張 微, 姚 琪, 張 波, 房世峰

(1.浙江國時衛(wèi)星科技有限公司， 浙江 杭州 311113；2.中國地震臺網中心， 北京 100045； 3.中國科學院 地理科學與資源研究所， 北京 100101)

綠洲-荒漠交錯帶典型裸露地表的光譜特征

張 微1, 姚 琪2, 張 波1, 房世峰3

(1.浙江國時衛(wèi)星科技有限公司， 浙江 杭州 311113；2.中國地震臺網中心， 北京 100045； 3.中國科學院 地理科學與資源研究所， 北京 100101)

[目的] 對綠洲—荒漠交錯帶典型裸露地表光譜特征進行分析，為荒漠化治理和防沙治沙提供參考。 [方法] 利用典型裸露地表的實測數(shù)據(jù)，通過若干典型裸露地表類型的原始光譜、倒數(shù)取對數(shù)光譜、一階導數(shù)光譜和包絡線除去光譜對比，分析各類地物識別的特征光譜區(qū)間。為了后續(xù)更好地利用高分一號影像研究荒漠地區(qū)，選取藍光、綠光、紅光和近紅外波長范圍內的光譜進行進一步的分析，并利用各波段反射率結果分別計算改進的歸一化光譜指數(shù)(NDSI)、簡單比值指數(shù)(SR)和光譜差值商指數(shù)(SDI)等光譜指數(shù)。通過分析各類地物的光譜特征、光譜指數(shù)等，對各地物進行了區(qū)分。 [結果] 幾類裸露地表的光譜差異性不大，可見光到近紅外均為緩慢增加；一階導數(shù)變換、倒數(shù)取對數(shù)和包絡線去除光譜可以放大各地物間的差異性，可以區(qū)分幾類典型裸露地表。 [結論] 利用原始光譜和變換后光譜計算的光譜指數(shù)差異性強，通過一階導數(shù)變換的SDI可以較好地將各類典型裸露地表區(qū)分開。

裸露地表; 鹽結皮; 綠洲—荒漠交錯帶; 光譜反射率; 包絡線去除

文獻參數(shù)： 張微, 姚琪, 張波, 等.綠洲—荒漠交錯帶典型裸露地表的光譜特征[J].水土保持通報，2017,37(2)：177-182.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.027； Zhang Wei, Yao Qi, Zhang Bo, et al. Spectral Signature of Typical Bare Surface in Oasis-desert Crisscross[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：177-182.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.027

綠洲—荒漠交錯帶是中國西北干旱、半干旱區(qū)典型區(qū)域，兼具綠洲與荒漠生態(tài)系統(tǒng)特征，同時也是生態(tài)環(huán)境相對敏感和脆弱的地區(qū)[1]，其間分布較為廣泛的裸露地表，土地沙漠化/荒漠化嚴重威脅綠洲區(qū)的生態(tài)安全。由于綠洲—荒漠交錯帶的敏感性和脆弱性，針對其生態(tài)系統(tǒng)類型、生態(tài)演變等的研究以土地變化、生態(tài)系統(tǒng)及景觀特征等[2-3]為主，同時對于遙感技術的應用也愈來愈多，干旱區(qū)的干旱監(jiān)測[4]、荒漠化/石漠化信息提取[5]等應用相當成熟。而對于裸土作為特殊地表，其水分含量、物質構成都是研究的重點和熱點，以采用遙感手段研究裸土含水量、濕度及蒸發(fā)、植被蓋度為主[6-10]。光譜技術作為遙感的基礎，是進行遙感分類、地物識別的重要基礎，在干旱區(qū)，是對綠洲—荒漠交錯帶研究的重要工具，如針對生物結皮[11-12]、典型植被光譜特征[13]、鹽堿地、鹽漬化[14-15]等已有較多研究基礎。

裸露地表尤其是綠洲—荒漠交錯帶地區(qū)的裸露地表，很大程度上影響區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)質量，利用遙感手段對綠洲—荒漠交錯帶內的裸露地表進行研究，能夠較準確地了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的趨勢和方向，可以為區(qū)域生態(tài)修復、生態(tài)環(huán)境治理提供方向和參考依據(jù)。近年來，國產影像在各領域的使用逐漸擴展，尤其是高分1號衛(wèi)星影像，其應用范圍逐漸擴大。本研究旨在通過對地物實測光譜的采集，結合高分1號影像波段范圍的設置來進行進一步的分析。分析的光譜范圍集中在高分1號的450～890 nm范圍內，分析結果希望能夠成為利用高分1號影像進行生態(tài)治理、荒漠地表地物識別的依據(jù)，能夠為荒漠化治理和防沙治沙提供可參考的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆準噶爾盆地南緣，古爾班通古特沙漠與綠洲農業(yè)區(qū)的交錯地帶(87°30′50″—87°32′40″N,44°28′30″—44°30′33″E)。研究區(qū)東側為古爾班通古特沙漠邊緣，西側為農田區(qū)，這里地勢相對平坦，在東側荒漠中主要是沙丘和丘間沙地。研究區(qū)海拔高度相差不大，在430～440 m范圍內；年平均降水量190 mm，年平均氣溫7 ℃，最高氣溫40～42 ℃，最低氣溫-38～-40 ℃。

