題目

基于無人機(jī)平臺(tái)的熱點(diǎn)多視角森林冠層高光譜圖像采集與應(yīng)用

應(yīng)用關(guān)鍵詞

多角度、高光譜、無人機(jī)、植被指數(shù)

背景

森林的各種結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量循環(huán)過程密切相關(guān)。因此，森林理化參數(shù)的定量反演對(duì)于監(jiān)測(cè)森林生長(zhǎng)、研究全球物質(zhì)和能量循環(huán)過程具有重要意義。高光譜圖像的每一個(gè)像素包含了地物空間屬性的幾何信息和數(shù)百個(gè)連續(xù)波段的詳細(xì)光譜信息，這些信息使得理化性狀的高精度監(jiān)測(cè)成為可能。近年來，各種無人機(jī)（Unmanned aerial vehicle, UAV）的發(fā)展，為高光譜數(shù)據(jù)采集提供了一個(gè)低成本平臺(tái)。

不同角度獲得的森林冠層光譜比單角度數(shù)據(jù)能提供更多的結(jié)構(gòu)特征信息。當(dāng)觀測(cè)方向和光照方向與森林冠層重合時(shí)，冠層熱點(diǎn)出現(xiàn)，雙向反射曲線上出現(xiàn)一個(gè)峰值。當(dāng)觀測(cè)方向與太陽(yáng)方向一致時(shí)，沒有任何遮擋效應(yīng)時(shí)，觀測(cè)到的亮度值達(dá)到最大。冠層熱點(diǎn)的強(qiáng)度和性質(zhì)隨表面紋理和冠層結(jié)構(gòu)的變化而變化，這為發(fā)現(xiàn)冠層結(jié)構(gòu)的重要信息提供了可能。

熱點(diǎn)可以從主平面的后向散射方向觀測(cè)到，其中冠層反射率隨視角變化較大。一些基于衛(wèi)星的傳感器已被設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)多角度觀測(cè)。然而，在太陽(yáng)主平面上獲取光譜具有挑戰(zhàn)性，且空間分辨率較粗。與衛(wèi)星平臺(tái)相比，機(jī)載平臺(tái)可以采集太陽(yáng)主平面內(nèi)空間分辨率更高的多角度光譜數(shù)據(jù)。此外，還可以使用測(cè)角儀進(jìn)行多角度觀測(cè)，以準(zhǔn)確控制觀測(cè)角度。然而，這些系統(tǒng)僅限于在低高度的植被冠層中使用。

基于UAV的多角度高光譜系統(tǒng)具有合適的地面采樣距離和較高的空間分辨率，這使得基于UAV的方法在森林冠層水平上研究森林雙向特征具有重要價(jià)值。因此，本研究的目標(biāo)是（1）開發(fā)一種基于UAV平臺(tái)的多角度高光譜觀測(cè)方法；（2）進(jìn)一步探討不同觀測(cè)天頂角（View zenith angles, VZAs）對(duì)森林冠層反射率、NDVI、EVI和PRI的影響。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

南京大學(xué)張乾副研究員團(tuán)隊(duì)使用的高光譜成像系統(tǒng)為安裝在六懸翼無人機(jī)（M600 Pro, 大疆）上的Gaiasky-mini2-VN（江蘇雙利合譜）。Gaiasky-mini2-VN系統(tǒng)由四部分組成，包括用于獲取高光譜圖像的光譜儀（V10E, Specim），用于拍攝圖像的相機(jī)（Lt365R, Lumenera），鏡頭（HSIA-OLE18, Specim）和步進(jìn)電機(jī)（ZOLIX SC300, 北京卓立漢光儀器有限公司）。光譜儀詳細(xì)情況如表1所示。飛行試驗(yàn)在中國(guó)河北省塞罕壩進(jìn)行，其優(yōu)勢(shì)樹種為樟子松、白樺和落葉松。第一次飛行于上午在樟子松（ZZS_a）地塊進(jìn)行。第二次飛行于上午在另一個(gè)樟子松（ZZS_b）地塊進(jìn)行。第三次飛行于上午在落葉松（LYS）地塊進(jìn)行的。第四次飛行于上午在白樺（BH）地塊進(jìn)行。

表1 光譜儀詳細(xì)情況

具體多角度操作流程如表2和圖1所示：

1. UAV起飛后，在空中H處懸停，并在地面鋪上一塊灰色布。在垂直點(diǎn)拍攝灰布影像。
2. UAV被調(diào)整至相同的高度H，通過調(diào)整VZA來尋找熱點(diǎn)，直到熱點(diǎn)位于圖像的中心。然后得到一個(gè)圖像，即熱點(diǎn)圖像。這個(gè)位置（圖1中的A）被設(shè)定為本次飛行的起點(diǎn)。
3. UAV水平旋轉(zhuǎn)180度，保持VZA不變。然后，UAV從起點(diǎn)移動(dòng)一定距離，并在找到暗點(diǎn)時(shí)停止。然后拍攝另一張圖像，即暗點(diǎn)圖像。這個(gè)位置（圖2中的B）被設(shè)定為這條飛行路線的終點(diǎn)。
4. 起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的距離被分為7段。UAV每次從終點(diǎn)到起點(diǎn)水平移動(dòng)一定距離。到達(dá)C時(shí)調(diào)整VZA，并拍攝一張圖像。
5. 重復(fù)步驟4，得到其他五個(gè)角度的圖像。

