七、高光谱遥感应用

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1、1 七、高光谱遥感应用七、高光谱遥感应用 7.1 精准农业高光谱遥感 7.2 内陆水质高光谱遥感 7.3 矿物填图高光谱遥感 7.1 精准农业高光谱遥感 7.2 内陆水质高光谱遥感 7.3 矿物填图高光谱遥感 张兵张兵 中国科学院对地观测与数字地 球科学中心 中国科学院对地观测与数字地 球科学中心 E-mail: zb 2010 2 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 精准农业：精准农业： 就是利用遥感、卫星定位系统等技术实时获取农田作物的生产环境、 生长状况的时空变化信息，及时对农业进行管理，并对作物苗情、病虫 害、墒情的发展趋势进行分析、模拟，为农业的高效管理提供必要的空

2、 间信息。在获取上述信息基础上，利用地理信息系统、专家系统、决策 支持系统等技术，按每一地块或单元在像元级上做出具体决定，准确地 进行变量灌溉、施肥、喷洒农药等 。 就是利用遥感、卫星定位系统等技术实时获取农田作物的生产环境、 生长状况的时空变化信息，及时对农业进行管理，并对作物苗情、病虫 害、墒情的发展趋势进行分析、模拟，为农业的高效管理提供必要的空 间信息。在获取上述信息基础上，利用地理信息系统、专家系统、决策 支持系统等技术，按每一地块或单元在像元级上做出具体决定，准确地 进行变量灌溉、施肥、喷洒农药等 。 3 精准农业要求回答的精准农业要求回答的3W问题：问题： What？ When？

3、 Where？ Precision farming: Do the right thingPrecision farming: Do the right thing at the right place at the right place and at the right timeand at the right time Providing relevant and reliable agronomic indexes to farmers Providing relevant and reliable agronomic indexes to farmers 7.1 精准农业高光谱遥感7

4、.1 精准农业高光谱遥感 4 多光谱遥感的信息可以知道作物是否受到胁迫。而高光谱遥感则可以 推断出造成胁迫的原因是水分缺乏、病虫害还是施肥不足或者其它原 因。 多光谱遥感的信息可以知道作物是否受到胁迫。而高光谱遥感则可以 推断出造成胁迫的原因是水分缺乏、病虫害还是施肥不足或者其它原 因。 高光谱遥感可反演的农学参数主要有高光谱遥感可反演的农学参数主要有:叶绿素叶绿素a、叶绿素、叶绿素b、叶绿素、叶绿素ab、 木质素、氮、纤维素、水含量、磷、蛋白质、氨基酸以及淀粉。作物 参数反映了作物长势、水肥亏缺状况、营养组分含量等信息，也是预 测作物产量的主要指标。 、 木质素、氮、纤维素、水含量、磷、蛋白

5、质、氨基酸以及淀粉。作物 参数反映了作物长势、水肥亏缺状况、营养组分含量等信息，也是预 测作物产量的主要指标。 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 5 高光谱遥感精准农业研究的主要几个方面：高光谱遥感精准农业研究的主要几个方面： (1) 植被生理生化参量反演：LAI、叶绿素、水分(1) 植被生理生化参量反演：LAI、叶绿素、水分、氮素；氮素； (2) 作物参量综合农学分析：长势分布图、生成农田(2) 作物参量综合农学分析：长势分布图、生成农田 处方图；处方图； (3) 作物生长时间序列分析：生育期监测、病虫害监测(3) 作物生长时间序列分析：生育期监测、病虫害监测、种 植模式

6、信息提取等。 种 植模式信息提取等。 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 6 植被冠层的反射率光谱主要由植被的三方面因素决定：植被冠层的反射率光谱主要由植被的三方面因素决定： （1）植被冠层外形和结构属性，）植被冠层外形和结构属性，LAI； （2）可见光近红外波段冠层的生物化学属性，叶绿素等；）可见光近红外波段冠层的生物化学属性，叶绿素等； （3）短波红外谱段冠层的水分含量和其它植被成分。）短波红外谱段冠层的水分含量和其它植被成分。 LAI is defined as one half the total green leaf area per unit horizontal

7、 ground surface area. Ref.: Chen and Black (1992a) 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 7 LAI直接测量方法直接测量方法 (1) 直接采样测量 (2) 点接触和穿刺（探针） (3) 落叶收集 LAI间接测量方法间接测量方法 利用光学仪器通过辐射传输测量计算LAI，目前可用的仪器包括： Li-Cor LAI-2000 Plant Canopy Analyzer CID Digital Plant Canopy Imager Decagon Sunfleck Ceptometer Demon TRAC 7.1 精准农业高光谱遥感