研究區(qū)主要的土壤類型為鹽土和草甸土，受荒漠影響較大，生態(tài)環(huán)境相對脆弱。本研究選擇植被覆蓋程度最高的7—8月為重點觀測時段，該段時間易區(qū)分裸露地表和其他有植被覆蓋的區(qū)域，在交錯帶上對不同的裸露地表均勻設置采樣點，對采樣點地物信息及地物光譜信息進行采集。

2 研究方法

2.1 試驗方案

由于研究區(qū)位于綠洲荒漠交錯帶，各類裸露地表在荒漠化治理和風沙防治中有不同的作用，因此需要根據(jù)各類裸露地表的特征進一步的細分，具體劃分類別如下：流水后干涸裸地、裸土地、生物結皮、鹽堿地、鹽結皮、翻耕后農田和沙地等。以上典型裸露地表的相關特征信息詳見表1。

表1 研究區(qū)典型裸露地表特征

各類裸露地表的光譜采集試驗區(qū)分布在大研究區(qū)內部，每種地物至少采集20個點光譜數(shù)據(jù)，采集裸露地表光譜時，采取避開植被生長區(qū)，避免因植被及其根莖而造成的誤差，同時選擇地表相對平緩的區(qū)域采集。在數(shù)據(jù)采集過程中，選擇晴朗無云的午間進行光譜采集，時間在12：00—14：00，光纖探頭距離地物25～30 cm，垂直向下，對同一種地物記錄25條光譜曲線，并分別命名，利用ASD光譜儀自帶光譜數(shù)據(jù)處理軟件對光譜曲線進行粗略的剔除異常值和簡單降噪。利用美國ASD公司生產的Field Spec 4高分辨率地物光譜儀來采集研究區(qū)地物光譜數(shù)據(jù)，波長范圍為350～2 500 nm，涵蓋了可見光(380～780 nm)和近紅外(780～5 000 nm)的一部分，波長精度為1 nm，光譜分辨率在350～1 000 nm波長范圍內為3 nm，在1 000～2 500 nm波長范圍內為10 nm。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

對所采集的光譜數(shù)據(jù)進行甄選和處理。采用自帶的View Specpro軟件，對光譜進行初步處理和相應的變換。將同一種地物同一時間段的光譜數(shù)據(jù)進行比對，對與其他光譜曲線有較大差別的數(shù)據(jù)進行剔除，然后利用光譜預處理軟件進行進一步平滑、降噪及其他的數(shù)據(jù)提取和篩選工作。采用移動平均法進行平滑降噪處理，處理方式如下：

(1)

式中：xn′——平滑處理后的光譜反射率值； xn——原始光譜反射率。

2.3 數(shù)據(jù)分析及利用

對所采集到的數(shù)據(jù)進行初步處理，并利用Excel，SPSS19.0等數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理軟件對裸露地表和對應的光譜數(shù)據(jù)進行綜合分析，并根據(jù)不同的地物繪制相應的光譜曲線圖。在原始光譜數(shù)據(jù)進行平滑處理的基礎上，分別進行一階導數(shù)變換(FDR)、倒數(shù)取對數(shù)變換(RLR)和基于包絡線去除(continuumremoval，CR)等方式處理。

FDR(λ)=〔R(λi+n)-R(λi)〕/n

(2)

RLR=lg(1/R)

(3)

CRi=Ri/RHi

(4)

RHi=Ki·λ+b

(5)

Ki=(Rend-Rstart)/(λend-λstart)

(6)

式中：R——原始光譜反射率； λ——波長(nm)； n——一階導數(shù)尺度，通常取1； Rend，Rstart——反射波峰的終點反射率值和起點反射率值； b——常數(shù)。

