中分辨率成像光谱仪数据的滩涂环境遥感应用能力研究

中分辨率成像光谱仪数据的滩涂环境遥感应用能力研究
摘要：以长江口海岸带地区为示范区，探讨了我国中分辨率成像光谱仪(CMODIS)的滩涂及水体图像特征。 结合地面现场观测和图像处理结果，评价了其在滩涂环境遥感中的应用能力。

1 引 言 高光谱遥感技术是近些年来迅速发展起来的一 种全新遥感技术。在成像过程中，它利用成像光谱 仪以纳米级的光谱分辨率，以几十或几百个波段同 时对地表地物成像，能够获得地物的连续光谱信息， 实现了地物空间信息和光谱信息的同步获取，因而 在相关领域具有巨大的应用价值和广阔的发展前 景： 。 本文结合理论研究和地面试验结果，重点围绕 我国的中分辨率成像光谱仪(CMODIS)数据的滩涂 植被信息提取能力和近岸水体遥感能力，对 CMODIS的机载和星载遥感资料在滩涂环境遥感中 的应用进行了研究。研究结果对如何充分挖掘 CMODIS的高光谱分辨率和“图谱合一”的特性在滩 涂遥感中的应用潜力，以及传感器的功能改进和应 用领域的拓展等方面都具有一定的参考价值。

2 成像光谱仪简介 1984年，美国成功地进行了世界上第一次机载 成像光谱仪(AIS)飞行试验。此后，美国和其他许 多国家相继研制多种型号机载的或星载的中、高分 辨率成像光谱仪。其中星载的MODIS数据已得到 了较为广泛的使用。测厚仪| 测速仪| 转速表| 压力表| 压力计| 真空表| 硬度计| 探伤仪| 电子称| 热像仪| 频闪仪| 测高仪| 测距仪| 金属探测器| 试验机| 扭力计| 流速仪| 粗糙度仪| 流量计| 平衡仪|  成像光谱技术一出现就显示出良好的应用前 景，引起了普遍重视。同其他常用的遥感技术相比， 成像光谱仪获得的数据具有波段多、光谱分辨率高、 相邻波段的相关性高、数据冗余大和空间分辨率较 高等特点。目前实用化的成像光谱仪有着较高的空 间分辨率和高光谱分辨率的特性。 我国在1991年研制了成像光谱仪并成功地进 行了航空飞行试验。此后又研制了星载中分辨率成 像光谱仪、实用型模块化成像光谱仪和高分辨率成 像光谱仪 。CMODIS是我国第一台星载中分辨率 高光谱成像光谱仪，标志着我国民用遥感技术及其 应用研究进入了一个新的阶段。CMODIS在0．403 ～ 12．5 m之间具有34个通道，可将图像信息和光 谱信息融为一体，在获取地表空间图像信息的同时， 得到每个地物连续光谱信息，为实现地物光谱特征 自动识别创造了条件。

