一種土壤與植被混合光譜測量方法及模擬系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種土壤與植被混合光譜測量方法及模擬系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括一地物光譜儀、一觀測區(qū)和一計算機處理單元；其中，地物光譜儀用于對觀測區(qū)內(nèi)的土壤植被混合樣本和參考板的DN值進行觀測，得到參考板的DN值和混合像元光譜DN值；地物光譜儀通過數(shù)據(jù)線與計算機處理單元連接，根據(jù)參考板的DN值和混合像元光譜DN值計算不同土壤植被比例時，觀測區(qū)的實際反射率R；并利用觀測區(qū)的實際反射率R驗證或改進所建的光譜混合模型，最后利用確定的光譜混合模型計算不同土壤植被混合比例的光譜。本發(fā)明推動了混合光譜研究從定性向定量研究發(fā)展，提高了混合像元光譜反演精度，對不同覆蓋度條件下土壤植被光譜反演具有重要指導(dǎo)示范意義。
【專利說明】一種土壤與植被混合光譜測量方法及模擬系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種土壤與植被混合光譜測量方法及模擬系統(tǒng)，屬于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]典型地物的光譜特征分析不僅是遙感理論研究的重要內(nèi)容，而且也是遙感應(yīng)用研究的重要依據(jù)。不同地物的光譜能夠反映其特有的性質(zhì)，多種地物的混合光譜則會呈現(xiàn)出特定的規(guī)律。植被與土壤是遙感領(lǐng)域中研究最為廣泛的兩種地物，對其混合光譜的研究既可以為探索混合像元分解方法提供理論上的支持，又有助于提高地物分布類型的監(jiān)測精度。同時，混合地物光譜特征的研究也為各種地物參量反演提供重要的實驗依據(jù)和理論支持。
[0003]現(xiàn)有的對地物波譜特性研究中，研究者更多地側(cè)重于單類地物光譜的測試與研究，例如植被、土壤、巖石等，很多學者進行了光譜測試并建立了光譜庫。而由于真實地物的復(fù)雜性，實際觀測獲取的絕大多數(shù)地物光譜都是由不同種地物以不同的比例，不同的空間位置組合而成的混合光譜。對于由不同種地物組成的混合光譜的測試與研究中，現(xiàn)有的研究主要是針對實際的混合地物進行測量，并進一步測量分析該種組分比例混合情況下的光譜特征，但現(xiàn)有研究只針對固定比例進行研究，無法進一步研究不同地物因在組分及空間分布上存在不同而導(dǎo)致的光譜變化規(guī)律，缺乏對組分比例定量可控的真實地物混合光譜的測量及研究。
[0004]由于測量條件的有限性，對于特定地物特定組分比例混合光譜的測量費時費力，研究者在測量的基礎(chǔ)上提出了一系列不同組分的混合光譜模擬模型，主要有線性光譜合成法、非線性光譜合成法、匹配濾波法和經(jīng)驗系數(shù)法。其中，線性模型是最常用的混合光譜模擬模型，假定像元信息為各組分信息的線性合成，即每一個光譜波段中單一像元的反射值表示為它的端元組分(混合像元的各個分解組分)特征反射值與它們一定比例的線性組合。線性模型具有簡單明了的特點，但是其忽略了地物組分的相互影響，與真實混合光譜存在一定差距，而其他光譜混合模型多存在輸入?yún)?shù)多、計算難度大、應(yīng)用范圍小等問題。
[0005]此外，針對混合光譜的測量與研究中，缺乏不同地物組分的模擬系統(tǒng)，無法快速高效的獲取各種組分比例的混合光譜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種土壤與植被混合光譜測量方法及模擬系統(tǒng)，用于實現(xiàn)不同組分比例下的土壤與植被混合光譜的測量和模擬。該方法和系統(tǒng)利用真實地物比例調(diào)節(jié)，設(shè)計可定量控制的光譜觀測實驗以進行混合光譜研究。通過地物光譜儀接收不同地物組分的反射電磁能量，測量和記錄不同組分比例的土壤與植被混合光譜。通過調(diào)節(jié)觀測區(qū)中土壤和植被的比例和數(shù)量，獲取純植被、純土壤光譜以及某些已知比例下的混合光譜。在前期實驗基礎(chǔ)上本發(fā)明提出了光譜混合模型。該光譜模型通過分析冠層上下表面與土壤表面實際反射率，模擬了不同植被覆蓋度下形成的混合光譜。依據(jù)該光譜混合模型，本發(fā)明研制了模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用土壤光譜數(shù)據(jù)庫與植被光譜數(shù)據(jù)庫中測量的純像元地物光譜特性，通過光譜混合模型模擬了不同植被覆蓋率下的土壤植被混合光譜。
[0007]為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種土壤與植被混合光譜測量方法，其步驟為:
[0009]I)選取待測類型的土壤和植被樣本，分別將其分割為若干小塊；
[0010]2)設(shè)置一觀測區(qū)，作為模擬遙感影像中的一個像元；
