河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院
河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室
河北師范大學(xué)旅游系
環(huán)境保護(hù)南京環(huán)境科學(xué)研究所
草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)發(fā)展畜牧業(yè)、保持水土和維持生態(tài)平衡有重要作用，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)草地的退化具有重要意義。高光譜遙感能夠大幅度提高草地退化進(jìn)程中植被結(jié)構(gòu)退化的識(shí)別精度，為草原退化研究開(kāi)辟新領(lǐng)域。利用高光譜遙感技術(shù)進(jìn)行植被結(jié)構(gòu)退化鑒別時(shí)，特征波段的選擇和提取至關(guān)重要。
所選取的觀測(cè)對(duì)象為河北壩上地區(qū)退化指示種和主要優(yōu)勢(shì)物種，通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查，選擇的退化指示種為狼毒、冷蒿和星毛陵菜，主要優(yōu)勢(shì)種為苔草和羊草，這2種植物在研究區(qū)屬于廣布性植物。
所選儀器為美國(guó)SOC公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品SOC710VP便攜式可見(jiàn)光/近紅外高光譜成像儀，該儀器的光譜范圍為可見(jiàn)光到近紅外光的400-1000nm共有128個(gè)波段，光譜分辨率為4.68nm，使用SOC710配套軟件SRAnap710預(yù)處理軟件做數(shù)據(jù)定標(biāo)處理，并使用ENVI軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。
特征波段選擇是從原始集合中選出特征子集，能夠有效描述光譜的特征信息并實(shí)現(xiàn)降維。波段i的取值為373-1033nm，所有波段的光譜反射率均值置信區(qū)間構(gòu)成了光譜反射率的均值置信區(qū)間帶?；诠庾V反射率均值置信區(qū)間帶提取特征波段的原理如圖1所示。
由圖1可知，在波段區(qū)間[a,b]和[c,d]內(nèi)，2類(lèi)植被的光譜反射率均值置信區(qū)間帶是重疊的，不適合進(jìn)行植被識(shí)別。通過(guò)剔除反射率均值置信區(qū)間帶重疊的部分，篩選出最佳的植被識(shí)別波段，以達(dá)到降維目的并實(shí)現(xiàn)特征波段的選擇。
基于均值置信區(qū)間帶的特征波段的5種植被原始光譜曲線的對(duì)比結(jié)果如圖2-4所示。
由圖2-4可知，狼毒的特征波段為402-412nm;冷蒿的特征波段為627-689、715-929和929-1033nm;星毛委陵的特征波段為705-721nm?？芍嵌镜奶卣鞑ǘ挝挥诳梢?jiàn)光波譜范圍內(nèi)，可能與狼毒植株高大、葉片面積大和葉綠素含量高有關(guān);星毛委陵菜的特征波段位于“紅邊”位置，可能與植被生長(zhǎng)期和植被生長(zhǎng)狀況有關(guān);冷蒿的反射率總體趨勢(shì)與苔草、羊草相比差距較大，其特征波段在可見(jiàn)光波段、“紅邊”位置和近紅外波段都有涉及，可能與冷蒿表面附有絨毛，降低了葉綠素的反射特征，因而容易與其他植被區(qū)分開(kāi)來(lái)有關(guān)。
基于對(duì)數(shù)光譜曲線退化指示植物的特征波段的5種植被的對(duì)數(shù)光譜曲線如圖5-7所示。
由圖5-7可知，狼毒、冷蒿和星毛委陵菜分別與苔草、羊草對(duì)比，位于550nm處的反射峰、420nm處的藍(lán)谷和670nm處的紅谷的寬度和深度均增加，物種間反射光譜曲線的差異特征更加明顯，更利于特征波段的識(shí)別。將退化指示種和主要優(yōu)勢(shì)物種對(duì)數(shù)光譜曲線與原始光譜曲線相比較，其特征波段的提取結(jié)果基本一致?；诰抵眯艆^(qū)間帶的對(duì)數(shù)光譜分析結(jié)果顯示，狼毒的特征波段為402-412nm、冷蒿的特征波段為611-689、758-924和940-1038nm，星毛委陵菜的特征波段為705-721nm。
采用Manhattan距離法評(píng)價(jià)篩選特征波段對(duì)退化指示種與主要優(yōu)勢(shì)物種的識(shí)別效果，以退化指示種狼毒、冷蒿和星毛委菜分別與2中主要優(yōu)勢(shì)物種苔草和羊草組合，共5組，分別用檢驗(yàn)樣方進(jìn)行Manhattan距離的檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1所示。
比較同種植被的Manhattan距離值與異種植被的Manhattan距離值發(fā)現(xiàn)，無(wú)論哪種植被為實(shí)驗(yàn)樣本或檢驗(yàn)樣本，同種植被的Manhattan距離值顯著小于異種植被的Manhattan距離值。冷蒿與苔草的Manhattan距離、冷蒿與羊草的Manhattan距離和冷蒿與冷蒿的Manhattan距離值較狼毒和星毛委陵菜與苔草、羊草的Manhattan距離相比較較大，說(shuō)明冷蒿和苔草、羊草植被類(lèi)型差異大，易于區(qū)分識(shí)別。