3 CMODIS的滩涂遥感信息提取

3．1航空CMODIS的数字图像光谱信息提取 成像光谱仪最显著的技术优势为“图谱合一”， 应用成果的关键性产品之一为地物光谱反演曲线。 在经校正处理的航飞图像中提取典型地物光谱曲 线，并将反演的光谱曲线与理论曲线和地面实测光 谱曲线作比较，发现各类地物光谱曲线分布形态及 峰值位置极为相似。如植被及农作物光谱反射率曲 线中的绿峰(0．53txm)、吸收峰(0．67hm)及近红外 反射率(0．771xrn，1．06～1．1O1．~m)非常明显；居民地、 道路和泥滩等光谱曲线的分布形态与裸露地及土壤 的光谱曲线相似；水产养殖场水体类受浮游植物及有 机质含量影响呈现不同色调，在光谱曲线上0．531axn 及0．771~m部位有两个小反射峰。这些特征为图像 的监督分类和自动识别奠定了可靠的基础。 为了充分挖掘成像光谱仪的光谱信息，我们利用 对航飞高光谱数据进行了处理 ：该方法最早由 Cetin等人在1990年提出．其计算输出的像元值不受 全波段数据统计特征的影响，保征了原遥感数据所反 映的地理特征。它的另一个特点是可以针对特定的 地物进行图像增强处理，利用处理得到的 个分量进 行彩色合成可以充分反映地物光谱特征 图1—3分 别为原始波段标准假彩色合成图像和利用成像光谱 仪航空模飞获得的32个波段图像经nPDF分析得到 的滩涂植被及河口水体增强图像 植被的增强图像 以绿色为主，清晰地反映了绿色植被的特征。稻田、 草地、林块、芦苇和滩地等从颜色及纹理上均可识别， 大大提高了成像光谱仪的表现能力，为地物识别分析 创造了良好条件；从河口水体增强图像中可以清晰地 识别排柯水体的扩散强度、方向和范围。 图l 航空CMODIS标准假彩色合成图像 图2 经nPDF增强的濉馀合成图像 圉3 经rrPDF增强的水体合成图像

3．2 星栽CMODIS的滩涂环境遥感信息提取 CMODIS首次搭载神舟3号进行了航天遥感 试验，我们选择了天气晴好的CMODIS数据进行 了处理，并检索准同步的EOS／MODIS和HY一1 CCD数据进行了对比分析．结合现场测量和实验 分析结果．对SZ一3 CMODIS数据进行了初步的应 用能力评价。
3．2．1 光谱信息提取 为了评价成像光谱仪数据反演光谱信息的能 力，首先对该数据进行了大气校正，之后提取不同地 物的光潜曲线，主要包括裸滩地、芦苇、农田、城市以 及不同泥沙浓度的水体 图4～7显示了从图像中 反演的典型地物如芦苇、光滩和不同浓度泥沙水体 的反射光谱曲线。 匣射率 图4 芦苇反射率d蠡线 渡段号 匡. 圉5 光滩反射率曲线 ，＼ ／ ＼ 、 ，／ 、_、 波段号 图6 泥沙峰外缘水反射率曲线 反射率 波段号 通过将图像反演光谱曲线与理论曲线和实测光 谱曲线的对比分析可知，反演的光谱曲线与理论和 实测的地物光谱曲线分布形态及峰值位置极为相 似，可以很好地反映地物的光谱特征 (1)植被及农作物光谱反射率曲线中的绿峰 (0．543—0．553 m，第8波段处)、吸收峰(0．663～ 0，673la．ra，第14波段处)及近红外反射率(0 743～ O．803 m及以长波段，第18～30波段)非常明显 (图4)。由于植被长势和覆盖度不同，导致反射强 度上的差异。如试验区在6月份，小麦等农作物已 经收割完毕，而新种的玉米等作物还处于幼苗期，覆 盖度较低，因此反射率比生长密集的芦苇等植被要 低。而滩地由于植被稀少+含水量较高，因此，光谱 特征与水体近似(图5) (2)含沙水体的光谱曲线反射峰位置，随泥沙浓 度的不同而有所变化，处在可见光波段O．543一 n 703~．m区段内，随悬浮泥沙含量不同，反射率值高 低不一。外海水由于含沙量较低，光谱曲线的反射率 值亦下降。随着向河口方向，泥沙浓度增加，水体反 射率增大，而且出现了反射峰的“红移”(图6、7)。
3．2．2 单波段图像信息特征 成像光谱仪获取的遥感图像信息量极其丰富． 不同波段遥感图像可以显示不同地物类型及其分布 状况。为此，在确定图像处理方案以前，逐一分析各 单波段的影像特征，便于选择不同的特征波段进行 组合 通过各单波段图像分析，可以得到成像光谱仪 数据的基本图像特征。 总体上，4～20波段(主要是可见光波段)，图像 质量良好，地物特征明显 其余波段存在不同程度 的噪声，有的波段相当明显。 l～3渡段，由于受散射的影响，图像噪声干扰 较大，有较强的条带；4—8波段，图像效果接近，相 当于TMI，可以从灰度上区分城市，低浓度泥沙，浓 度泥沙在这几个波段出现亮度饱和；9—16波段，相 对于短波长波段，大气干扰减小，图像更加清晰，城 市、植被特征明显，泥沙低、中浓度区有良好反映；17 ～ 20波段，高浓度泥沙区，内陆水体(湖泊、江河)均 有良好反映，水陆边界易于识别，为植被的高反射 区，图像条带噪声小，质量好；21～26波段，植被的 高反射波段，水下浅滩也有明显反映，但图像的条带 噪声增太；27～30波段为红外波段，噪音十分明显：
3．2．3 成像光谱仪多波段组合图像的信息特征 基于单波段图像光谱特征分析．可以初步得到 反映不同地物的几种图像合成方案。 (1)可见光波段组合。其中可以分为三个波段 组：4—8波段、9一n波段、12～16渡段，分别对应 于TM的1、2、3波段 分别从各组中挑选一个波段 进行组合，可以得到近似的合成效果 这些组合图 像可以较好地反映泥沙特征，见图8。 (2)利用近红外和可见光渡段组合，可以较好 地反映坭沙不同浓度医、植被和水陆边界特征，见图 9。在这两张组合图像上．长江口泥沙高浓度区、浑 水舌和羽状流等特征都有良好的反映；内陆湖泊等 水体的水色特征也较突出， (3)植被指数信息提取：图像l0通过c B24一 B14)／(B24+BI4)即(0．9 一0．67 m)／(0．9岬 +0．67 m)归一化植被指数计算，可以较好地显示 植被覆盖度状况 图8 13、10、5波段台成图像图9 笠、14、8波段合成图像 图J0 利用22、l4波段计算的ND~．