分別利用原始光譜數(shù)據(jù)、FDR，RLR，CR這4組數(shù)據(jù)進行對比分析，同時結合地物自身特點，從多個角度分析說明不同裸露地表的光譜特性，從光譜反射率的角度說明不同裸露地表的特征，從而為利用遙感手段對裸露地表進行精細分類、防沙治沙、生態(tài)修復等提供參考。

3 結果與分析

3.1 裸露地表光譜特征分析

地物光譜是地物物理特性的體現(xiàn)，每種地物的光譜特征均具有獨特性，由于其內部所含物質、結構不同而表現(xiàn)為不同的光譜反射率。分別對準噶爾盆地南緣綠洲—荒漠交錯帶典型裸露地表：干涸裸地、裸土地、生物結皮、鹽堿地、鹽結皮、翻耕后農田和沙地等7種類型的光譜特征進行綜合處理、分析。圖1為這7種裸露地表經平滑處理后的光譜反射率，波長范圍為350～2 500nm。從各類裸露地表的光譜反射率來看(圖1)，350～570nm波段范圍內，反射率逐漸增大，570～1 400nm范圍各類地物的反射率均在增加，但是增加的幅度不大。1 350nm附近反射率有波動，這主要是因為在1 350nm附近水汽對光譜的吸收作用，同時由于地表中水分含量不同對光譜的吸收程度也有差別，反映到光譜特征上會有較大差別。1 400～1 800nm波段范圍內光譜反射率呈緩慢增加的趨勢，且這種變化趨勢在各類地物中差別不明顯；隨著波長的增加，光譜反射率在1 850nm附近變化異常，這主要是因為在1 850nm附近的光被大氣中的水分吸收，而導致這一區(qū)間的光譜反射率變得無規(guī)律可循。1 850nm以后的波段范圍內，干涸裸地、沙地、裸土地等有相似的變化趨勢，規(guī)律性不強，本研究暫不討論。

圖1 幾種典型裸露地表原始光譜反射率

本研究旨在探討高分1號衛(wèi)星影像的波段設置在地物分類上作用，因此，進一步的分析和討論將在高分1號衛(wèi)星影像波段范圍內(450～890nm)進行。圖2為450～890nm的光譜反射率曲線圖。由圖2可以看出，幾種地物的反射率在450～890nm波段內均呈增加的趨勢，其中干涸裸地的反射率明顯高于其他類型裸露地表；翻耕后農田和生物結皮的光譜反射率處于最低水平，450～690nm波段范圍內變化較小，但是生物結皮在680nm附近反射率有明顯增加的趨勢。沙地的光譜反射率變化較為復雜，雖然初始反射率較低，但是450～590nm的增長率較大。其余裸露地表的光譜變化類似。從原始光譜反射率上來看，各種地物光譜曲線變化雖然有差別，但是這種差別并不明顯。

3.2 光譜變換及其特征提取

從各地物原始光譜特征上來看，幾種典型裸露地表的光譜差異性不大，因此需要對原始光譜進行一系列的變換和增強處理。本次研究主要是對原始光譜進行一階導數(shù)變換、倒數(shù)取對數(shù)變換、包絡線去除變換等方式，其中一階導數(shù)變換由于數(shù)值較小，在原有變換的基礎上乘以100。根據(jù)高分一號影像波段設置來看，波長最小為450nm，波長最大為890nm，因此分別針對450～890nm的光譜反射率進行變換處理。

3.2.1 一階導數(shù)變換 利用公式(2)計算450～890nm波段范圍內的反射率一階導數(shù)變化，結果如圖3所示。從變換后的結果來看，這一波段范圍內的一階導數(shù)均為正值，說明反射率隨著波長的增加也是處于增加狀態(tài)的，其中在470nm附近一階導數(shù)值集中出現(xiàn)波谷。在500～560nm波段范圍內的一階導數(shù)值增加較快，并在560nm附近出現(xiàn)波峰，說明在560nm附近光譜反射率增長率最大，此后一階導數(shù)值持續(xù)下降，到650nm附近達到第2個波谷。650nm以后的光譜反射率值變化規(guī)律性較差，各類地物反射率變化情況也有較大差別，尤其在650～720nm波段范圍內各類地物特征各異，不適宜作為區(qū)分各類裸露地表的特征波段。從圖3可知，各類地物在470和560nm附近一階導數(shù)變換后的值差別較大，可以較為清晰地區(qū)分開各類地物。由此可見，用于區(qū)分地物的一階導數(shù)變換光譜區(qū)間，應選擇藍波段(450～520nm)和綠波段(520～590nm)范圍較為適宜。

