观测对象为荒漠植被, 植被高度15 cm左右, 类型为荒漠梭梭(如图1所示), 枝干比较紧凑。 积雪类型为干雪, 密度0.15 g· cm^-3, 粒径大小均匀。 实验场地为水泥地面。 采用纵向、 横向和圆内不规则三种模式进行像元混合。 试验在每日晴朗无云的正午时段进行, 利用ASD FiledSpec光谱仪(波长范围为350~2 500 nm; 350~1 000 nm之间光谱采样间隔为1.4 nm, 光谱分辨率3 nm; 1 000~2 500 nm之间采样间隔为2 nm, 光谱分辨率10 nm; 光谱仪最后将数据重采样为1 nm)采集光谱。 首先用标准校正板对ASD进行标定, 然后进行积雪和荒漠植被及其混合物的测量, 测量时光谱辐射仪探头垂直向下, 距样本25 cm左右, 每个积雪、 积雪-荒漠植被混合及荒漠植被类型采集10条光谱曲线, 算术平均后得到该类型的实际反射光谱数据。 同时, 利用Tetracam’ s LCD-Equipped Agricultural Digital Camera多光谱相机进行积雪-荒漠植被照片采集。 Tetracam-ADC具有红、 绿和近红外3个波段, 分别与TM第2(0.52~0.60 μ m), 3(0.62~0.69 μ m) 和第4波段(0.76~0.96 μ m)相近, 可以测量得到高分辨率的红、 绿和近红外波段范围内的图像, 标配320万像素镜头, 图像分辨率可达2 048× 1 536像素; 通过图像处理软件PW2_x6可获得NDVI, GNDVI和NIR/G等指数。

图1

Fig.1

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	图1 积雪-荒漠植被分布图Fig.1 Snow-desert vegetation regional distribution map for the control experiment

包络线为逐点直线连接随波长变化的吸收或反射凸出的“ 峰” 值点并使折线在“ 峰” 值点上的外角大于180° ^[12]。 包络线处理即利用包络线将原始地物光谱曲线归一化, 使得光谱曲线归一到一致的光谱背景上, 有效突出光谱曲线吸收和反射特征^{[12, 13]}。

首先, 采用K-均值法对拍摄混合像元图像进行聚类^[14]。 然后, 采用中值滤波消除聚类后带来的噪声。 最后, 将图像进行二值化, 分别统计积雪和荒漠植被的像元个数, 根据像元个数比以及图像覆盖总面积, 求出规则和不规则积雪-荒漠植被覆盖面积。

Areasnow=Areaimage·Numsnow/(Numsnow+Numveg)(1)

式(1)中, Area_snow为积雪像元面积, Num_snow为积雪像元个数, Num_veg为荒漠植被像元个数, Area_image为影像总面积。

根据观测周期内(2015-01-04至2015-01-10日)积雪时间和粒径大小将观测积雪分为陈雪、 新雪和冻结雪三种类型。 其中, 陈雪定义为观测起始日2015-01-04日前的积雪, 新雪定义为2015-01-07日晚间观测地出现降雪天气后所形成的积雪, 冻结雪定义为观测周期内因午后12:00气温升高陈雪融化次日冻结形成的带有冰粒、 表面粗燥的积雪(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 三种类型积雪表面[陈雪(a)、 新雪(b)和冻结雪(c)]Fig.2 Three types of snow surface [aged snow (a), new snow (b), frozen snow (c)]

不同类型积雪反射光谱和去除包络线后积雪反射光谱特征如下:

(1) 由图3可见, 可见光波谱范围内(350~760 nm)积雪具有0.6以上的反射率, 1 600 nm附近积雪吸收太阳辐射形成强近红外吸收, 表现在反射光谱曲线上反射率降低到0.2以下, 形成积雪独特的光谱特征, 在1 800~2 500 nm波谱范围内由于噪声、 大气水汽等原因的影响使得这部分积雪反射光谱数据误差较大。

