基于高光譜遙感的植被紅邊波段角度效應(yīng)分析

農(nóng)作物的葉綠素含量與植被的光合能力?生長發(fā)育及氮素含量有較好的相關(guān)性，是反映農(nóng)作物長勢和營養(yǎng)狀況的重要生化參量，及時?準(zhǔn)確地獲取農(nóng)作物葉綠素含量，對作物長勢和病蟲害動態(tài)監(jiān)測以及作物成熟期和產(chǎn)量預(yù)測有重要意義。具有“圖譜合一”特點(diǎn)的高光譜遙感技術(shù)對葉綠素含量的監(jiān)測和反演極為有效，尤其是紅邊波段與葉綠素含量?生物量?營養(yǎng)狀況?物候變化等密切相關(guān)，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。值得注意的是，農(nóng)作物冠層與大多數(shù)地物一樣，屬于非朗伯體，會表現(xiàn)出不同程度的各向異性特征，一般利用多角度遙感觀測以獲取作物冠層的多角度信息，提升作物生化參量的監(jiān)測和反演精度。

結(jié)合多角度觀測優(yōu)勢的高光譜多角度遙感在提高農(nóng)作物生化參數(shù)獲取能力和精度方面極具優(yōu)勢：

1、利用CHRIS/PROBA數(shù)據(jù)，顯著提升了植被冠層含水量的反演精度

2、觀測天頂角的變化與大豆冠層葉綠素含量的反演精度密切相關(guān)；

3、研究窄波段植被指數(shù)與觀測角度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)植被指數(shù)表現(xiàn)出明顯的各向異性；

4、利用CHRIS/PROBA數(shù)據(jù)研究了3個觀測角度下光譜反射率?紅邊指數(shù)等與濕地植被生物量的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)生物量對角度有較強(qiáng)的敏感性

5、利用地物光譜儀配合多角度觀測架，分析了冬小麥光譜的紅邊參數(shù)隨觀測角度變化的情況，提出應(yīng)選取合理觀測角度下的紅邊參數(shù)來反演作物生化組分。

可見，紅邊波段的角度效應(yīng)已受到農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域的高度關(guān)注。鑒于此，本文利用無人機(jī)搭載高光譜成像傳感器對玉米和大豆進(jìn)行多角度觀測，采用半經(jīng)驗(yàn)核驅(qū)動模型構(gòu)建兩種作物的二向反射分布函數(shù)（BRDF）模型，系統(tǒng)地分析了隨觀測角度變化，大豆和玉米紅邊波段光譜反射率及葉綠素相對含量（SPAD）的變化特點(diǎn)，以期為高精度的農(nóng)作物冠層葉綠素含量反演提供依據(jù)。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1數(shù)據(jù)獲取

實(shí)驗(yàn)場（長60m，寬30m）位于北京大興區(qū)東部（116°34′33.10″E，39°39′2.56″N），屬暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均降水量556mm，年平均氣溫11.6℃。在實(shí)驗(yàn)場分別設(shè)有5個玉米?8個大豆實(shí)驗(yàn)小區(qū)，如圖1所示。

圖1實(shí)驗(yàn)場地作物種植及SPAD采樣點(diǎn)分布

實(shí)驗(yàn)當(dāng)天天氣晴朗無風(fēng)，光照強(qiáng)度穩(wěn)定，地表土壤相對干燥且平整；此時田間玉米和大豆正處于生長旺盛期，能夠代表典型生長狀況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括：1）地面同步測量數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)均勻選取68個樣點(diǎn)（玉米46個，大豆22個），在每個樣點(diǎn)隨機(jī)選取不同部位的10個葉片并測定其SPAD值，每個葉片不同部位測量5次，最后取10個葉片的平均值作為該樣點(diǎn)的SPAD值。無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)。高光譜影像采集時間為當(dāng)天的12：00-12：20，太陽方位角169.07°，天頂角28.86°；可使用的萊森光學(xué)制造的iSpecHyper-VM系列多旋翼無人機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)。

遙感平臺可采用大疆經(jīng)緯M600/M300多旋翼無人機(jī)。為獲得較大的視場角，實(shí)驗(yàn)中采用16mm鏡頭，對應(yīng)視場角為22°，將高光譜成像相機(jī)安裝在云臺上，利用云臺的俯仰得到不同的觀測角度（圖2b）。采用的飛行方式如圖2a所示，在實(shí)線區(qū)域，傳感器垂直向下觀測，在4個虛線區(qū)域內(nèi)，利用云臺將傳感器保持在30°并指向研究區(qū)的觀測狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)共獲得高光譜影像1119張（垂直179張，傾斜940張）。