圖2 典型地表450～890 nm波段反射率曲線

圖3 一階導數(shù)變換后各地物反射率曲線

3.2.2 倒數(shù)取對數(shù)變換 將原始光譜數(shù)據(jù)經平滑處理后，按照公式(3)進行變換處理，按照倒數(shù)取對數(shù)變換可以在一定程度上放大地物之間的細微差別，結果如圖4所示。從各地物表現(xiàn)的特征來看，生物結皮和沙地的變化特征和其他幾類裸露地表的變化特征差異性較大；干涸裸地與翻耕后農田雖然值上有差別，但是二者的變化趨勢幾乎是一致的；裸土地、鹽堿地和鹽結皮三者的變化趨勢基本一致，鹽結皮的值保持在較低狀態(tài)。根據(jù)各類裸露地表倒數(shù)取對數(shù)變換后的結果，各地物在各波段處的差值和變化趨勢類似，對各地物的區(qū)分效果不明顯。

圖4 倒數(shù)取對數(shù)后光譜反射率曲線

3.2.3 基于包絡線去除光譜變換 包絡線去除光譜可以消除由于大氣條件、儀器自身因素所帶來的干擾，能夠凸顯由于地物自身物理特性、物質組成等所引起的光譜差異，圖5為包絡線去除后的光譜反射率曲線圖。從圖5可知，生物結皮、翻耕后農田包絡線消除后反射率與其它地物的特征區(qū)別較大，生物結皮、翻耕后農田在藍波段(450～520nm)變換后光譜下降，而其它地物則是隨著波長增加而增加；在綠波段(520～590nm)生物結皮和翻耕后農田呈緩慢下降的趨勢，而其它地物則迅速增加；在紅波段(630～690nm)生物結皮反射率迅速下降并達到極小值也是最小值，翻耕后農田則是緩慢平滑下降；近紅外(770～890nm)生物結皮呈逐漸上升的趨勢，而翻耕后農田總體保持基本不變。從其他幾類地物的包絡線去除光譜特征來看，沙地的變化趨勢也與其它幾類不同，主要在藍波段和綠波段的變化上有所差別，沙地的增長率較快，基本均在590nm附近達到極大值，590nm以后波段均呈緩慢下降的趨勢。從變化趨勢上看藍波段、綠波段和紅波段較為適宜用來進行波段組合，從而區(qū)分各類地物。

3.3 波段組合及地物識別方法分析

為了能夠將實測光譜與遙感影像結合進行地物分類，需將實測光譜及其變換結果與影像設置的波段進行銜接，分別選取高分一號的4個波段：藍波段(450～520nm)、綠波段(520～590nm)、紅波段(630～690nm)和近紅外(770～890nm)，設置的波段范圍基本上和TM的1—4波段吻合，所包含的信息也類似。藍波段多用于識別水體，綠波段則多用于植被分類和識別，紅波段則用途廣泛，對裸露地表、植被、巖性、地層等特征均能提信息，近紅外波段則可用于更多領域[16]。因此，結合前面對各類變換后光譜在各地物區(qū)分中的效果，進一步的研究中將主要選擇藍波段、綠波段及紅波段來進行后續(xù)的計算和研究。

圖5 包絡線去除后各地物反射率曲線

目前常用的光譜指數(shù)多是利用存在較大差異的波段間的差、比值以及二者組合的方式來放大地物之間的差別。通過前面的分析可知，幾類典型裸露地表在藍波段和綠波段表現(xiàn)出來的差異較大，紅波段也有所差別，因此可借助這3個波段的組合來進行區(qū)分。因此，可借鑒常用的歸一化指數(shù)(NDSI)、簡單比值指數(shù)(SR)、光譜差值商指數(shù)(SDI)等來計算各類裸露地表的指數(shù)進行區(qū)分。其中各類指數(shù)的計算公式為：

(7)

(8)

SDI=(RGRE-RBLU)/RRED

(9)

