無人機高光譜的植被冠層熱點效應探索

0  引言        

        輻fu射she和he地di表biao結jie構gou之zhi間jian的de相xiang互hu作zuo用yong有you一yi個ge基ji本ben的de性xing質zhi，那na就jiu是shi遙yao感gan觀guan測ce視shi場chang中zhong觀guan測ce到dao的de輻fu射she會hui隨sui著zhe光guang源yuan與yu觀guan測ce者zhe之zhi間jian幾ji何he位wei置zhi關guan係xi的de變bian化hua而er變bian化hua。這zhe種zhong變bian化hua依yi賴lai於yu地di表biao類lei型xing及ji其qi結jie構gou
，所suo以yi有you效xiao地di分fen析xi這zhe種zhong變bian化hua可ke以yi為wei通tong過guo遙yao感gan監jian測ce製zhi圖tu和he監jian測ce地di表biao結jie構gou提ti供gong一yi種zhong方fang法fa和he手shou段duan。在zai光guang照zhao和he觀guan測ce幾ji何he位wei置zhi發fa生sheng變bian化hua時shi，就jiu會hui產chan生sheng熱re點dian效xiao應ying。當dang沿yan著zhe太tai陽yang方fang向xiang觀guan測ce時shi看kan不bu到dao陰yin影ying，整zheng個ge視shi場chang都dou是shi亮liang的de
，這zhe時shi觀guan測ce到dao的de輻fu射she達da到dao最zui大da，在zai雙shuang向xiang反fan射she率lv曲qu線xian上shang出chu現xian一yi個ge峰feng值zhi，這zhe就jiu是shi“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
，並用“熱點”區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”xiaoyingjinxingleshuzhimonibinghuodeleyixieyoujiazhidejieguo。tanwenhandechangfangxingmoxingjiadingsuoyouchangfangxingyepianjunweishuipingquxiang，anzhaojiheguangxuelilun，dingyiqizhongdiehanshu，bingfenbiegeichulezhupingmian、主錐麵及內插法求非主平麵和非主錐麵情形的解析結果。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”xishujiexijisuandehunhemoxing。jinguanzhezhonghunhemoxinggeichulejisuanzhongdiemianjidejinsijiexibiaoda
，bichangfangxingmoxinggengzhunque，danshitabarenyiqingxiangdeyepiantouyingdaoshuipingheshuzhi2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(nian)楊(yang)曉(xiao)月(yue)等(deng)通(tong)過(guo)地(di)麵(mian)觀(guan)測(ce)草(cao)地(di)多(duo)平(ping)麵(mian)多(duo)角(jiao)度(du)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)率(lv)和(he)葉(ye)麵(mian)積(ji)指(zhi)數(shu)數(shu)據(ju)
，計(ji)算(suan)不(bu)同(tong)植(zhi)被(bei)指(zhi)數(shu)
，分(fen)析(xi)不(bu)同(tong)觀(guan)測(ce)平(ping)麵(mian)和(he)角(jiao)度(du)下(xia)植(zhi)被(bei)指(zhi)數(shu)與(yu)葉(ye)麵(mian)積(ji)指(zhi)數(shu)的(de)相(xiang)關(guan)性(xing)

，建(jian)立(li)遙(yao)感(gan)反(fan)演(yan)模(mo)型(xing)。於(yu)穎(ying)等(deng)對(dui)3種植被冠層BRDF模型一DART模型、4SCALE模型和MGEOSAIL模型，模擬了不同鬱閉度樣地在紅光、近紅外波段各個觀測角度下的場景反射率，並比較分析了不同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(mu)前(qian)國(guo)內(nei)外(wai)研(yan)究(jiu)學(xue)者(zhe)針(zhen)對(dui)熱(re)點(dian)效(xiao)應(ying)的(de)研(yan)究(jiu)甚(shen)少(shao)，而(er)且(qie)都(dou)是(shi)基(ji)於(yu)地(di)麵(mian)尺(chi)度(du)，也(ye)就(jiu)是(shi)基(ji)於(yu)地(di)物(wu)光(guang)譜(pu)儀(yi)，利(li)用(yong)量(liang)角(jiao)器(qi)根(gen)據(ju)不(bu)同(tong)的(de)角(jiao)度(du)利(li)用(yong)地(di)物(wu)光(guang)譜(pu)儀(yi)探(tan)頭(tou)獲(huo)取(qu)地(di)物(wu)的(de)光(guang)譜(pu)信(xin)息(xi)，從(cong)而(er)根(gen)據(ju)不(bu)同(tong)的(de)角(jiao)度(du)信(xin)息(xi)反(fan)演(yan)出(chu)地(di)物(wu)葉(ye)子(zi)大(da)小(xiao)和(he)形(xing)狀(zhuang)、shuguandaxiao，yijidiyemianjizhishudeguancenggaodudengguancengjiegoucanshu。ranerquemeiyouyanjiuzheliyongwurenjipingtai


，dazaichengxianggaoguangpuyi，genjuyuntaizhuandongbutongdejiaodu
，congerhuoqubutongjiaodudediwuxinxi
，binggenjutaiyanggaodujiaotiaozhengchengxiangguangpuyijiaodu，kuaisuhuoqudiwudechengxiangguangpuxinxi
，tongguochengxiang，gengnengzhunquedifenxizhiwuguancengderedianxiaoying。