圖２飛行方式及數(shù)據(jù)采集示意

1.2數(shù)據(jù)處理

1.2.1高光譜數(shù)據(jù)處理

使用多旋翼無人機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)自帶的LiSpecView軟件對原始高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正，得到反射率影像。采用運(yùn)動重建（SfM）技術(shù)，通過內(nèi)定向?qū)崿F(xiàn)像平面坐標(biāo)與像素坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；通過相對定向重建目標(biāo)三維結(jié)構(gòu)并得到相機(jī)外方位元素；利用機(jī)載POS數(shù)據(jù)和地面控制點(diǎn)完成絕對定向；最后利用點(diǎn)云內(nèi)插方法得到數(shù)字表面模型（DSM），并采用數(shù)字微分反解法實(shí)現(xiàn)正射校正與鑲嵌，得到具有地理坐標(biāo)的實(shí)驗(yàn)區(qū)正射影像（DOM）。

1.2.2BRDF模型構(gòu)建

BRDF模型的構(gòu)建需經(jīng)過空中三角測量?同名點(diǎn)影像查找和核函數(shù)計(jì)算等過程，進(jìn)而得到不同觀測天頂角和方位角下的地物反射情況。空中三角測量和同名點(diǎn)影像查找在2.2.1節(jié)中實(shí)現(xiàn)，核函數(shù)計(jì)算采用基于AMBRALS算法的半經(jīng)驗(yàn)核驅(qū)動模型：二向性反射可以分解為各向同性反射?體散射和幾何光學(xué)反射三部分的權(quán)重之和，可表示為：

式中：R是二向反射率；θ是光線入射天頂角；α是觀測天頂角；σ是相對方位角；Kvol和Kgeo分別代表體散射核和幾何光學(xué)核，此處分別采用RossThick核和LiSpareR核；fiso?fvol和fgeo是權(quán)重系數(shù)，分別表示各向同性反射?體散射和幾何光學(xué)反射所占比例，可根據(jù)同名點(diǎn)所在的多張影像利用最小二乘法求得，詳細(xì)計(jì)算過程可參閱文獻(xiàn)。獲得BRDF模型后，即可求得任意觀測方向的反射率（圖2c）。

2結(jié)果與討論

2.1植被冠層光譜特征

圖3顯示了實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)22個大豆和46個玉米樣點(diǎn)的平均反射率光譜曲線。其中，DOM代表從正射影像直接獲取的反射率。顯而易見，對兩種作物而言，在可見光/近紅外譜段內(nèi)（450~900nm），熱點(diǎn)方向（本實(shí)驗(yàn)太陽高度角約30°，后向30°可代表熱點(diǎn)方向）的反射率均大于其他兩個方向，并且隨著波長的增加，這種差異隨之增大：在可見光波段（450~680nm），熱點(diǎn)效應(yīng)帶來的影響主要出現(xiàn)在綠波段（550nm）附近，其他波段并不明顯；從700nm的紅邊波段開始，差異逐步增大，尤其在近紅外波段（750~900nm），熱點(diǎn)方向的反射率比BRDF_0高約10%。比如，玉米（大豆）在800nm處熱點(diǎn)方向反射率約為70%（43%），而其BRDF_0的值約為60%（36%）。

圖3大豆和玉米的光譜反射率

值得注意的是，經(jīng)過BRDF校正的垂直觀測（BRDF_0）與采用影像拼接直接獲得的垂直觀測（DOM）有非常明顯的差異。從圖3可以看到，在可見光波段，兩種垂直觀測的曲線（BRDF_0和DOM）基本重合，但從紅邊開始直到近紅外波段（約730~900nm），BRDF_0與DOM的差異逐漸增大，且前者的值明顯高于后者。比如，玉米（大豆）在800nm處BRDF_0的值約為60%（36%），而其DOM的值約為55%（32%）。

2.2BRDF特征及其模型參數(shù)分析

圖4?圖5分別為大豆和玉米在702nm?750nm的BRDF極化圖（半徑代表觀測天頂角大小，距正半軸的角度代表方位角大小，五角星代表太陽所在位置）和主平面反射率剖面圖，可以發(fā)現(xiàn)，在波長較短的幾個波段（698~718nm），觀測角度的變化對反射率的影響并不明顯，總體呈現(xiàn)出從后向到前向反射率逐漸降低的規(guī)律。隨著波長的增加（722~750nm），兩種作物的BRDF極化圖和主平面均表現(xiàn)出完全不同的形態(tài)特征。

