基于高光谱影像的南矶湿地光谱特征分析1.0

引言

为了解决鄱阳湖湿地生态环境问题，本研究对不同地物反射光谱特征进行差异性分析，利用光谱特征波段选择可有效区分南矶湿地地物的特征波段，以此对南矶湿地地物进行识别分类。研究成果为南矶湿地的物种多样性保护以及合理开发利用提供了科学依据和更好的技术支持，相关部门可以采取有效手段保障湿地健康，科学开发资源，且研究结果能够为后续基于高光谱影像数据的湿地研究奠定基础。

二、研究区概况

2.1 研究区域与样本

图 2.1 南矶湿地位置示意图

鄱阳湖湿地是中国淡水湖泊中最大的生态湿地，与赣江、饶河、信江、修河和抚河等五条江河水流相接，同时与长江相连，水位季节性变化明显，不同水位下形成了多种湿地类型。南矶湿地是鄱阳湖湿地的一个国家级自然保护区，拥有极其丰富的自然资源，水陆交替的生态环境创造了多样的生态景观和地物类型。因此，本研究选取南矶湿地作为研究区。

三、原始光谱特征分析

3.1 主要地类光谱特征分析

见图1～5，左边的图（a）为全部地物的均值光谱曲线，右边的图（b）为去除水体之后，剩余地物的均值光谱曲线。根据对研究区地物光谱曲线的初步分析，可以将研究区内的地物归为三大类，分别是：第一类为水体，包括青色水体、蓝色水体、蓝绿色水体、深蓝色水体、蓝黑色水体；第二类为植被，包括林地、芦苇-南荻群落、薹草-虉草群落、农田；第三类为其他地物，包括居民地、建设用地、裸滩、浅水滩。

图1 2020年3月15日研究区地物均值曲线

图2 2020年6月17日研究区地物均值光谱曲线

图3 2020年10月10日研究区地物均值光谱曲线

图4 2020年11月11日研究区地物均值光谱曲线

图5 2021年1月18日研究区地物均值光谱曲线

5类水体的反射率在全波段相对较低，整体维持在0.4以下，这与水体对可见光和近红外的强吸收特性有关。在可见光区域，水体与剩余地物光谱差异较小，光谱曲线之间交叉重叠严重，难以提取水体。在近红外区域，2020年3月15日、2020年6月17日和2020年11月11日的水体反射率明显低于剩余地物，有明显的可分性；而2020年10月10日的水体光谱曲线与裸滩在全波段交叉重叠严重，这可能是由于该时期水位为丰水期，水位较高，裸滩含水量高，与水体界限不明显导致；2021年1月18日青色水体和蓝色水体在近红外区域的光谱反射率较高，与剩余地物的差异不明显，这可能与枯水期青色水体和蓝色水体的水深较浅有关。不同种类的植被在总体上都表现出了植被的典型反射特征。在可见光区域，叶绿素和其他色素对光的吸收很强，因此导致植被总体反射率较低。但在波长范围为680～750nm时，由于植被内部细胞结构之间的相互作用，植被的反射率快速增加，形成高峰。在可见光区域，叶绿素对蓝光和红光的吸收较强，而对绿光反射较多，因此在蓝光和红光波段会形成两个吸收谷（称为蓝谷和红谷），而在绿光波段则会形成一个明显的反射峰。2020年3月15日和2020年11月11日的植被和其它地物在可见光大多数波段都明显可分，剩余3个时期的植被光谱与裸滩交叉严重。

