MODIS的滇中云南松反射光譜特征分析[J]. 軟件，2018，39（11）：120-125