式中：RGRE——紅波段的反射率值；RBLU——藍波段反射率值；RRED——紅波段反射率值。

分別利用公式(7)—(9)計算各類地物原始光譜、變換后光譜的光譜指數(shù)，結果如表2和圖6所示。

從圖6和表2所顯示的結果來看，經過變換后的光譜更能凸顯各地物之間的光譜差異，而通過光譜組合成的光譜指數(shù)進一步擴大各地物間的差別。通過分析和觀察各類光譜變化后計算得到的結果發(fā)現(xiàn)，各地物光譜經過一階導數(shù)變換后計算的各光譜指數(shù)值之間差別明顯。其中，光譜差值商指數(shù)(SDI)在各地物間計算值差別最為明顯，因其利用了3個波段的組合，最大限度地保留地物信息，比較容易在SDI數(shù)值上區(qū)分各地物。由此可見，雖然綠洲荒漠交錯帶幾類典型裸露地表在原始光譜變化特征上差異性不強，但是通過光譜變換，可以增強地物間光譜特征上的微小變化。通過分析可知，經過光譜變換和波段組合后的計算結果在各地物間的差別有所增強，尤以經過一階導數(shù)變換后的光譜計算結果的差異性最大，利用此變換后的光譜指數(shù)更能突顯這些差別，其中光譜差值商指數(shù)(SDI)可以較為明確地區(qū)分開各類裸露地表。因此，該方法可作為利用高分1號衛(wèi)星影像進行荒漠區(qū)典型裸露地表精細識別和分類。

表2 各類裸露地表原始光譜及變換光譜指數(shù)

4 討論與結論

(1) 典型裸露地表的光譜反射率在一定范圍內存在相似性，從可見光到近紅外都是呈緩慢增加的趨勢，結合目前國產高分1號衛(wèi)星的波段設置，在450～890 nm波段內進行深入分析，該波長范圍內光譜反射率變化緩慢，僅干涸裸地反射率一直較高。

(2) 通過一階導數(shù)變換、倒數(shù)取對數(shù)變換、包絡線消除變換后的光譜明顯有別于原始光譜，變換后的各地物光譜特征差異性顯著，尤其是經過一階導數(shù)變換和包絡線去除后的光譜，生物結皮、翻耕后農田、沙地、鹽結皮等特征各異。

圖6 典型裸露地表光譜指數(shù)變化

(3) 利用波段組合的方式擴大各類地物間區(qū)別，本研究利用NDSI，SR，SDI等3種光譜指數(shù)，結果顯示，一階導數(shù)變換后的各光譜指數(shù)可以明顯區(qū)別各類地物，尤其是利用SDI計算的光譜指數(shù)，各地物間差異性更大。將為利用高分1號衛(wèi)星進行地物識別提供可參考依據(jù)。

(4) 本研究對綠洲—荒漠交錯帶幾種典型裸露地表的光譜特性進行了分析，并基于光譜數(shù)據(jù)變換，計算了幾類光譜指數(shù)，對各類地物進行了區(qū)分，效果相對較好。但是這些結果都是基于實測光譜數(shù)據(jù)，尚未應用到實際影像當中，因此實際的應用效果尚不清楚。因而在今后的研究當中，仍需將實測光譜所得到的結果與高分影像相結合，從影像中進行信息提取。

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Spectral Signature of Typical Bare Surface in Oasis-desert Crisscross

ZHANG Wei1, YAO Qi2, ZHANG Bo1, FANG Shifeng3

(1.ZhejiangGuoshiSatelliteScienceandTechnologyCo.Ltd.，Hangzhou，Zhejiang311113，China; 2.ChinaEarthquakeNetworksCenter,Beijing100045,China; 3.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

[Objective] The measured spectra data of several typical bare surfaces were analyzed such to provide references for desertification prevention and control. [Methods] Methods of spectral analysis as moving average, reciprocal take logarithm(RLR) reflectance, first derivative transformation(FDR) and continuum removal(CR) were used to identity the sensitive band range of each ground feature. The paper aimed to explore the application of GF-1 and other extended use of that. The spectral indexes, such as normalized difference index(NDSI), simple ratio index(SR), spectral difference entropy index(SDI) were used to separate each other. [Results] Differences of the original spectral signatures among several bare surfaces were small. Spectral reflectance transited slowly from invisible value to near-infrared one, but the rate of increasing was different among each ground feature. The differences among bare surfaces could be magnified by first order derivative transformation, reciprocal logarithm transformation and continuum removal spectra. The effectiveness of transformation was all better than original spectrum. [Conclusion] Because the calculated difference was magnified between the original and the transformed spectral index, the first order derivative transformed SDI can distinguish the surface features much better.

bare surface; salt crust; oasis-desert crisscross; spectral reflectance; continuum removal

2016-08-17

2016-11-09

中國地震局星火計劃項目“大涼山次級塊體孕震機制及強震預測”(xh16044)； 中國地震局震情跟蹤定向工作任務項目(2016010103)； 國家自然科學基金新疆聯(lián)合基金項目(U1503184)

張微(1980—),男(蒙古族),黑龍江省齊齊哈爾市人，博士,教授級高級工程師,主要從事北斗和遙感衛(wèi)星的綜合應用和產業(yè)化推廣工作。E-mail:5053709@qq.com。

B

1000-288X(2017)02-0177-06

X86