在近红外区域，植被的总体反射率较高，大部分能量被植被反射出去，形成了植被特有的反射高原区。2020年6月17日和2020年10月10日的植被光谱曲线与其它地物虽有一定程度的交叉，但整体是可区分的，而剩余时期植被与其它地物的光谱曲线交叉严重，需进一步定量分析。其它地物反射率总体较高，在可见光区域，居民地、建设用地和浅水滩的反射率明显高于水体和植被，除2020年11月11日外，剩余时期裸滩与植被的光谱曲线交叉重叠严重。在近红外区域，2020年6月17日和2020年10月10日其它地物与植被光谱差异明显，2020年3月15日其它地物与薹草-虉草群落有交叉重叠，2020年11月11日和2021年1月18日其它地物和植被交叉重叠严重。通过对图1～5的（a）和（b）光谱特征进行分析，可以看出水体在近红外区域反射率相对较低，可与植被和其他地物区分开来，在去除水体的光谱曲线后，植被和其它地物在许多波段都存在明显可分性，因此，认为原始光谱曲线可以有效区分三大类地物。

3.2 水体光谱特征分析

受水位和水中物质等的影响，不同水体在影像上的显示有所不同，其光谱曲线及光谱特征也会有所差异。

图6 不同时期水体原始光谱均值曲线

总体来看，水体在全波段光谱反射率相对较低，整体没有超过0.4，其中，2020年3月15日和2021年1月18日的反射率相对较高，而剩余时期的水体反射率相对较低，不超过0.25，水体反射率整体来看由高到低的顺序是：青色水体>蓝色水体>蓝绿色水体>深蓝色水体>蓝黑色水体，与其在影像上的标准假彩色显示相对应。2020年3月15日的水体光谱反射率整体呈先下降后略微上升的趋势。在可见光区域，青色水体和蓝色水体的反射率明显高于蓝绿色水体和深蓝色水体，与蓝绿色水体和深蓝色水体区别明显，而蓝绿色水体和深蓝色水体在可见光区域近乎重合，差异不明显；在近红外区域，除青色水体的反射率略微高于其余3类水体外，其余3类水体光谱曲线交叉重叠严重，整体来说在近红外区域可分性不强。2020年6月17日3类水体均表现出可见光区域的反射率高于近红外区域的特征。在可见光区域，青色水体和深蓝色水体的光谱曲线先略微上升再下降，而蓝绿色水体的光谱曲线则趋于平缓再略微下降，反射率变化不大，且3类水体在可见光大多数波段都有明显的可区分性；在近红外区域，青色水体和蓝绿色水体的光谱曲线几乎重叠，可分性不强，而深蓝色水体的反射率则较低，可以区分识别。2020年10与10日3类水体光谱曲线先上升再下降，然后再近红外区域缓慢上升。

3类水体在可见光区域差异明显，反射率从高到低的顺序为：蓝色水体>深蓝色水体>蓝黑色水体；而在近红外区域，3类水体光谱曲线几乎重叠，无法区分识别。2020年11月11日5类水体光谱曲线的变化趋势可分为两种类型，青色水体和蓝色水体的变化趋势为先上升后下降，其余3类水体再500nm左右有一个明显的吸收谷，在530～750nm范围内，光谱曲线平缓，在760nm处又有一个小型吸收谷，而后趋于平缓。在可见光区域，5类水体具有可分性，而在近红外区域，青色水体的反射率明显高于其余4类，其余4类交叉重叠严重。2021年1月8日在440～600nm范围内呈上升趋势，之后光谱曲线平缓。青色水体和蓝色水体在440～620nm范围内光谱曲线几乎重合，不可区分，在620nm之后有一定差别；深蓝色水体和蓝黑色水体在绝大多数波段都有明显可分性，总体而言，4类水体差异明显。

3.3 植被光谱特征分析

由于植被内部结构或组成部分的差异，不同植被间所表现的光谱反射曲线特征也不相同。图7总体来看，各植被均表现出植被的光谱特征，在可见光区域反射率较低，在“红边”反射率迅速升高，在近红外区域形成一个高反射平台。其中，也存在植被特征较弱的情况，可能与季节、植被生长情况和植被生长环境有关。