3．3 应用能力总体评价 目前，成像光谱仪已成为遥感技术与应用领域 内的一大热点。但迄今为止，国内外常用的成像光 普仪还是以机载的为主．要进入实用阶段．需要由航 空遥感转向卫星遥感。我国的成像光谱仪研制已达 到国外同等水平，目前机载成像光谱仪已转向实用 化阶段，但由于受某些技术条件的限制，星载成像光 谱仪的业务化应用还存在一定的差距。 从上述研究结果看，我国的机载成像光谱仪在 地物光谱曲线提取和地物特征表达等方面都取得了 令人满意的效果。 对星载图像的单波段分析表明，CMODIS在可 见光波段的效果要好于红外波段，主要表现在条带 噪声较低，信噪比和图像对比度较高。另外，由于星 载CMODIS的空间分辨率不高，影响了数据在滩涂 地区的应用，给滩地的分带以及地物类型的细分都 带来一定的困难。

4 结语 本文以长江口海岸带滩涂为研究对象，开展了 CMODIS的滩涂环境遥感应用研究，研究结果表明：
(1)CMODIS数据具有“图谱合一”的特点，可 以很好地从图像中提取地物的光谱曲线，该曲线与 地物光谱的理论曲线和现场观测曲线十分吻合，表 明CMODIS具有地物光谱识别能力；
(2)利用适当方法处理的机载CMODIS图像， 典型地物特征突出、信息丰富，可以在滩涂植被、河 口水色等环境遥感监测中发挥重要作用；
(3)由于星载CMODIS的空间分辨率较低，影 响了数据在滩涂地区的应用，给滩地的分带及地物 类型的细分都带来一定的困难； (4)随着硬件研制和图像处理及应用模型技术 水平的不断提高，成像光谱仪和高光谱数据将在海 岸带环境遥感中发挥越来越重要的作用。 致谢：感谢国家卫星海洋应用中心蒋兴伟研究 员和华东师范大学恽才兴教授对本文工作的指导。