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

一、引 言

遙感技術(shù)具有高效率、低成本、大面積、多時(shí)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(lái)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(lái)了新的方向。

二、研究區(qū)概況及技術(shù)路線

2.1 研究區(qū)概況

雷州市西部的唐家鎮(zhèn)一帶，此區(qū)域的地貌以沖洪積臺(tái)地、熔巖臺(tái)地及低丘陵為主，地勢(shì)相對(duì)平坦。受植被覆蓋影響，大部分研究區(qū)無(wú)法直接通過(guò)顏色、影紋、形態(tài)等直接解譯標(biāo)志來(lái)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(shì)等間接解譯標(biāo)志來(lái)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(wú)法通過(guò)多光譜影像來(lái)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(lái)精準(zhǔn)識(shí)別和劃分湛江組與石茆嶺組兩套地層。

2.2 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(guò)分析地物光譜儀測(cè)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(duì)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(lái)劃分目標(biāo)地物?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

（1）地物光譜數(shù)據(jù)采集。在多個(gè)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，通過(guò)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，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)行對(duì)比，旨在精準(zhǔn)區(qū)分目標(biāo)地物。

三、地物光譜儀采集與分析

使用地物光譜儀分別對(duì)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(shí)間為10時(shí)至15時(shí)。該時(shí)間段陽(yáng)光充足，自然光峰值能量高，波形完整。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，這兩類地層在紅外波段（波長(zhǎng)761nm附近）處有明顯區(qū)別（見(jiàn)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(zhǎng)761nm處存在一個(gè)反射峰，而湛江組風(fēng)化土在波長(zhǎng)757～767nm處可見(jiàn)一個(gè)吸收峰。

圖2 湛江組及石茆嶺組地層風(fēng)化土的地物光譜圖

四、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)來(lái)自高光譜成像儀。

（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(cè)以及精細(xì)分類等也將受到較大影響。因此，統(tǒng)一對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲分離處理。例如，對(duì)高光譜成像儀部分波段圖像中明顯的周期性條帶噪聲，有針對(duì)性地進(jìn)行了去除。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)

通過(guò)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。對(duì)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761nm附近的吸收峰（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。

圖3吸收峰和反射峰光譜一階導(dǎo)數(shù)曲線圖

2.包絡(luò)線去除

對(duì)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(gè)像元的光譜曲線都可以看作是該像元所對(duì)應(yīng)的地表物質(zhì)的光譜信號(hào)。在本研究中，筆者采用像元純度指數(shù)算法選取了端元光譜，旨在尋找由單一地物組成的像元。

四、結(jié)果對(duì)比

基于以上工作，對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分，獲得了光譜曲線761nm附近有峰值表現(xiàn)的像元，同時(shí)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，將調(diào)查結(jié)果在地質(zhì)圖中進(jìn)行標(biāo)注（見(jiàn)圖4）。

圖4 已標(biāo)注調(diào)查結(jié)果的地質(zhì)圖

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(shí)別準(zhǔn)確率約為64%。

五、結(jié)論

本研究運(yùn)用高光譜遙感數(shù)據(jù)與地物光譜儀測(cè)得表觀反射率數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)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。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(duì)研究區(qū)內(nèi)兩組無(wú)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(shí)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(shí)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。因此建議，研究人員在使用多光譜數(shù)據(jù)對(duì)特征和間接標(biāo)志明顯的地層進(jìn)行一次劃分后，再通過(guò)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行不同地層的二次劃分。

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