[0011]3)利用地物光譜儀對放置于該觀測區(qū)中的參考板進行測量，得到參考板的DN值；
[0012]4)按照設(shè)定的土壤植被比例，將分割的小塊樣本排列在該觀測區(qū)內(nèi)；然后采用該地物光譜儀對該觀測區(qū)進行觀測，獲取當前土壤植被比例對應(yīng)的混合像元光譜DN值；其中，所述混合像元光譜DN值包括純土壤的DN值和純植被的DN值；
[0013]5)根據(jù)參考板的DN值和混合像元光譜DN值計算不同土壤植被比例下，觀測區(qū)的實際反射率R目標反射率；
[0014]6)利用觀測區(qū)的實際反射率R 驗證或改進所建的光譜混合模型，然后利用最終確定的光譜混合模型計算不同土壤植被混合比例的光譜。
[0015]進一步的，所述光譜混合模型為:R=Rc+Rs=p*λ f+ps*p* λ f* (1- λ f+p* Af)/(1- ps*p* λ f)+ps* (1- λ f);其中 p=Rl/(1+R1*R0), ps=R0, Re 表示植被冠層上表面的實
際反射率，Rs表示土壤的實際反射率,P表示土壤植被混合的像元中冠層的反射率,ps表示混合像元中土壤的反射率，λ f表示植被在土壤植被混合的像元中所占組分比例即植被覆蓋率；R1表示純植被像元光譜的實際反射率值，RO表示純土壤像元光譜的實際反射率值。
[0016]進一步的，所述觀測區(qū)的實際反射率R計算公式為=R目標反射率=DN目標/DN參考板*R參考板反射率；其中，DN目標為混合像元光譜DN值，DN參考板為所述參考板的DN值，R參考板反射率為所述參考板的反射率值。
[0017]進一步的，所述土壤植被比例的計算方法為:λ n=Sn/S,其中，λ η代表第η種組分所占的比例，Sn代表地物光譜儀視場中第η種組分的面積，S代表地物光譜儀視場總面積。
[0018]進一步的，如果觀測區(qū)的實際反射率R 與所述混合模型計算的對應(yīng)土壤植被混合比例的反射率不一致，則改變所述觀測區(qū)內(nèi)的土壤植被混合比例，重復(fù)步驟3)至步驟5)，得到一組新的光譜反射率值來改進光譜混合模型。
[0019]進一步的，所述觀測區(qū)為正方形區(qū)域；所述地物光譜儀的圓形視場區(qū)域與所述正方形區(qū)域相切。
[0020]進一步的，所述地物光譜儀的探頭距離所述觀測區(qū)的高度為h:h=r/tan(9 /2)，其中r為所述地物光譜儀視場的圓圈半徑，Θ為地物光譜儀的視場角。
[0021]一種土壤與植被混合光譜測量模擬系統(tǒng)，其特征在于包括一地物光譜儀、一觀測區(qū)和一計算機處理單元；其中，所述地物光譜儀用于對觀測區(qū)內(nèi)的土壤植被混合樣本和參考板的DN值進行觀測，得到參考板的DN值和混合像元光譜DN值；所述地物光譜儀通過數(shù)據(jù)線與所述計算機處理單元連接；所述計算機處理單元用于根據(jù)參考板的DN值和混合像元光譜DN值計算不同土壤植被比例時，觀測區(qū)的實際反射率R并利用觀測區(qū)的實際反射率R 驗證或改進所建的光譜混合模型。[0022]本發(fā)明的主要內(nèi)容包括:
[0023]1.選取適宜的植被和土壤樣本，分割為相同大小的小塊，置于適合的裝置中。
[0024]2.設(shè)置一個觀測區(qū)，將上一步處理結(jié)果放到劃定的觀測區(qū)中，用以模擬遙感影像中的一個像元。將觀測區(qū)分割為數(shù)塊與裝置大小相同的部分，用于放置裝有土壤和植被的裝置，可以通過改變兩種裝置數(shù)量調(diào)控混合像元中的組分比例。
[0025]3.使用相應(yīng)的地物光譜儀首先對放置于觀測區(qū)中的參考板(一般包括標準版和灰度板)進行測量，用以獲得此時條件下的參考板DN值(digital number,光譜儀直接獲取的用以表征電磁能量的絕對值)，為將觀測DN值標定為反射率提供基礎(chǔ)。再對放置于觀測區(qū)的不同數(shù)量比例的裝置進行測量，獲取不同組分比例下的混合像元光譜DN值。組分比例的計算方法如下式所示:
[0026]Xfn=Sn/S，式中Xfn代表第n種組分所占的比例，Sn代表光譜儀視場中第η種組分的面積，S代表視場總面積。
[0027]4.通過獲取的參考板DN值將步驟3獲取的不同組分比例的混合像元光譜DN值(包括純土壤的DN值和純植被的DN值)，分別糾正為實際的反射率值，利用下式進行光譜反射率的計算:
[0028]!^標反射率=DN目標/DN參考板*R參考板反射率，式中R代表反射率，DN代表光譜僅猶得的DN值，參考板的反射率取決于參考板的本質(zhì)屬性，隨參考板直接獲得。
[0029]5.將步驟4中獲取的純土壤光譜反射率值和純植被光譜反射率值，或者由光譜數(shù)據(jù)庫中提取的需要模擬的特定土壤 和植被純像元光譜作為已知量，帶入光譜混合模型中，計算不同組分比例混合光譜，即不同植被覆蓋率下的土壤植被混合光譜。該光譜模型通過分析植被冠層上下表面與土壤表面實際反射率，考慮到實際情況中植被冠層位于土壤上方，光線在冠層和土壤之間相互作用，從而模擬混合光譜。
[0030]其中所述的光譜混合模型如下:
[0031 ]