1  設備平台

        由四川雙利合譜科技有限公司自主研發的無人機高光譜成像係統平台GaiaSky-mini，利用其獨有的發明**技(ji)術(shu)，使(shi)無(wu)人(ren)機(ji)飛(fei)行(xing)到(dao)一(yi)定(ding)的(de)高(gao)度(du)，懸(xuan)停(ting)在(zai)空(kong)中(zhong)，利(li)用(yong)雲(yun)台(tai)旋(xuan)轉(zhuan)到(dao)與(yu)太(tai)陽(yang)光(guang)照(zhao)方(fang)向(xiang)一(yi)樣(yang)的(de)角(jiao)度(du)，然(ran)後(hou)運(yun)用(yong)高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)儀(yi)內(nei)置(zhi)推(tui)掃(sao)的(de)方(fang)式(shi)快(kuai)速(su)獲(huo)取(qu)該(gai)角(jiao)度(du)下(xia)地(di)物(wu)的(de)成(cheng)像(xiang)光(guang)譜(pu)信(xin)息(xi)（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，對應的地麵麵積約是43m*43m）
，下圖為無人機高光譜成像係統在空中旋轉角度拍攝地物熱點效應的照片及該係統的參數。

圖1 太陽高度角下拍攝地物冠層熱點信息

表1  GaiaSky-mini 400-1000nm範圍的參數

2   熱點效應探索

      下圖為四川雙利合譜科技有限公司的無人機高光譜成像係統在300mgaokongxiahuoqudediwuguancengredianchengxiangshuju
，congtuzhongkezhi，zairedianxiaoyingxia，zhibeiguancengguangzhaoqiangduzuiqiang，liangduzuiliang，wuyinying，keyongyufenxizhibeideguancengjiegou
，ruyemianjizhishu、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後向散射區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域的反射率最弱點則稱之為“暗點”，redianheandianbaohanlezhibeideyepianjujixinxi。yixiaomaiweili，fenjincouxinghepisanxing，womenfenbiefenxizheliangzhongleixingdexiaomaizaihongguangquyuhejinhongwaiquyuzaibutongjiaodudefanshelvzhidebianhua
，yi670nm和800nm為例，如下圖所示。

圖3  兩種類型小麥在紅光區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域不同角度下的光譜反射率值變化

        youtuzhongkanchuliangzhongzhuxingxiaomaizaihouxiangsanshequyucunzairedianxiaoying
，bingqiehongguangboduanderedianxiaoyingbijinhongwaiboduangengxianzhu。hongguangboduanjincouxinghepisanxingxiaomaideredianfenbiezaihouxiangsanshequyu20°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後向40°附近50°附(fu)近(jin)。這(zhe)是(shi)由(you)於(yu)紅(hong)光(guang)波(bo)段(duan)小(xiao)麥(mai)植(zhi)株(zhu)葉(ye)綠(lv)素(su)的(de)強(qiang)吸(xi)收(shou)增(zeng)強(qiang)了(le)該(gai)波(bo)段(duan)的(de)各(ge)向(xiang)異(yi)性(xing)，而(er)近(jin)紅(hong)外(wai)波(bo)段(duan)葉(ye)片(pian)多(duo)重(zhong)散(san)射(she)效(xiao)應(ying)增(zeng)強(qiang)，降(jiang)低(di)了(le)植(zhi)被(bei)在(zai)該(gai)波(bo)段(duan)的(de)各(ge)向(xiang)異(yi)性(xing)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，緊(jin)湊(cou)型(xing)小(xiao)麥(mai)葉(ye)片(pian)主(zhu)要(yao)集(ji)中(zhong)在(zai)植(zhi)株(zhu)中(zhong)上(shang)層(ceng)，披(pi)散(san)型(xing)小(xiao)麥(mai)植(zhi)株(zhu)的(de)上(shang)中(zhong)下(xia)層(ceng)均(jun)有(you)葉(ye)片(pian)。且(qie)葉(ye)片(pian)披(pi)散(san)程(cheng)度(du)比(bi)緊(jin)湊(cou)型(xing)小(xiao)麥(mai)大(da)
，同(tong)一(yi)時(shi)期(qi)觀(guan)側(ce)視(shi)場(chang)內(nei)不(bu)同(tong)株(zhu)型(xing)小(xiao)麥(mai)的(de)植(zhi)株(zhu)信(xin)息(xi)和(he)土(tu)壤(rang)信(xin)息(xi)比(bi)例(li)不(bu)同(tong)。       

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、暗點以及常規植被指數
，從而提高反演植被冠層大小、LAI、樹shu高gao等deng模mo型xing的de精jing度du。根gen據ju小xiao編bian在zai目mu前qian論lun文wen集ji的de搜sou索suo，無wu人ren機ji高gao光guang譜pu拍pai攝she植zhi被bei冠guan層ceng熱re點dian，目mu前qian國guo內nei外wai還hai未wei有you人ren發fa表biao過guo相xiang關guan論lun文wen，本ben文wen隻zhi是shi做zuo了le一yi個ge粗cu淺qian的de報bao告gao，更geng多duo的de信xin息xi還hai需xu要yao各ge位wei科ke研yan工gong作zuo者zhe去qu深shen入ru研yan究jiu、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係溝通,謝謝!