表2 多角度觀測(cè)飛行規(guī)范。BW、FW和ND分別表示后向、前向和垂直點(diǎn)觀測(cè)值。

圖1 無人機(jī)多角度觀測(cè)原理圖。點(diǎn)A和點(diǎn)B分別是一個(gè)飛行路徑的起點(diǎn)和終點(diǎn)。A（熱點(diǎn), 紅線）、H、G、F為后向觀測(cè)位置。B（暗點(diǎn), 綠線）、C、D為前向觀測(cè)位置。E為垂直點(diǎn)觀測(cè)位置（藍(lán)線）。

對(duì)UAV平臺(tái)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括大氣校正、輻射校準(zhǔn)和幾何校正。然后計(jì)算光譜指數(shù)，包括NDVI，EVI和PRI，計(jì)算公式如下所示。

結(jié)論

在VZA相同的情況下，從后向視角拍攝的照片比從前向視角拍攝的照片更亮。例如，圖2a中VZA為40度（B40°）的后向照片比VZA為40度（F40°）的前向照片更亮。此外，在ZZS_a、ZZS_b、LYS、BH圖中，所有后向照片都比前向照片更亮，并且存在熱點(diǎn)照片比同一圖中的其他照片看起來更均勻的現(xiàn)象。ZZS_a、ZZS_b、LYS、BH圖的垂直點(diǎn)照片與前向照片差異不大。

圖2 由Gaiasky-mini2-VN系統(tǒng)內(nèi)置相機(jī)拍攝的照片。A、B、C、D分別為ZZS_a、ZZS_b、LYS、BH圖。VZA前面的字母“B”表示后向觀測(cè)，“F”表示前向觀測(cè)。

圖3為不同地塊的高光譜RGB圖像及不同VZAs對(duì)應(yīng)的反射率曲線。冠層越均勻，熱點(diǎn)越亮。ZZS_a圖和ZZS_b圖的熱點(diǎn)形狀比LYS圖和BH圖的熱點(diǎn)形狀更接近圓形，這是由于冠層間和冠層內(nèi)間隙大小分布有差異。與其他3個(gè)樣地的熱點(diǎn)面積相比，BH樣地的熱點(diǎn)面積較小，這是因?yàn)锽H樣地的冠層較稀疏，增加了觀測(cè)到的反射率低于森林冠層的概率。由于傳感器在熱點(diǎn)處可以接收到更多的光照樹葉輻射，因此熱點(diǎn)處的反射率比任何方向的反射率都高，而越靠近暗點(diǎn)反射率越低，且反射率的值隨VZAs的變化而變化。而在近紅外波段，4個(gè)樣地的垂直點(diǎn)反射率值在0.3左右，介于暗點(diǎn)和熱點(diǎn)之間，說明多角度反射率比單角度反射率能提供更多的信息。

圖4可以看出4個(gè)站點(diǎn)前向觀測(cè)的PC（percentage changes）值幾乎為負(fù)，說明前向觀測(cè)的反射率低于垂直觀測(cè)。4個(gè)站點(diǎn)后向觀測(cè)的PC值基本為正，表明后向觀測(cè)的反射率高于垂直點(diǎn)觀測(cè)。因此，不同觀測(cè)方向反射率的變化趨勢(shì)為后向>垂直點(diǎn)>前向。與近紅外波段相比，可見光區(qū)PC值更大，說明可見光區(qū)BDR效應(yīng)比近紅外區(qū)更強(qiáng)。

圖3 4個(gè)站點(diǎn)不同VZAs的高光譜RGB圖像和冠層反射率

圖4 在四個(gè)垂直點(diǎn)上不同VZAs下不同波長(zhǎng)反射率的pc

圖5顯示了來自ZZS_a圖的不同VZAs的NDVI圖像。越靠近熱點(diǎn)，NDVI值越小。相反，離熱點(diǎn)越遠(yuǎn)，NDVI值越大。熱點(diǎn)圖像的NDVI均值在7個(gè)VZAs中最小，同時(shí)VZA不同觀測(cè)方向的后向NDVI均值要小于前向NDVI均值。圖6顯示了不同地塊NDVI隨不同VZAs的變化。ZZS_a圖的NDVI最大值在F33°，最小值位于熱點(diǎn)處。ZZS_b圖的NDVI最大值在F33°，最小值位于熱點(diǎn)處。LYS圖的NDVI的最大值和最小值分別在暗點(diǎn)和熱點(diǎn)。與LYS圖相似，BH圖NDVI的最小值在熱點(diǎn)處，與LYS圖不同，BH圖NDVI的最大值不在暗點(diǎn)處（F35°），而是在F27°。與其他三個(gè)圖一樣，BH圖前向觀測(cè)的NDVI值大于后向觀測(cè)的NDVI值。

