高光譜遙感技術(shù)在高植被覆蓋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

文/李科冉 饒家益 卓順忠

高光譜遙感技術(shù)憑借光譜的多維度和光譜探測范圍優(yōu)勢，在地物的識別及區(qū)分方面較傳統(tǒng)多光譜遙感技術(shù)有著更廣泛的應(yīng)用空間。本文利用HJ-1A 超光譜成像儀（HSI）的數(shù)據(jù)源，配合地物光譜儀對目標(biāo)地質(zhì)體進(jìn)行光譜采集，并選擇在廣東省雷州市西部的唐家鎮(zhèn)一帶基于高光譜遙感技術(shù)對石茆嶺組、湛江組兩類地層進(jìn)行了劃分工作。筆者通過對比已有地質(zhì)調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用高光譜遙感技術(shù)在高植被覆蓋區(qū)域?qū)σ陨蟽深惖貙舆M(jìn)行識別和劃分是可行的，能夠解決傳統(tǒng)遙感技術(shù)無法在高植被覆蓋區(qū)直接識別地質(zhì)體這一問題。

遙感技術(shù)具有高效率、低成本、大面積、多時相獲取地表信息等優(yōu)點(diǎn)，是區(qū)域地質(zhì)調(diào)查尤其是在低植被覆蓋的基巖裸露區(qū)地質(zhì)調(diào)查中的主要技術(shù)手段。然而，在南方高植被覆蓋區(qū)域，高大茂密的植被遮掩了大部分地質(zhì)信息，遙感地質(zhì)工作人員只能依靠間接解譯標(biāo)志來粗略劃分地質(zhì)體。隨著高光譜成像技術(shù)的發(fā)展和成熟，其更加寬廣的光譜范圍和更加精準(zhǔn)的光譜區(qū)分能力為遙感數(shù)據(jù)在高植被覆蓋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用帶來了新的方向。

一、研究區(qū)概況及技術(shù)路線

（一）研究區(qū)概況

本研究為“廣東省1 ∶25 萬湛江市幅、海口市幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目的一部分，研究區(qū)位于廣東省雷州市西部的唐家鎮(zhèn)一帶，此區(qū)域的地貌以沖洪積臺地、熔巖臺地及低丘陵為主，地勢相對平坦。區(qū)域內(nèi)出露地層為第四紀(jì)全新世桂洲組及曲界組、中更新世北海組、中更新世至早更新世石茆嶺組、早更新世湛江組。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，植被覆蓋率高且農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)。

受植被覆蓋影響，大部分研究區(qū)無法直接通過顏色、影紋、形態(tài)等直接解譯標(biāo)志來進(jìn)行地層解譯。另外，在上述地層中，曲界組、桂洲組可由高程及地勢等間接解譯標(biāo)志來進(jìn)行劃分；而湛江組與石茆嶺組地層地表出露的多為其風(fēng)化殘積土，受顏色相近、土體性質(zhì)相似等因素的影響，這兩類地層在被植被覆蓋后無法通過多光譜影像來進(jìn)行有效區(qū)分?；诖?，本研究嘗試引入高光譜遙感技術(shù)來精準(zhǔn)識別和劃分湛江組與石茆嶺組兩套地層。

（二）總體技術(shù)路線

本研究采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地物光譜數(shù)據(jù)相結(jié)合的形式，建立了天地一體化聯(lián)系：首先通過分析地物光譜儀測得的地面表觀反射率數(shù)據(jù)，選取可區(qū)分上述兩套地層的特征譜段；其次對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和特征提取，并建立其與地面表觀反射率曲線之間的聯(lián)系；最后基于特征譜段的差異來劃分目標(biāo)地物?？傮w技術(shù)路線如圖1 所示。

（1）地物光譜數(shù)據(jù)采集。筆者在多個地點(diǎn)使用地物光譜儀采集了裸露的石茆嶺組風(fēng)化土及湛江組風(fēng)化土的地面表觀反射率數(shù)據(jù)，以便分析其特征譜段。

（2）高光譜數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理。在選取合適的高光譜數(shù)據(jù)后，筆者通過輻射定標(biāo)、大氣校正、噪聲分離等步驟還原了地物真實(shí)的表觀反射率。

（3）高光譜遙感特征提取。在完成高光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理后，筆者依次采取光譜一階導(dǎo)數(shù)、包絡(luò)線去除、端元光譜選取等步驟提取了地物的特征譜段，并將其與地物光譜儀采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，旨在精準(zhǔn)區(qū)分目標(biāo)地物。

