戈壁表面砾石粒径高光谱遥感反演及其空间分异规律研究

发布时间：2018-03-25 21:09

本文选题：高光谱影像　切入点：戈壁　出处：《中国林业科学研究院》2016年博士论文

【摘要】：在戈壁各特征中,地面物质组成(主要体现为砾石粒径组成)特征不仅直接影响其他特征的性质,并且很大程度上决定改造利用的难易,是开展戈壁研究的基础和前提。戈壁区表面砾石粒径数据获取的传统方法为野外地面调查法,该方法仅适用于小尺度区域调查,且费时、费力。遥感技术的发展为获取地面粒径数据提供了新的技术支持,并为大尺度区域砾石粒径分布的准确获取提供了可能。然而,由于不同尺寸砾石间光谱对比度较低,且砾石光谱受环境影响较大,对戈壁表面砾石粒径进行精确遥感反演面临以下问题:(1)目前研究主要集中在对沙地的沙粒以及濒海(河)的沙粒尺寸研究上,而缺乏关于戈壁区砾石粒径的研究,且遥感反演使用的数据以多光谱影像为主,难以对不同粒级砾石进行有效识别;(2)目前针对土壤理化性质、植被指数等参数进行高光谱的反演研究较多,而基于特定波段光谱吸收参数的差异进行戈壁区地表砾石高光谱反演的研究鲜有报道。除以上对砾石粒径遥感反演存在不足之外,当前关于戈壁区地表砾石粒径的空间分异规律研究也较少。高光谱遥感技术是遥感领域在20世纪后期对地观测领域的重要技术突破。高光谱遥感影像具有大量波段,且带宽很窄(波段宽度10nm)。研究者可以从高光谱影像中获取地物的连续光谱曲线。近些年来,高光谱遥感对地物反演的研究有所发展,将野外实测光谱与机载高光谱数据相结合的地物反演技术也得到开发,然而野外实测光谱与卫星高光谱数据结合的反演研究相对匮乏。星载高光谱影像的高光谱分辨率的特征使得对戈壁砾石粒径的定量反演具有优势。鉴于以上原因,本研究将戈壁区表面砾石粒径根据Udden-Wentworth粒度分级标准分为6个等级(d=0.8cm,d=3.4cm,d=16.3cm,d=41cm,d=53cm,d=83cm),选用星载高光谱数据EO-1 Hyperion影像,使用光谱混合分析方法对其进行分析,通过对影像解混获得不同粒级砾石的丰度影像。对野外实测砾石光谱进行导数变换及连续统去除处理后,可找到对砾石粒径敏感的光谱波段,且不同粒级砾石光谱均存在不同程度的铁氧化物及Al-OH的吸收特征。因此,研究选用对砾石粒径敏感的光谱波段及相应的光谱吸收参数,构建基于地物光谱的砾石粒径反演模型,并将与砾石粒径相关性最强波段的光谱吸收参数应用到解混后的丰度影像上,构建基于卫星高光谱影像数据的戈壁表面砾石粒径反演模型,绘制砾石粒径空间分布图,并将不同反演方法及精度进行比较分析。同时,通过对野外实测的砾石粒径进行粒度参数分析,采用空间统计学方法,分析戈壁表面砾石粒径的空间分异规律。本研究获得的结果如下:(1)经过导数变换之后的砾石光谱反射率与粒径值相关性较好。相关性最好的波段为908nm、983nm和985nm,且发现在不同导数变换形式中,一元三次回归模型具有较好的拟合精度,其中对数微分在回归分析中表现最好(r2=0.851),且预测精度(75.27%)较高。为此,研究对砾石光谱进行对数微分变换,建立基于地物光谱的戈壁表面砾石粒径反演模型,形式为:y=110.667 39312.858b908+286870.05b9082 5.77e11b9083。(2)连续统去除后得到的nir吸收区域及al-oh吸收区域光谱吸收参数(吸收深度、宽度、面积)和砾石粒径之间相关关系的经验模型相关性良好。通过使用相关系数r2与rmse进行验证发现,导数光谱与粒径的对数微分模型得到的模拟效果(rmse=24.9,r2=75.27%)低于光谱参数的表现(rmse8,r280%)。根据吸收特征参数得到的研究区砾石粒径的最优反演模型的参数为nir吸收区域908nm的波段深度(bd),且预测精度较好(r2=0.8048)。(3)应用光谱混合分析方法对高光谱遥感影像eo-1hyperion进行解混,并将敏感波段的光谱吸收参数应用于解混得到的丰度影像,进行研究区砾石粒径的反演研究发现:nir吸收区域908nm的波段深度(bd)的判定系数r2是6种模型中最大的(r2=0.8817),而且建模和预测时的均方根误差rmse均最小(分别为0.039、0.047)。基于丰度影像建立的戈壁表面砾石粒径反演模型形式为:y=89.38bd2-95.522bd+13.912。依据此模型计算结果得到研究区不同砾石粒径分布图发现,反演模型得到砾石粒径分布趋势与野外实际采样结果基本一致。(4)本研究所选择的样点中,砾石含量表现为:随海拔增加,中砾含量降低而粗砾含量逐渐增加。平均粒径表现为,随海拔增加,平均粒径逐渐增大。分选系数表现为,大部分砾石具有较好分选水平(0.28~0.53)。地表砾石覆盖度分布也相对均匀,以中砾石覆盖度的戈壁为主,分布区域也最广。(5)粒径为0.8cm、41cm、83cm的砾石不适合使用变异函数模型进行粒径的空间变化预测,说明这些尺寸砾石受随机因素影响较大,空间自相关程度很弱;粒径为0.8cm、3.4cm、16.3cm及53cm的区域化变量之间具有较强的空间自相关性,而随机因素引起的空间异质性仅占较小比例;粒径为41cm的砾石空间自相关范围最大(1340m)。砾石空间分布的均一性随着自相关范围变小而逐渐减弱,反之,砾石空间分布的均一性增大。总体来讲,本研究发现并充分利用了不同粒级砾石光谱的吸收特征参数,并基于EO-1 Hyperion数据实现了戈壁区表面砾石粒径较高精度的反演,并对高光谱遥感的应用范围进行了扩展。同时对戈壁区砾石粒径的空间分异规律得到了整体的了解,为戈壁改造利用及防沙治沙工程提供参考。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P237;P901

【相似文献】