圖4大豆BRDF極化圖及主平面剖面

圖5玉米BRDF極化圖及主平面剖面

大豆（圖4）從722nm開始，表現(xiàn)出非常明顯的熱點(diǎn)現(xiàn)象，在-30°附近出現(xiàn)反射率的最大值，并向兩邊呈現(xiàn)逐步減弱的趨勢（鐘形），且隨著波長的增加，熱點(diǎn)效應(yīng)逐漸增強(qiáng)；而玉米（圖5）則完全不同，其BRDF形狀屬于碗形，各波段反射率的最大值出現(xiàn)在后向最大觀測角度（-50°）處，在-30°處有明顯的拐點(diǎn)，各個波段的反射率最小值出現(xiàn)在前向觀測的25°~35°之間。同樣，其BRDF的碗形特征隨波長增加變得更加明顯。

圖6顯示了大豆和玉米BRDF模型參數(shù)隨波長變化的情況。fiso可認(rèn)為是當(dāng)太陽天頂角為0°時，垂直觀測的反射率，其值基本與圖3中的BRDF_0吻合。fgeo的值代表了BRDF的形狀特征，大于0時為鐘形，小于0時為碗形。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在698nm和702nm處，大豆和玉米的BRDF形狀差異不大，但隨著波長的增大，大豆的fgeo值逐漸變大，表現(xiàn)出越來越強(qiáng)的鐘形特征，而玉米的碗形特點(diǎn)則更加明顯，這與圖4和圖5表現(xiàn)出來的特點(diǎn)相一致。fvol的值代表散射類型，大于0表示后向散射占主導(dǎo)，反之則以前向散射為主。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在698nm和702nm處，大豆和玉米幾乎沒有差異，但隨著波長的增大，兩者表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)：玉米的fvol值始終大于0，表明在各個紅邊波段，玉米都以后向散射為主；大豆從738nm開始，fvol的值由正轉(zhuǎn)負(fù)，表明在短波紅邊波段（698~734nm），大豆的后向散射占主導(dǎo)地位，在長波紅邊波段（738~750nm）則以前向?yàn)橹鳌?/p>

圖6大豆和玉米BRDF模型參數(shù)

2.3不同角度反射率與SPAD值的相關(guān)性

圖7對比了正射影像DOM和BRDF_0與SPAD值之間的相關(guān)性?？傮w而言，在各個紅邊波段上，大豆和玉米的DOM與SPAD值的相關(guān)性有正有負(fù)，但相關(guān)系數(shù)的絕對值很小，最大值也僅為0.1左右；與DOM不同，BRDF_0與SPAD值均為負(fù)相關(guān)，其相關(guān)性遠(yuǎn)超DOM，且玉米的相關(guān)性（接近-0.5）要高于大豆（-0.3左右）。

對大豆而言（圖7a），其DOM與SPAD值的相關(guān)性在波長較短的紅邊波段（698~706nm）為負(fù)相關(guān)，從710nm之后變?yōu)檎嚓P(guān)，在726nm處相關(guān)系數(shù)最大，但也僅為0.1；而玉米（圖7b）的DOM與SPAD值的相關(guān)性在短波段要高于長波段，714nm處相關(guān)性最強(qiáng)（-0.15），且從738nm開始，其相關(guān)性由負(fù)轉(zhuǎn)正。與DOM不同，各個紅邊波段的BRDF_0與SPAD值均表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，大豆（圖7a）在短波長區(qū)域（698~710nm）的相關(guān)性較?。ǜ哂?0.3），在長波段（714~750nm）相關(guān)性相對較大，726nm處相關(guān)性最強(qiáng)（-0.37）；玉米依然表現(xiàn)出不同于大豆的規(guī)律（圖7b），即：在較短波段（698~722nm）的相關(guān)性較強(qiáng)（約-0.5），而從726nm到750nm，相關(guān)性隨著波長的增加大幅降低。可見，經(jīng)過BRDF校正的正射結(jié)果（BRDF_0）極大提升了反射率與SPAD值的相關(guān)性，并且對于不同的作物而言，其相關(guān)性隨波段變化的規(guī)律存在較大差異。

圖7正射影像(DOM)與BRDF校正結(jié)果(BRDF_0)與SPAD值的相關(guān)系數(shù)