图3

Fig.3

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	图3 350~2 500 nm范围内陈雪、 新雪、 冻结雪原始光谱特征Fig.3 The spectral reflectance properties of aged snow, new snow, frozen snow in the range of 350 to 2 500 nm

(2) 由图4和5可见, 反射光谱包络线去除后, 1 456~1 697 nm范围内粗粒径冻结雪反射光谱高于新雪反射光谱, 新雪反射光谱明显高于陈雪反射光谱(图4和图5)。

图4

Fig.4

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	图4 350~2 500 nm范围内陈雪、 新雪、 冻结雪光谱数据去包络线后光谱特征Fig.4 The spectral reflectance properties of aged snow, new snow, frozen snow after removing envelop line in the range of 350 to 2 500 nm

图5

Fig.5

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	图5 1 456~1 698 nm范围内陈雪、 新雪、 冻结雪光谱数据去包络线后光谱特征Fig.5 The spectral reflectance properties of aged snow, new snow and frozen snow after removing envelop line within the range of 1 456 to 1 698 nm

(3) 现有光学遥感数据AVHRR, MODIS, FY-3, ETM+, TM和CBERS中巴资源卫星CCD常用积雪判断波段范围为AVHRR CH1(550~680 nm), CH2(725~1 100 nm)^[15]; MODIS CH2(620~670 nm)和CH4(545~565 nm)^[16]; FY3/MERSI CH3(600~700 nm)和CH6(1 590~1 690 nm)波段^{[17, 18]}; ETM+ TM CH4(760~900 nm) CH2(520~600 nm)^[19]; CCD CH2(520~590 nm)CH4(770~890 nm)^[20]。 由图6可见, MODIS CH4(545~565 nm)对于粗粒径、 陈雪和新雪具有一定的指示性, 其他光学遥感数据在可见光波段范围内只能识别出积雪, 对积雪类型敏感度不及MODIS CH4。 同时, 由ADC3采集积雪图像(图7)发现绿光波段(520~600 nm)和红光波段(630~690 nm)积雪粒径响应差异显著, 后者可以很好地表现出积雪的粒径形态。

图6

Fig.6

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	图6 520~680 nm范围内去除包络线光谱特征Fig.6 The spectral reflectivity properties after envelope removal in the range of 520 to 680 nm

图7

Fig.7

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	图7 ADC3绿光波段520~600 nm(a)和红光波段630~690 nm(b)积雪Fig.7 The snow image taken with ADC3 in the green band (520~600 nm) (a) and the red band (630~690 nm) (b)

植被与辐射的相互作用主要体现在叶片光谱特征。 本实验观测对象为矮梭梭, 其枝条较密, 冬季枝条被积雪覆盖, 气温上升, 积雪消融后冻结, 使得枝条部分被冰覆盖, 形成冰状枝条。 观测周期内因出现降雪天气和午后12点气温升高有融雪发生。 观测荒漠植被有纯植被和新雪覆盖植被以及冰粒覆盖植被三种类型(图9), 光谱特征与常规植被光谱差异显著:

(1) 观测区内无积雪覆盖荒漠植被光谱特征已经不存在常规绿色植被的“ 红边” 效应, 即红光波段(620~760 nm)强吸收, 近红外(700~1 300 nm)高反射。 冻结覆冰覆盖荒漠植被采集光谱为积雪、 冰晶和植被枝干混合的光谱信息。 新降积雪覆盖植被类型及光谱特征积雪和植被枝干混合的光谱信息(图8和图9)。

图8

Fig.8

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	图8 观测荒漠植被类型 (a): 纯植被; (b): 新雪覆盖; (c): 冰粒覆盖Fig.8 The types of observed desert vegetation (a): Pure vegetation; (b): Vegetation covered with new snow; (c): Vegetation covered with ice particles

图9

Fig.9

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	图9 2015-01-04至08日观测荒漠植被光谱特征(无雪覆盖; 冻结覆冰覆盖; 新雪覆盖)Fig.9 The spectral property of desert vegetation from January 4 to January 8 in 2015(no snow cover, icing cover, new snow)