從整體上看，從暗點(diǎn)到熱點(diǎn)，NDVI值逐漸減小，無論是闊葉林還是針葉林，熱點(diǎn)處反射率值都最小。熱點(diǎn)處紅色波段反射率大于近紅外波段反射率。與熱點(diǎn)相比，其他VZAs的NDVI值變化較小，說明熱點(diǎn)對(duì)NDVI的影響較大。由此可以得出結(jié)論，后向觀測(cè)VZAs對(duì)NDVI的影響較大，前向觀測(cè)VZAs對(duì)NDVI的干擾較小。

圖5 ZZS_a圖中不同VZAs的NDVI圖像

圖6 不同樣地NDVI隨VZAs的變化規(guī)律

EVI作為NDVI的代理可以消除土壤背景和氣溶膠的影響，增強(qiáng)植被信息。但EVI和NDVI在熱點(diǎn)附近的變化趨勢(shì)相反（圖7），說明至少在熱點(diǎn)方向上，EVI和NDVI可能包含不同的信息。在LYS圖中，EVI從暗點(diǎn)到熱點(diǎn)呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)。與ZZS_a圖和ZZS_b圖一樣，BH圖前向觀測(cè)的EVI值小于后向觀測(cè)值。在圖7中，前向觀測(cè)的EVI值基本沒有變化。與NDVI相反，無論闊葉林還是針葉林，熱點(diǎn)區(qū)EVI值均最大。因此可以得出結(jié)論，后向觀測(cè)VZAs對(duì)EVI的影響較大，而前向觀測(cè)VZAs對(duì)EVI的影響較小。

PRI對(duì)葉黃素的變化非常敏感，可用于指示光合光利用速率或碳同化效率，為評(píng)估短時(shí)間內(nèi)的LUE（light use efficiency）變化提供了直接方法。然而，PRI與LUE之間的關(guān)系不僅受植被冠層結(jié)構(gòu)和植物生理特征的影響，還受觀測(cè)幾何（太陽(yáng)-目標(biāo)-傳感器角）的影響。圖8展示了不同樣地PRI隨VZAs的變化規(guī)律?？梢钥吹?，在不同觀測(cè)方向上相同VZA下，后向PRI均值小于前向PRI均值。與ZZS_b圖進(jìn)行比較，ZZS_a圖的PRI值在不同VZAs上有較大的波動(dòng)趨勢(shì)。ZZS_a和ZZS_b的PRI值高于LYS，并且BH的PRI值比ZZS_a、ZZS_b和LYS的值要低。因此，多角度數(shù)據(jù)可以通過PRI來表達(dá)森林冠層的差異。

圖7 不同樣地EVI隨VZAs的變化規(guī)律

圖8 不同樣地PRI隨VZAs的變化規(guī)律

綜上所述，在本研究中，我們采用UAV高光譜成像系統(tǒng)的半自動(dòng)多角度觀測(cè)方法，獲得了清晰的多角度高光譜圖像，特別是熱點(diǎn)視圖。結(jié)果表明，冠層熱點(diǎn)對(duì)森林反射率、NDVI和EVI有較大影響。冠層反射率和EVI值在熱點(diǎn)處最大，NDVI值在熱點(diǎn)處最小。此外，闊葉林和針葉林的熱點(diǎn)效應(yīng)相似。然而，雖然熱點(diǎn)對(duì)PRI沒有明顯影響，但VZAs對(duì)PRI有很大影響。我們的發(fā)現(xiàn)對(duì)目前和未來利用多角度高光譜影像反演森林功能和結(jié)構(gòu)參數(shù)具有重要意義。

作者信息

張乾，博士，南京工業(yè)大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研究員，碩士生導(dǎo)師。

主要研究方向：多角度觀測(cè)與算法；葉綠素?zé)晒饧爸脖恢笖?shù)；植被生態(tài)遙感；生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。

參考文獻(xiàn)：

Zhang, X., Qiu, F., Zhan, C., Zhang, Q., Li, Z., Wu, Y., Huang, Y., & Chen, X. (2020). Acquisitions and applications of forest canopy hyperspectral imageries at hotspot and multiview angle using unmanned aerial vehicle platform. Journal of Applied Remote Sensing, 14(2).

https://doi.org/10.1117/1.JRS.14.022212