河北师范资环学院用SOC710高光谱成像仪进行草地退化特征波段识别

草地生态系统对发展畜牧业、保持水土和维持生态平衡有重要作用，实时、准确地监测草地的退化具有重要意义。高光谱遥感能够大幅度提高草地退化进程中植被结构退化的识别精度，为草原退化研究开辟新领域。利用高光谱遥感技术进行植被结构退化鉴别时，特征波段的选择和提取至关重要。

所选取的观测对象为河北坝上地区退化指示种和主要优势物种，通过野外实地调查，选择的退化指示种为狼毒、冷蒿和星毛陵菜，主要优势种为苔草和羊草，这2种植物在研究区属于广布性植物。

所选仪器为美国SOC公司开发的产品SOC710VP便携式可见光/近红外高光谱成像仪，该仪器的光谱范围为可见光到近红外光的400-1000nm共有128个波段，光谱分辨率为4.68nm，使用SOC710配套软件SRAnap710预处理软件做数据定标处理，并使用ENVI软件进行数据处理分析。

特征波段选择是从原始集合中选出特征子集，能够有效描述光谱的特征信息并实现降维。波段i的取值为373-1033nm，所有波段的光谱反射率均值置信区间构成了光谱反射率的均值置信区间带。基于光谱反射率均值置信区间带提取特征波段的原理如图1所示。

图1 草地植被类型最佳鉴别波段选择

由图1可知，在波段区间[a,b]和[c,d]内，2类植被的光谱反射率均值置信区间带是重叠的，不适合进行植被识别。通过剔除反射率均值置信区间带重叠的部分，筛选出最佳的植被识别波段，以达到降维目的并实现特征波段的选择。

        基于均值置信区间带的特征波段的5种植被原始光谱曲线的对比结果如图2-4所示。

图2 狼毒-苔草-羊草原始光谱曲线的置信区间带

图3 冷蒿-苔草-羊草原始光谱曲线的置信区间带

图4 星毛委陵菜-苔草-羊草原始光谱曲线的置信区间带

由图2-4可知，狼毒的特征波段为402-412nm；冷蒿的特征波段为627-689、715-929和929-1033nm；星毛委陵的特征波段为705-721nm。可知狼毒的特征波段位于可见光波谱范围内，可能与狼毒植株高大、叶片面积大和叶绿素含量高有关；星毛委陵菜的特征波段位于“红边”位置，可能与植被生长期和植被生长状况有关；冷蒿的反射率总体趋势与苔草、羊草相比差距

较大，其特征波段在可见光波段、“红边”位置和近红外波段都有涉及，可能与冷蒿表面附有绒毛，降低了叶绿素的反射特征，因而容易与其他植被区分开来有关。

        基于对数光谱曲线退化指示植物的特征波段的5种植被的对数光谱曲线如图5-7所示。

图5 狼毒-苔草-羊草对数光谱曲线置信区间带

图6 冷蒿-苔草-羊草对数光谱曲线的置信区间带

图7 星毛委陵菜-苔草-羊草对数光谱曲线的置信区间带

        由图5-7可知，狼毒、冷蒿和星毛委陵菜分别与苔草、羊草对比，位于550nm处的反射峰、420nm处的蓝谷和670nm处的红谷的宽度和深度均增加，物种间反射光谱曲线的差异特征更加明显，更利于特征波段的识别。将退化指示种和主要优势物种对数光谱曲线与原始光谱曲线相比较，其特征波段的提取结果基本一致。基于均值置信区间带的对数光谱分析结果显示，狼毒的特征波段为402-412nm、冷蒿的特征波段为611-689、758-924和940-1038nm，星毛委陵菜的特征波段为705-721nm。
        采用Manhattan距离法评价筛选特征波段对退化指示种与主要优势物种的识别效果，以退化指示种狼毒、冷蒿和星毛委菜分别与2中主要优势物种苔草和羊草组合，共5组，分别用检验样方进行Manhattan距离的检验，结果见表1所示。

比较同种植被的Manhattan距离值与异种植被的Manhattan距离值发现，无论哪种植被为实验样本或检验样本，同种植被的Manhattan距离值显著小于异种植被的Manhattan距离值。冷蒿与苔草的Manhattan距离、冷蒿与羊草的Manhattan距离和冷蒿与冷蒿的Manhattan距离值较狼毒和星毛委陵菜与苔草、羊草的Manhattan距离相比较较大，说明冷蒿和苔草、羊草植被类型差异大，易于区分识别。