无人机高光谱的植被冠层热点效应探索

0  引言        

        辐射和地表结构之间的相互作用有一个基本的性质，那就是遥感观测视场中观测到的辐射会随着光源与观测者之间几何位置关系的变化而变化。这种变化依赖于地表类型及其结构，所以有效地分析这种变化可以为通过遥感监测制图和监测地表结构提供一种方法和手段。在光照和观测几何位置发生变化时，就会产生热点效应。当沿着太阳方向观测时看不到阴影，整个视场都是亮的，这时观测到的辐射达到最大，在双向反射率曲线上出现一个峰值，这就是“热点”。“热点”效应的强度和性质随着观测和光照位置改变，可以提供冠层结构的重要信息。

        最早在植被双向反射研究中考虑“热点”效应的是Suits，虽然他引入的订正公式是经验性的。Gerstl等提出了一个模拟作物群体“热点“效应的线性模式，并用“热点”区域的光谱资料进行作物类型鉴别。Myneni等对“热点”现象进行了实验研究。Ross等利用MonteCarlo方法对“热点”效应进行了数值模拟并获得了一些有价值的结果。覃文汉的长方形模型假定所有长方形叶片均为水平取向，按照几何光学理论，定义其重叠函数，并分别给出了主平面、主锥面及内插法求非主平面和非主锥面情形的解析结果。为了改进长方形模型中叶片为水平取向的不合理假设，覃文汉1994年提出了任意取向植被组分冠层“热点”系数解析计算的混合模型。尽管这种混合模型给出了计算重叠面积的近似解析表达，比长方形模型更准确，但是它把任意倾向的叶片投影到水平和竖直2个方向，必然带来和Suits模型相同的缺陷，如在拐点处产生“V”形现象，而不是光滑曲线。1997年Nadine Gobron建立了叶片空间分布和几何结构性质都用统计分布描述的辐射传输模型，将单次散射、多次散射分开考虑。2012年杨晓月等通过地面观测草地多平面多角度光谱反射率和叶面积指数数据，计算不同植被指数，分析不同观测平面和角度下植被指数与叶面积指数的相关性，建立遥感反演模型。于颖等对3种植被冠层BRDF模型一DART模型、4SCALE模型和MGEOSAIL模型，模拟了不同郁闭度样地在红光、近红外波段各个观测角度下的场景反射率，并比较分析了不同BRDF模型的适用性和局限性。结果表明这3种模型在模拟近红外波段的场景反射率时，均存在“碗边”效应。

        目前国内外研究学者针对热点效应的研究甚少，而且都是基于地面尺度，也就是基于地物光谱仪，利用量角器根据不同的角度利用地物光谱仪探头获取地物的光谱信息，从而根据不同的角度信息反演出地物叶子大小和形状、树冠大小，以及低叶面积指数的冠层高度等冠层结构参数。然而却没有研究者利用无人机平台，搭载成像高光谱仪，根据云台转动不同的角度，从而获取不同角度的地物信息，并根据太阳高度角调整成像光谱仪角度，快速获取地物的成像光谱信息，通过成像，更能准确地分析植物冠层的热点效应。

1  设备平台

        由四川双利合谱科技有限公司自主研发的无人机高光谱成像系统平台GaiaSky-mini，利用其独有的发明**技术，使无人机飞行到一定的高度，悬停在空中，利用云台旋转到与太阳光照方向一样的角度，然后运用高光谱成像仪内置推扫的方式快速获取该角度下地物的成像光谱信息（在正常的光照条件下，10秒以内可获取一景高光谱影像信息，100m高度下，对应的地面面积约是43m*43m），下图为无人机高光谱成像系统在空中旋转角度拍摄地物热点效应的照片及该系统的参数。

图1 太阳高度角下拍摄地物冠层热点信息

表1  GaiaSky-mini 400-1000nm范围的参数

2   热点效应探索

      下图为四川双利合谱科技有限公司的无人机高光谱成像系统在300m高空下获取的地物冠层热点成像数据，从图中可知，在热点效应下，植被冠层光照强度最强，亮度最亮，无阴影，可用于分析植被的冠层结构，如叶面积指数、树高、树冠大小等信息。

图2  GaiaSky-mini2-VN 拍摄植物冠层的热点效应

       通常在遥感观测方向与太阳光线入射同向的后向散射区域存在冠层的反射率峰值，我们称之为“热点”，因此与之相对的在观测方向与太阳辐射入射相对的前向散射区域的反射率最弱点则称之为“暗点”，热点和暗点包含了植被的叶片聚集信息。以小麦为例，分紧凑型和披散型，我们分别分析这两种类型的小麦在红光区域和近红外区域在不同角度的反射率值的变化，以670nm和800nm为例，如下图所示。

图3  两种类型小麦在红光区域不同角度下的光谱反射率值变化

图4  两种类型小麦在近红外区域不同角度下的光谱反射率值变化

        由图中看出两种株型小麦在后向散射区域存在热点效应，并且红光波段的热点效应比近红外波段更显著。红光波段紧凑型和披散型小麦的热点分别在后向散射区域20°附近和50°附近，近红外波段紧凑型和披散型小麦的热点角度大致在后向40°附近50°附近。这是由于红光波段小麦植株叶绿素的强吸收增强了该波段的各向异性，而近红外波段叶片多重散射效应增强，降低了植被在该波段的各向异性。另一方面，紧凑型小麦叶片主要集中在植株中上层，披散型小麦植株的上中下层均有叶片。且叶片披散程度比紧凑型小麦大，同一时期观侧视场内不同株型小麦的植株信息和土壤信息比例不同。       

3  总结

        植被的热点效应可以反映冠层的结构特征，用户可利用多角度冠层数据，针对不同的应用场景构建不同的反演模型，结合热点、暗点以及常规植被指数，从而提高反演植被冠层大小、LAI、树高等模型的精度。根据小编在目前论文集的搜索，无人机高光谱拍摄植被冠层热点，目前国内外还未有人发表过相关论文，本文只是做了一个粗浅的报告，更多的信息还需要各位科研工作者去深入研究、深入探索、深入挖掘。如需要了解更多内容，可直接与双利合谱联系沟通,谢谢!