【權(quán)利要求】
1.一種土壤與植被混合光譜測量方法，其步驟為: .1)選取待測類型的土壤和植被樣本，分別將其分割為若干小塊； .2)設(shè)置一觀測區(qū)，作為模擬遙感影像中的一個像元； .3)利用地物光譜儀對放置于該觀測區(qū)中的參考板進行測量，得到參考板的DN值； .4)按照設(shè)定的土壤植被比例，將分割的小塊樣本排列在該觀測區(qū)內(nèi)；然后采用該地物光譜儀對該觀測區(qū)進行觀測，獲取當前土壤植被比例對應(yīng)的混合像元光譜DN值；其中，所述混合像元光譜DN值包括純土壤的DN值和純植被的DN值； .5)根據(jù)參考板的DN值和混合像元光譜DN值計算不同土壤植被比例下，觀測區(qū)的實際反射率R目標反射率； .6)利用觀測區(qū)的實際反射率 R目標反射率 驗證或改進所建的光譜混合模型，然后利用最終確定的光譜混合模型計算不同土壤植被混合比例的光譜。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述光譜混合模型為:R=Rc+Rs=p* λ f+ps*p* λ f* (1- λ f+p* λ f) / (1- ps*p* λ f)+ps* (1- λ f)；其中 p=Rl/(1+R1*R0)，ps=RO, Re表示植被冠層上表面的實際反射率，Rs表示土壤的實際反射率，P表示土壤植被混合的像元中冠層的反射率，ps表示混合像元中土壤的反射率，λ f表示植被在土壤植被混合的像元中所占組分比例即植被覆蓋率；R1表示純植被像元光譜的實際反射率值，RO表示純土壤像元光譜的實際反射率值。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述觀測區(qū)的實際反射率R計算公式為:R目標反射率=DN目標/DN參考板*R參考板反射率；其中，DN目標為混合像兀光譜DN值，DN參考板為所述參考板的DN值，為所述參考板的反射率值。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述土壤植被比例的計算方法為:λn=Sn/S,其中，λ n代表第η種組分所占的比例，Sn代表地物光譜儀視場中第η種組分的面積，S代表地物光譜儀視場總面積。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于如果觀測區(qū)的實際反射率Rwfiiw與所述混合模型計算的對應(yīng)土壤植被混合比例的反射率不一致，則改變所述觀測區(qū)內(nèi)的土壤植被混合比例，重復(fù)步驟3)至步驟5)，得到一組新的光譜反射率值來改進光譜混合模型。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述觀測區(qū)為正方形區(qū)域；所述地物光譜儀的圓形視場區(qū)域與所述正方形區(qū)域相切。
7.如權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于所述地物光譜儀的探頭距離所述觀測區(qū)的高度為h:h=r/tan( θ /2)，其中r為所述地物光譜儀視場的圓圈半徑，θ為地物光譜儀的視場角。
8.一種土壤與植被混合光譜測量模擬系統(tǒng)，其特征在于包括一地物光譜儀、一觀測區(qū)和一計算機處理單元；其中，所述地物光譜儀用于對觀測區(qū)內(nèi)的土壤植被混合樣本和參考板的DN值進行觀測，得到參考板的DN值和混合像元光譜DN值；所述地物光譜儀通過數(shù)據(jù)線與所述計算機處理單元連接；所述計算機處理單元用于根據(jù)參考板的DN值和混合像元光譜DN值計算不同土壤植被比例時，觀測區(qū)的實際反射率R目標反射率并利用觀測區(qū)的實際反射率R目標反射率驗證或改進所建的光譜混合模型。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述光譜混合模型為:
R=Rc+Rs=p* λ f+ps*p* λ f* (1- λ f+p* λ f) / (1- ps*p* λ f) +ps* (1- λ f);其中p=Rl/(l+Rl*RO), ps=RO, Re表示植被冠層上表面的實際反射率，Rs表示土壤的實際反射率，P表示土壤植被混合的像元中冠層的反射率，ps表示混合像元中土壤的反射率，λ f表示植被在土壤植被混合的像元中所占組分比例即植被覆蓋率；R1表示純植被像元光譜的實際反射率值，RO表示純土壤像元光譜的實際反射率值。
10.如權(quán)利要求8或9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述地物光譜儀的探頭距離所述觀測區(qū)的高度為h:h=r/tan( Θ /2)，其中r為所述地物光譜儀視場的圓圈半徑，Θ為地物光譜儀的視場角。
【文檔編號】G01N21/25GK103499529SQ201310468109
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月9日
【發(fā)明者】秦其明, 孟慶野 申請人:北京大學