图7不同时期植被原始光谱均值曲线

2020年3月15日由于影像图幅限制，缺少林地和农田这两类非湿地植被，只有芦苇-南荻群落、薹草-虉草群落两类湿地植被。在可见光区域，两类植被在绿光波段（550nm附近）形成一个小型反射峰，在650～700nm范围内形成一个小型吸收谷，这是由于植被叶绿素作用而形成的植被固有的特性；在“红边”范围内，芦苇-南荻群落形成“陡坡”，而薹草-虉草群落仅有缓慢的上升；在近红外区域，芦苇-南荻群落形成一个高反射平台，远高于薹草-虉草群落。总体而言，薹草-虉草群落的植被特征较弱，这可能是因为薹草-虉草群落在该时期比较稀疏。在近红外区域，两类植被可分性明显。2020年6月17日四类植被均有明显的“绿峰”和“红谷”，符合植被光谱特征。在可见光区域，农田在500～650nm波长范围内略微高于其余三类植被，林地、芦苇-南荻群落和薹草-虉草群落在可见光区域的光谱曲线几乎重合，不可区分；在近红外区域，林地和薹草-虉草群落反射率最高，二者之间存在一定的交叉，次高的为芦苇-南荻群落，农田反射率最低，与其余植被差异显著，明显可分。

2020年10月10日，由于鄱阳湖丰水期水位较高，研究区内大部分地区都被水覆盖，因此，只有位于南山岛和矶山岛的林地和农田这两类非湿地植被。二者也均存在植被的固有特征，在可见光区域，光谱曲线几乎重叠，不可区分，但在近红外区域，农田反射率高于植被反射率大约0.1，二者在该范围差异显著。2020年11月11日四类植被光谱曲线趋势相似，在500nm附近有一个小型吸收谷，在550nm附近有一个小型反射峰，在670～720nm波长范围内也有一个吸收谷，在“红边”迅速攀升，近红外区域形成高反射平台。在可见光区域，4类植被的光谱曲线交错重叠严重，不易区分，而在近红外区域，4类植被光谱差异明显，反射率由高到低依次是：农田>林地>芦苇-南荻群落>薹草-虉草群落，可通过近红外波段来区分识别4类植被。2021年1月18日4类植被的植被特征均比较弱，可能是由于植被在冬季枯萎导致的。在450～640nm波长范围内，4类植被之间存在一定差异，且反射率由高到低依次为：农田>芦苇-南荻群落>薹草-虉草群落>林地，在650nm之后，4类植被间存在不同程度的交叉现象，其中农田在830nm之前反射率均高于其余3类植被。4类植被的可分性需要进一步定量分析及通过数学变换放大差异。

图8 同种植被不同时期原始光谱均值曲线

同种植被受气候、水位等因素影响，生长状态有所不同，表现出的光谱特征也会有所差异。图8可以看出：四类植被在2020年3月15日和2021年1月18日的光谱反射率明显不同于其余时间，该时期植被虽有植被的固有反射特征，由于植被在冬季以及初春时生长环境严峻，生长状况欠佳，在可见光区域的反射率明显高于其余时间，其余三个时期植被的光谱特征显著。在可见光区域，林地在冬季时的反射率高于其余时期，其余三个时期反射率差异不大，而在林地夏季时近红外区域反射率最高，在其余时间差异不大。两类湿地草丛群落在冬季和初春时可见光区域的反射率高于其余时间，芦苇-南荻群落初春时近红外区域反射率高，在夏秋花期时近红外区域反射率下降，而薹草-虉草群落初夏时近红外区域反射率最高，该时期薹草生长旺盛。农田在冬季时可见光区域反射率最高，而在夏季时近红外区域反射率最低。

推荐：

便携式高光谱成像系统iSpecHyper-VS1000

专门用于公安刑侦、物证鉴定、医学医疗、精准农业、矿物地质勘探等领域的最新产品，主要优势具有体积小、帧率高、高光谱分辨率高、高像质等性价比特点采用了透射光栅内推扫原理高光谱成像，系统集成高性能数据采集与分析处理系统，高速USB3.0接口传输，全靶面高成像质量光学设计，物镜接口为标准C-Mount，可根据用户需求更换物镜。

审核编辑 黄宇