圖8顯示了各個紅邊波段反射率與SPAD值的相關(guān)系數(shù)隨觀測角度變化的情況（5°間隔），可以看出，在所有角度（-50°~50°），兩種作物各紅邊波段的反射率與SPAD值均為負(fù)相關(guān)，且后向觀測結(jié)果與前向觀測結(jié)果有較大差異。對大豆（圖8a）而言，除698nm?702nm?706nm和710nm這4個波段的最大相關(guān)性出現(xiàn)在-45°之外，其他所有紅邊波段的最大相關(guān)性均出現(xiàn)在-40°，這與文獻(xiàn)的研究結(jié)果基本一致。另外，各個紅邊波段表現(xiàn)出的方向特性并不完全一致，698~734nm表現(xiàn)出較為一致的規(guī)律，即：后向觀測的相關(guān)性大于垂直觀測和前向觀測；而從738nm開始，如750nm處，前向觀測的相關(guān)系數(shù)（-0.33）優(yōu)于后向觀測（-0.24）。對玉米（圖8b）而言，相關(guān)性最強(qiáng)的波段同樣出現(xiàn)在714nm的后向觀測，從-35°至0°均表現(xiàn)出很強(qiáng)且大致相同的相關(guān)性（約-0.5）。與大豆不同，玉米后向觀測對相關(guān)性的提升并不明顯，僅在-35°附近有較為明顯的變化，最大相關(guān)性出現(xiàn)的角度并不一致：698~714nm出現(xiàn)在-30°，718~730nm出現(xiàn)在-35°，734~750nm出現(xiàn)在-40°。在各個紅邊波段上，從-30°至30°，相關(guān)系數(shù)的變化幅度相對較小，表明在該觀測范圍內(nèi)，玉米SPAD值與反射率之間的相關(guān)性對角度變化并不敏感；另外，短波紅邊波段（698~722nm）的相關(guān)性明顯高于長波紅邊波段（726~750nm），即波長越長，相關(guān)性越差。

圖8大豆和玉米SPAD值與不同角度反射率的相關(guān)系數(shù)

3結(jié) 論

利用作物在不同光譜波段表現(xiàn)出的各向異性特點(diǎn)，采用特定觀測角度的遙感數(shù)據(jù)可以更有效?更準(zhǔn)確地獲取作物的生化參量。本文利用多角度高光譜遙感對大豆和玉米紅邊波段的角度效應(yīng)進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）兩種作物紅邊波段的BRDF特性完全不同：大豆呈現(xiàn)為鐘形，具有明顯的熱點(diǎn)效應(yīng)，而玉米為碗形；波長越長，兩種作物BRDF的形狀特征越明顯。

（2）觀測角度對大豆的影響大于對玉米的影響：后向40°~45°的觀測可以顯著提高大豆觀測反射率與葉綠素含量之間的相關(guān)性；玉米對觀測角度的敏感性較弱，從后向30°至前向30°之間變化甚小。

（3）在主平面的所有觀測角度中，兩種作物紅邊波段的反射率與SPAD均為負(fù)相關(guān)，最大相關(guān)系數(shù)均為-0.5左右，且均出現(xiàn)在714nm。當(dāng)觀測天頂角在-30°~30°之間時，大豆在726nm和730nm處的反射率與冠層SPAD的相關(guān)性更強(qiáng)，而玉米則出現(xiàn)在短波紅邊波段（698~722nm），且后向優(yōu)于前向。

（4）經(jīng)過BRDF建模獲得的垂直觀測影像（BRDF_0）與使用無人機(jī)航測方法得到的正射影像（DOM）有很大的差異：兩種正射影像的反射率在可見光波段幾乎相同，但從紅邊波段開始，BRDF_0的反射率逐步高于DOM，且波長越長，差異越明顯；對大豆和玉米而言，DOM與冠層SPAD值的相關(guān)性極弱，而經(jīng)過BRDF建模后，其相關(guān)性得到顯著提高。因此，在利用光譜反射率反演冠層SPAD時，應(yīng)盡可能采用多角度觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建BRDF模型，對反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，從而提高反演精度。

由于只獲取了一期多角度高光譜和地面實(shí)測SPAD數(shù)據(jù)，未能深入分析物候變化對作物光譜角度效應(yīng)的影響，也未能研究角度效應(yīng)對其他生化參數(shù)的響應(yīng)特性。后續(xù)將進(jìn)一步對作物全生長期?多生化參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，揭示作物光譜變化角度效應(yīng)的深層機(jī)理，為長期?大面積?高精度的作物長勢監(jiān)測提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

審核編輯 黃昊宇