(2) 坡度对于荒漠植被反射光谱影响表现为: 角度为5° 和10° 时, 采集光谱会低于垂直角度采集的荒漠植被光谱, 角度大于10 ° 时, 随着角度增加采集荒漠植被的光谱逐渐增大(图10)。

图10

Fig.10

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	图10 去包络线后坡度对荒漠植被光谱的干扰(2015-01-10日观测)Fig.10 The effect of the slope on the spectral reflectivity of desert vegetation after continuum removal (Observed on October 10, 2015)

(3) 规则面积比积雪-植被混合观测光谱特征, 当积雪面积占像元比例为3: 1时, 积雪组分对混合像元的贡献占主要比重, 采集光谱主要表现为积雪的光谱特征, 当积雪组分和荒漠植被组分比例相当时, 采集光谱为植被和积雪的混合特征, 纯净荒漠植被因冻结覆冰和新降积雪, 其采集光谱为积雪、 植被和冰混合的光谱特征(图11, 图12和图13)。

图11

Fig.11

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	图11 规则面积比植被-积雪照片(植被-积雪比1: 0, 3: 1, 1: 1, 1: 3)Fig.11 The photos of vegetation-snow with regular area ratios (the ratio of vegetation to snow: 1: 0, 3: 1, 1: 1, 1: 3 from left to right in turn)

图12

Fig.12

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	图12 去包络线后350~2 500 nm范围内规则面积比积雪-植被混合观测光谱特征Fig.12 The observation of the mixed spectral reflectivity of snow-vegetation with regular area ratios in the range of 350nm to 2500 nm after envelop removal

图13

Fig.13

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	图13 去包络线后1 098~1 351 nm范围内规则面积比积雪-植被混合观测光谱特征Fig.13 The observation of the mixed spectral reflectivity of snow-vegetation with regular area ratios in the range of 1 098 to 1 351 nm after envelop removal

(4) 不规则面积比积雪-植被混合观测光谱特征, 积雪植被面积比=0.78: 0.22, 虽然积雪所占比例较大, 但是因为植被位于影像中心, 荒漠植被贡献的光谱信息大于积雪(如图14和图15)。 因此, 其反射光谱值较低, 基本表现为荒漠植被的光谱信息。 当植被和积雪混合时, 各个组分的面积和组分在混合像元内的位置, 严格决定了混合像元的光谱特征。

图14

Fig.14

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	图14 不规则面积比积雪-植被混合观测类型图 积雪面积比依次为(a): 0.78: 0.22; (b): 0.48: 0.52; (c): 0.22: 0.78; (d): 0.58: 0.42Fig.14 The observation of the mixed pixels with different area ratios of snow to vegetation (a): 0.78: 0.22; (b): 0.48: 0.52; (c): 0.22: 0.78; (d): 0.58: 0.42

图15

Fig.15

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	图15 不规则面积比积雪-植被混合观测光谱类型Fig.15 The spectral properties of snow-vegetation with irregular area ratios

(5) 观测方向对反射光谱的干扰。 以5 cm步长, 左右两个方向进行光谱观测, 分别获取规则面积比植被-水泥地, 植被-积雪混合像元光谱。 其中, 左推出定义为雪面完全覆盖水泥地面后, 以5 cm步长逐渐使得水泥地面裸露[图19(a)], 右推进定义为雪面以5 cm步长逐渐覆盖水泥地面[图19(b)]。 结果发现, 右推进模式下, 雪面进入像元5 cm时, 观测光谱出现明显“ 陡峭” , 即光谱仪探头1(350~1 000 nm之间光谱采样间隔为1.4 nm, 光谱分辨率3 nm)处出现明显的陡坡效应。 当雪面面积逐渐增大, 占像元面积比例大于0.5时, 水泥地的反射光谱被明显弱化, 采集到的光谱已经明显表现为积雪反射光谱信息。 规则面积比积雪反射光谱, 在1 406~1 802 nm内, 积雪反射光谱值和积雪面积比间存在明显的线性负相关关系。 积雪-水泥地混合像元, 积雪端元的光谱贡献非常显著, 积雪端元面积为5 cm× 40 cm, 亦像元面积200 cm², 占总像元的八分之一时, 混合像元完全表现为积雪的反射光谱特征(图17)。