二、地物光譜的采集及分析

筆者使用Optosky（奧譜天成）ATP9110 地物光譜儀分別對不同地區(qū)的湛江組及石茆嶺組地層進(jìn)行多次采樣，采樣時間為10 時至15 時。該時間段陽光充足，自然光峰值能量高，波形完整。隨后，筆者對比分析發(fā)現(xiàn)，這兩類地層在紅外波段（波長761 nm 附近）處有明顯區(qū)別（見圖2）。另外，石茆嶺組玄武巖紅色風(fēng)化土的光譜曲線在波長761 nm 處存在一個反射峰，而湛江組風(fēng)化土在波長757～767 nm 處可見一個吸收峰。

三、高光譜影像處理及特征提取

本研究采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均來自HJ-1A 超光譜成像儀，其地面分辨率為50 m，光譜探測范圍為460～951 nm，共包含115 個譜段。

（一）預(yù)處理

高光譜由于波段通道較窄，獲取的光能量較低。在這種情況下，圖譜較易受到噪聲的影響，特征提取、光譜解混、目標(biāo)探測以及精細(xì)分類等也將受到較大影響。[1]因此，筆者統(tǒng)一對高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲分離處理。例如，對HJ-1A 超光譜成像儀部分波段圖像中明顯的周期性條帶噪聲，筆者有針對性地進(jìn)行了去除。[2]處理后，圖譜中的周期性條帶噪聲明顯減少。

（二）特征提取

1.光譜一階導(dǎo)數(shù)

筆者通過計(jì)算光譜微分值得到了地物光譜的局部極大值、極小值以及拐點(diǎn)的具體位置，有效去除了傳感器和大氣的影響。[3]隨后，筆者對處理后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)處理，并突出光譜曲線在761 nm附近（HJ-1A第88波段）的吸收峰（一階導(dǎo)數(shù)由負(fù)至正的0值附近）和反射峰（一階導(dǎo)數(shù)由正至負(fù)的0 值附近），詳情如圖3所示。

2.包絡(luò)線去除

對地物光譜進(jìn)行歸一化處理的目的是，突出地物光譜的吸收和反射特征。該特征在包絡(luò)線去除后更為顯著，可用于光譜特征譜段選擇和參量分析。

3.端元光譜選取

高光譜影像中每一個像元的光譜曲線都可以看作是該像元所對應(yīng)的地表物質(zhì)的光譜信號。在本研究中，筆者采用像元純度指數(shù)（PPI）算法選取了端元光譜[4]，旨在尋找由單一地物組成的像元。

四、結(jié)果對比

基于以上工作，筆者對HJ-1A高光譜數(shù)據(jù)第88 波段進(jìn)行區(qū)分，獲得了光譜曲線761 nm 附近有峰值表現(xiàn)的像元，同時確認(rèn)該像元為石茆嶺組玄武巖風(fēng)化土。在圈定由高光譜反演確定的石茆嶺組玄武巖紅色風(fēng)化土后，筆者將調(diào)查結(jié)果在地質(zhì)圖中進(jìn)行標(biāo)注（見圖4）。另外，與實(shí)際情況相比，高光譜數(shù)據(jù)反演結(jié)果的分布范圍更為廣泛，目標(biāo)地物識別準(zhǔn)確率約為64%。

五、結(jié)論和不足

（一）結(jié)論

本研究運(yùn)用HJ-1A 高光譜遙感數(shù)據(jù)與地物光譜儀測得表觀反射率數(shù)據(jù)，通過對比分析真實(shí)表觀反射率數(shù)據(jù)，進(jìn)一步明確了目標(biāo)地物的特征頻譜，以及目標(biāo)地物在特定光譜區(qū)間的區(qū)別。隨后，筆者建立了衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地面真實(shí)表觀反射率數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，并運(yùn)用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，對研究區(qū)內(nèi)兩組無法從多光譜數(shù)據(jù)層面進(jìn)行區(qū)分的地層進(jìn)行了準(zhǔn)確識別和劃分。本研究結(jié)果表明，反演結(jié)果與區(qū)域地質(zhì)調(diào)查結(jié)果基本一致，但劃分范圍略大于實(shí)際分布范圍。本研究驗(yàn)證了高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作的可行性——其豐富的光譜維度信息為有效識別高植被覆蓋區(qū)地物提供了可能性。然而，反演的多解性導(dǎo)致其劃分準(zhǔn)確度低于傳統(tǒng)遙感解譯方法。因此，筆者建議，研究人員在使用多光譜數(shù)據(jù)對特征和間接標(biāo)志明顯的地層進(jìn)行一次劃分后，再通過高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行不同地層的二次劃分。

（二）不足之處

（1）筆者經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演石茆嶺組的地層范圍較大。這就說明，后續(xù)研究應(yīng)對反射峰和吸收峰的波峰深度予以約束，以確保研究結(jié)果更接近真實(shí)情況。（2）高植被覆蓋率使得目標(biāo)地物對混合像元點(diǎn)的光譜曲線貢獻(xiàn)率較低，使用空間分辨率更高的高光譜影像則可有效提高目標(biāo)地物在混合像元內(nèi)的占比，進(jìn)而提高反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。