無人機高光譜的植被冠層熱點效應探索

0  引言        

        輻射和地表結構之間的相互作用有一個基本的性質，那就是遙感觀測視場中觀測到的輻射會隨著光源與觀測者之間幾何位置關系的變化而變化。這種變化依賴于地表類型及其結構，所以有效地分析這種變化可以為通過遙感監(jiān)測制圖和監(jiān)測地表結構提供一種方法和手段。在光照和觀測幾何位置發(fā)生變化時，就會產生熱點效應。當沿著太陽方向觀測時看不到陰影，整個視場都是亮的，這時觀測到的輻射達到最大，在雙向反射率曲線上出現一個峰值，這就是“熱點”。“熱點”效應的強度和性質隨著觀測和光照位置改變，可以提供冠層結構的重要信息。

        最早在植被雙向反射研究中考慮“熱點”效應的是Suits，雖然他引入的訂正公式是經驗性的。Gerstl等提出了一個模擬作物群體“熱點“效應的線性模式，并用“熱點”區(qū)域的光譜資料進行作物類型鑒別。Myneni等對“熱點”現象進行了實驗研究。Ross等利用MonteCarlo方法對“熱點”效應進行了數值模擬并獲得了一些有價值的結果。覃文漢的長方形模型假定所有長方形葉片均為水平取向，按照幾何光學理論，定義其重疊函數，并分別給出了主平面、主錐面及內插法求非主平面和非主錐面情形的解析結果。為了改進長方形模型中葉片為水平取向的不合理假設，覃文漢1994年提出了任意取向植被組分冠層“熱點”系數解析計算的混合模型。盡管這種混合模型給出了計算重疊面積的近似解析表達，比長方形模型更準確，但是它把任意傾向的葉片投影到水平和豎直2個方向，必然帶來和Suits模型相同的缺陷，如在拐點處產生“V”形現象，而不是光滑曲線。1997年Nadine Gobron建立了葉片空間分布和幾何結構性質都用統(tǒng)計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草地多平面多角度光譜反射率和葉面積指數數據，計算不同植被指數，分析不同觀測平面和角度下植被指數與葉面積指數的相關性，建立遙感反演模型。于穎等對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、近紅外波段各個觀測角度下的場景反射率，并比較分析了不同BRDF模型的適用性和局限性。結果表明這3種模型在模擬近紅外波段的場景反射率時，均存在“碗邊”效應。

        目前國內外研究學者針對熱點效應的研究甚少，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，以及低葉面積指數的冠層高度等冠層結構參數。然而卻沒有研究者利用無人機平臺，搭載成像高光譜儀，根據云臺轉動不同的角度，從而獲取不同角度的地物信息，并根據太陽高度角調整成像光譜儀角度，快速獲取地物的成像光譜信息，通過成像，更能準確地分析植物冠層的熱點效應。

1  設備平臺

        由江蘇雙利合譜科技有限公司自主研發(fā)的無人機高光譜成像系統(tǒng)平臺GaiaSky-mini，利用其獨有的發(fā)明**技術，使無人機飛行到一定的高度，懸停在空中，利用云臺旋轉到與太陽光照方向一樣的角度，然后運用高光譜成像儀內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秒以內可獲取一景高光譜影像信息，100m高度下，對應的地面面積約是43m*43m），下圖為無人機高光譜成像系統(tǒng)在空中旋轉角度拍攝地物熱點效應的照片及該系統(tǒng)的參數。

圖1 太陽高度角下拍攝地物冠層熱點信息

表1  GaiaSky-mini 400-1000nm范圍的參數

2   熱點效應探索

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

圖2  GaiaSky-mini2-VN 拍攝植物冠層的熱點效應

       通常在遙感觀測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”，因此與之相對的在觀測方向與太陽輻射入射相對的前向散射區(qū)域的反射率最弱點則稱之為“暗點”，熱點和暗點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)域存在熱點效應，并且紅光波段的熱點效應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吸收增強了該波段的各向異性，而近紅外波段葉片多重散射效應增強，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，同一時期觀側視場內不同株型小麥的植株信息和土壤信息比例不同。       

3  總結

        植被的熱點效應可以反映冠層的結構特征，用戶可利用多角度冠層數據，針對不同的應用場景構建不同的反演模型，結合熱點、暗點以及常規(guī)植被指數，從而提高反演植被冠層大小、LAI、樹高等模型的精度。根據小編在目前論文集的搜索，無人機高光譜拍攝植被冠層熱點，目前國內外還未有人發(fā)表過相關論文，本文只是做了一個粗淺的報告，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。如需要了解更多內容，可直接與雙利合譜聯系溝通,謝謝!