图16

Fig.16

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图16 观测地物类型及下垫面类型(积雪面; 下垫面为水泥地) (a): 左推出, 雪面完全覆盖后; 从左边以5 cm步长逐渐推出水泥地面; (b): 右推进, 雪面从右边以5 cm步长逐渐推进覆盖水泥地面Fig.16 Types of observed objects and their underlying surface (the types of underlying surface of snow surface is concrete floor) (a): The mode of forward on the left which makes cemented ground gradually get out of snow surface, taking a 5 cm interval; (b): The mode of forward on the right which makes cemented ground gradually covered by snow surface

图17

Fig.17

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	图17 不同积雪-水泥面比例观测光谱特征(2015-01-09日观测)(右推式)Fig.17 The observed spectral reflectivity in the case of different ratios of snow-concrete floor (observed on January 9, 2015) (forward on the right)

图18

Fig.18

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	图18 不同积雪-水泥面比例观测光谱特征(2015-01-09日观测)(左推式)Fig.18 The observed spectral reflectivity in the case of different ratios of snow-concrete floor (observed on January 9, 2015) (forward on the left)

图19

Fig.19

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图19 观测地物类型及下垫面类型(水泥地下垫面; 全植被; 全植被+积雪) (a): 左推出, 植被(雪面)完全覆盖后, 从左边以5 cm步长逐渐推出水泥地面; (b): 右推进, 植被(雪面)从右边以5 cm步长逐渐推进覆盖水泥地面Fig.19 Types of observed objects and their underlying surface (pure vegetation, a mixture of pure vegetation and snow, concrete floor) (a): The mode of forward on the left which makes vegetation (snow surface) gradually get out of the cemented ground, taking a 5 cm interval after vegetation (snow surface) was covered completely; (b): The mode of forward on the right which makes vegetation (snow surface) gradually covered by the cemented ground with 5 cm interval

图20

Fig.20

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	图20 不同全植被+积雪-水泥面比观测光谱特征(2015-01-09日观测)(左推式)Fig.20 The observed spectral reflectivity in the case of different ratios of pure vegetation to snow-vegetation (observed on January 9, 2015) (forward on the left)

与积雪表面不同, 右推式植被-混合像元观测光谱出现明显的“ 陡峭” 反应, 即光谱仪1探头(350~1 000 nm之间光谱采样间隔为1.4 nm, 光谱分辨率3 nm)处出现明显的陡坡效应。 采集像元为纯净植被时, 其反射光谱小于推进过程中水泥地-植被的混合光谱, 如图21。

图21

Fig.21

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	图21 不同全植被+积雪-水泥面比观测光谱特征(2015-01-09日观测)(右推式)Fig.21 The observed spectral reflectivity in the case of different ratios of pure vegetation to snow-vegetation (observed on January 9, 2015) (forward on the right)

(6) 利用ADC多光谱照相机拍摄照片和NDVI, GNDVI和NIR/G植被指数, 发现在积雪和植被混合区, NDVI判识效果最差, GNDVI和NIR/G能够较好对积雪植被混合区域边界以及植被阴影进行识别(见图22和图23)。

图22

Fig.22

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	图22 数码相机采集图片(a)和ADC光谱相机采集图片(TTC00064)(b)Fig.22 The photos taken with digital camera (a) and with ADC multispectral camera (b)

图23

Fig.23

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	图23 植被面积相对集中的ADC植被指数计算结果图(数码照片\Green Ndvi\NirG\NDVI)Fig.23 Digital images ( the 1st column)and the ADC vegetation indices with the relatively concentrated vegetation area (the 2nd column: Green Ndvi, the 3rd column: NirG, the 4th column: NDVI)