無人機(jī)高光譜的植被冠層熱點(diǎn)效應(yīng)探索

0  引言        

        輻射和地表結(jié)構(gòu)之間的相互作用有一個(gè)基本的性質(zhì)，那就是遙感觀測(cè)視場(chǎng)中觀測(cè)到的輻射會(huì)隨著光源與觀測(cè)者之間幾何位置關(guān)系的變化而變化。這種變化依賴于地表類型及其結(jié)構(gòu)，所以有效地分析這種變化可以為通過遙感監(jiān)測(cè)制圖和監(jiān)測(cè)地表結(jié)構(gòu)提供一種方法和手段。在光照和觀測(cè)幾何位置發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)效應(yīng)。當(dāng)沿著太陽方向觀測(cè)時(shí)看不到陰影，整個(gè)視場(chǎng)都是亮的，這時(shí)觀測(cè)到的輻射達(dá)到最大，在雙向反射率曲線上出現(xiàn)一個(gè)峰值，這就是“熱點(diǎn)”。“熱點(diǎn)”效應(yīng)的強(qiáng)度和性質(zhì)隨著觀測(cè)和光照位置改變，可以提供冠層結(jié)構(gòu)的重要信息。

        最早在植被雙向反射研究中考慮“熱點(diǎn)”效應(yīng)的是Suits，雖然他引入的訂正公式是經(jīng)驗(yàn)性的。Gerstl等提出了一個(gè)模擬作物群體“熱點(diǎn)“效應(yīng)的線性模式，并用“熱點(diǎn)”區(qū)域的光譜資料進(jìn)行作物類型鑒別。Myneni等對(duì)“熱點(diǎn)”現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Ross等利用MonteCarlo方法對(duì)“熱點(diǎn)”效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬并獲得了一些有價(jià)值的結(jié)果。覃文漢的長方形模型假定所有長方形葉片均為水平取向，按照幾何光學(xué)理論，定義其重疊函數(shù)，并分別給出了主平面、主錐面及內(nèi)插法求非主平面和非主錐面情形的解析結(jié)果。為了改進(jìn)長方形模型中葉片為水平取向的不合理假設(shè)，覃文漢1994年提出了任意取向植被組分冠層“熱點(diǎn)”系數(shù)解析計(jì)算的混合模型。盡管這種混合模型給出了計(jì)算重疊面積的近似解析表達(dá)，比長方形模型更準(zhǔn)確，但是它把任意傾向的葉片投影到水平和豎直2個(gè)方向，必然帶來和Suits模型相同的缺陷，如在拐點(diǎn)處產(chǎn)生“V”形現(xiàn)象，而不是光滑曲線。1997年Nadine Gobron建立了葉片空間分布和幾何結(jié)構(gòu)性質(zhì)都用統(tǒng)計(jì)分布描述的輻射傳輸模型，將單次散射、多次散射分開考慮。2012年楊曉月等通過地面觀測(cè)草地多平面多角度光譜反射率和葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算不同植被指數(shù)，分析不同觀測(cè)平面和角度下植被指數(shù)與葉面積指數(shù)的相關(guān)性，建立遙感反演模型。于穎等對(duì)3種植被冠層BRDF模型一DART模型、4SCALE模型和MGEOSAIL模型，模擬了不同郁閉度樣地在紅光、近紅外波段各個(gè)觀測(cè)角度下的場(chǎng)景反射率，并比較分析了不同BRDF模型的適用性和局限性。結(jié)果表明這3種模型在模擬近紅外波段的場(chǎng)景反射率時(shí)，均存在“碗邊”效應(yīng)。

        目前國內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)熱點(diǎn)效應(yīng)的研究甚少，而且都是基于地面尺度，也就是基于地物光譜儀，利用量角器根據(jù)不同的角度利用地物光譜儀探頭獲取地物的光譜信息，從而根據(jù)不同的角度信息反演出地物葉子大小和形狀、樹冠大小，以及低葉面積指數(shù)的冠層高度等冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)。然而卻沒有研究者利用無人機(jī)平臺(tái)，搭載成像高光譜儀，根據(jù)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度，從而獲取不同角度的地物信息，并根據(jù)太陽高度角調(diào)整成像光譜儀角度，快速獲取地物的成像光譜信息，通過成像，更能準(zhǔn)確地分析植物冠層的熱點(diǎn)效應(yīng)。