8、7.1 精准农业高光谱遥感 8 View factor Shaded Foliage Sky Sunlit Foliage LAI-2000 Hemispherical photograph 9 影响影响LAI仪器测量的两个主要因素：仪器测量的两个主要因素： 1. 叶面角度分布叶面角度分布 2. 叶面空间分布叶面空间分布 View Zenith Angle Gap fraction Open Forest Dense Forest 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 10 1）波段之间相关性统计）波段之间相关性统计 2）波段与作物参量间相关性统计）波段与作物参量间相关性统计

9、计算反射率光谱波段或其变换（导数、对数光谱等）与植被生 物物理或化学参量之间的相关系数。 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 11 3）多元统计回归方法）多元统计回归方法 逐步回归分析方法筛选出反射率光谱或其变换形式（如导数光 谱，对数光谱）与某个生物物理或生化参量相关密切的若干个波 段，建立统计回归方程，然后利用该方程对未知样本的参量进行预 测。 优点：简单易行，对实验室可控条件下测得的光谱进行应用时，一 般都能取得满意的结果 缺点：应用到野外测量数据或遥感图像上时，由于受大气、冠层几 何条件、冠层结构、土壤背景等因素的影响，所建立的回归方程往 往缺乏鲁棒性和普适性，即波段

10、选择对所使用的数据依赖性很强。 。 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 12 小麦全氮含量与冠层光谱反射率在不同时间的相关统计小麦全氮含量与冠层光谱反射率在不同时间的相关统计 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 350850135018502350 5/175/245/31 相 关 系 数 波长 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 13 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 350850135018502350 导数光谱与植株含水量的相关统计 (拔节期)导数光谱与植株含水量的相关统计

11、 (拔节期) -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 450550650750850950 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 14 化学统计光谱标定技术 （Chemometric Calibration Techniques） Follows Beers Law Linear regression-based models calculations using log 1/Reflectance Calibration Calibration Image Samples Model Spectra Develop Apply

12、7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 15 化学统计学模型建立化学统计学模型建立 Multiple Samples NIR Data Data Pre-Treatment Calibration SamplesValidation Samples Chemometric Analysis Calibration ModelModel Predictions Std. Method Analysis NIR Data Data Pre-Treatment Validate Differences Std. Method Analysis 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业

13、高光谱遥感 16 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 17 Fresh Leaf Calibration Band Positions 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 18 Fresh Vs. Dry Predicted Nitrogen 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 19 AVIRIS Nitrogen PLS Calibration 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 20 AVIRIS Predicted Vs. Actual Nitrogen 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 21 D

14、ry Leaf Band Depth Nitrogen Calibration 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 22 Band Depth Predicted Nitrogen Vs. Actual Nitrogen 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 23 缺点：缺点： 回归方程缺乏鲁棒性和扩展性。回归方程缺乏鲁棒性和扩展性。 模型受大气、土壤背景、作物种类、时间（成分和结构改 变）的影响很大。 模型受大气、土壤背景、作物种类、时间（成分和结构改 变）的影响很大。 使用条件：使用条件： 建模与应用同步。建模与应用同步。 7.1 精准农业高光谱遥感7.1

15、 精准农业高光谱遥感 24 1.8 6.5 以NDVI(dr745,dr699.2)为估算因子得到的小 汤山小麦田块叶片全氮分布图 指 导 定 点 精 确 施 肥 氮 肥 处 方 图 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 25 构建一个理想的植被指数要求：构建一个理想的植被指数要求：构建一个理想的植被指数要求：构建一个理想的植被指数要求： （1）对植被条件敏感：（1）对植被条件敏感： 覆盖度、水分、矿物质含量、健康状况、几何形态、覆盖度、水分、矿物质含量、健康状况、几何形态、 种植方式、叶片分布等；种植方式、叶片分布等； （2）对土壤亮度（2）对土壤亮度不敏感；不敏感； （3）

16、对土壤颜色（3）对土壤颜色不敏感；不敏感； （4）对大气与太阳照度（4）对大气与太阳照度变化不敏感；变化不敏感； （5）对植被周边环境（5）对植被周边环境变化不敏感；变化不敏感； （6）对遥感器视场（6）对遥感器视场等观测条件变化不敏感。等观测条件变化不敏感。 7.1 精准农业高光谱遥感7.1 精准农业高光谱遥感 26 第一类的VI 是基于独立波段的线性变换或比值；第一类的VI 是基于独立波段的线性变换或比值； 第二类VI是基于植被与太阳辐射、大气、土壤背景等相互作用的物理过程。第二类VI是基于植被与太阳辐射、大气、土壤背景等相互作用的物理过程。 第一类植被指数第一类植被指数 Index Abbreviation FormulaAuthor and Year Ratio Vegetation Index