1  設(shè)備平臺(tái)

        由江蘇雙利合譜科技有限公司自主研發(fā)的無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)平臺(tái)GaiaSky-mini，利用其獨(dú)有的發(fā)明**技術(shù)，使無人機(jī)飛行到一定的高度，懸停在空中，利用云臺(tái)旋轉(zhuǎn)到與太陽光照方向一樣的角度，然后運(yùn)用高光譜成像儀內(nèi)置推掃的方式快速獲取該角度下地物的成像光譜信息（在正常的光照條件下，10秒以內(nèi)可獲取一景高光譜影像信息，100m高度下，對(duì)應(yīng)的地面面積約是43m*43m），下圖為無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)在空中旋轉(zhuǎn)角度拍攝地物熱點(diǎn)效應(yīng)的照片及該系統(tǒng)的參數(shù)。

圖1 太陽高度角下拍攝地物冠層熱點(diǎn)信息

表1  GaiaSky-mini 400-1000nm范圍的參數(shù)

2   熱點(diǎn)效應(yīng)探索

      下圖為江蘇雙利合譜科技有限公司的無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)在300m高空下獲取的地物冠層熱點(diǎn)成像數(shù)據(jù)，從圖中可知，在熱點(diǎn)效應(yīng)下，植被冠層光照強(qiáng)度最強(qiáng)，亮度最亮，無陰影，可用于分析植被的冠層結(jié)構(gòu)，如葉面積指數(shù)、樹高、樹冠大小等信息。

圖2  GaiaSky-mini2-VN 拍攝植物冠層的熱點(diǎn)效應(yīng)

       通常在遙感觀測(cè)方向與太陽光線入射同向的后向散射區(qū)域存在冠層的反射率峰值，我們稱之為“熱點(diǎn)”，因此與之相對(duì)的在觀測(cè)方向與太陽輻射入射相對(duì)的前向散射區(qū)域的反射率最弱點(diǎn)則稱之為“暗點(diǎn)”，熱點(diǎn)和暗點(diǎn)包含了植被的葉片聚集信息。以小麥為例，分緊湊型和披散型，我們分別分析這兩種類型的小麥在紅光區(qū)域和近紅外區(qū)域在不同角度的反射率值的變化，以670nm和800nm為例，如下圖所示。

圖3  兩種類型小麥在紅光區(qū)域不同角度下的光譜反射率值變化

圖4  兩種類型小麥在近紅外區(qū)域不同角度下的光譜反射率值變化

        由圖中看出兩種株型小麥在后向散射區(qū)域存在熱點(diǎn)效應(yīng)，并且紅光波段的熱點(diǎn)效應(yīng)比近紅外波段更顯著。紅光波段緊湊型和披散型小麥的熱點(diǎn)分別在后向散射區(qū)域20°附近和50°附近，近紅外波段緊湊型和披散型小麥的熱點(diǎn)角度大致在后向40°附近50°附近。這是由于紅光波段小麥植株葉綠素的強(qiáng)吸收增強(qiáng)了該波段的各向異性，而近紅外波段葉片多重散射效應(yīng)增強(qiáng)，降低了植被在該波段的各向異性。另一方面，緊湊型小麥葉片主要集中在植株中上層，披散型小麥植株的上中下層均有葉片。且葉片披散程度比緊湊型小麥大，同一時(shí)期觀側(cè)視場(chǎng)內(nèi)不同株型小麥的植株信息和土壤信息比例不同。       

3  總結(jié)

        植被的熱點(diǎn)效應(yīng)可以反映冠層的結(jié)構(gòu)特征，用戶可利用多角度冠層數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)建不同的反演模型，結(jié)合熱點(diǎn)、暗點(diǎn)以及常規(guī)植被指數(shù)，從而提高反演植被冠層大小、LAI、樹高等模型的精度。根據(jù)小編在目前論文集的搜索，無人機(jī)高光譜拍攝植被冠層熱點(diǎn)，目前國內(nèi)外還未有人發(fā)表過相關(guān)論文，本文只是做了一個(gè)粗淺的報(bào)告，更多的信息還需要各位科研工作者去深入研究、深入探索、深入挖掘。如需要了解更多內(nèi)容，可直接與雙利合譜聯(lián)系溝通,謝謝!