高光谱遥感技术的发展及其在农业上的应用

收稿日期: 2009- 01- 30 作者简介: 王为 ( 1980- ), 男, 江苏泗阳人, 博士, 主要从事作物分子育种与种质资源创新以及信息农业研究。
24
江 西 农业 学 报wenku.baidu.com
21 卷
制的高光谱卫星, 它由先进陆地成像仪、高光谱成像仪和 大气校正仪三个基本遥感系统组成。美国轨道图像公司 研制的新一代 O rbview - 4是国际上完全以商业运行为 目标的高光谱卫星, 它是高光谱和高空间分辨率相结合 的卫星, 除了保留 O rbview - 3型的全色 1 m、多光谱 4 m 的空间分辨率外, 还将在 0. 4~ 2. 5 m 光谱范围内获取 200多个波段的高光谱遥感图像 [6] 。
高光谱遥感技术的兴起是遥感技术在 20 世纪最大 成就之一。随着计算机软件、数据分析方法、特别是传感 器技术水平的提高, 高光谱遥感技术将会得到更加积极 的发展和应用。
2 高光谱遥感在农业上的应用
高光谱遥感在农业中的应用, 主要表现在快速、精 确地进行作物生长信息的提取、作物长势监测、作物胁迫 监测、估算植被 (作物 )初级生产力与生物量、估算光能 利用率和蒸散量以及作物品质遥感监测预报。从而相应 调整投入物资的投入量, 达到减少浪费, 增加产量, 改善 品质, 保护农业资源和环境质量的目的。高光谱遥感凭 借其极高的光谱分辨率为精细农业的发展提供了技术保 障和数据来源。 2. 1 作物生长信息的提取 作物生产中, 准确、迅速、经 济地判断作物氮营养状况, 进而确定氮肥需要量, 对提高 作物的实时精确施肥具有重要意义。近年来, 随着相关 领域科技水平的不断提高, 氮素营养诊断的测试技术正 由传统的实验室常规测试向田间直接无损测试方向发 展; 同时测试水平正由定性或半定量的手工测试向精确 定量的智能化方向发展。目前, 针对作物氮素诊断的智 能化无损测试技术已成为国内外研究的热点, 其中较成 熟的技术方法主要有便携式叶绿素仪法和遥感系统中应 用的高分辨率多光谱近地测量技术。这两项技术都是基 于当作物氮素发生变化时, 其光谱反射特性发生改变的 基础上, 但在具体的应用中两者又有所不同。相对于传 统的低光谱分辨率遥感 (通常指光谱分辨率在 0. 1 m 以上 )而言, 高光谱分辨率遥感 ( 光谱分辨率在 0. 1 m 以下 )数据最主要的特点就是成像通道数量的增加和成 像波段的变窄。从而使植被遥感的监测目标发生了很大 的变化, 获取子像元 (最终光谱单元信息 )的能力得到提 高, 使得遥感应用着重于在光谱维上进行空间信息展开, 定量分析地球表层生物物理化学过程和参数 [6~ 7] 。通过 高光谱遥感植被指数技术可以提取植被冠层结构定量信 息。蒲瑞良等 [ 8] 用小型机载成像光谱仪 ( CAS I)测得的 航空高光谱分辨率数据 (光谱范围约 417~ 800 nm )估计 森林族叶化学成分浓度, 最后用导数光谱的多项式逐步 回归方程进行分析。对于总叶绿素, 最佳的 R2 值来自二 阶微分光谱的三项式回归方程 ( R2 = 0. 944), 此方程包 含的中心波长分别为 748、507 和 735 nm, 而对于全氮的 最 佳 R2 值来 自 一 阶 微 分 光谱 的 三 项 式 方 程 ( R2 =
的光谱特征, 并且有些在宽波段遥感中不可探测的物质, 在高光谱遥感中能被探测。因此在地物探测和环境监测 研究中, 利用高光谱 遥感数据, 可采用 确定性方法 (模 型 ), 而不像宽波段遥感采用的统计方法 [ 4] 。高光谱遥 感技术是连接遥感数据处理、地面测量、光谱模型和应用 的强有力工具, 其显著特点是在特定光谱区域以高光谱 分辨率同时获取连续的地物光谱图像, 其超多波段信息 使得根据混合 光谱模型进行混合象元 分解获取 子象 元 或 最终光谱单元 信息的能力得到提高, 从而使得 遥感应用着重于在光谱维上进行空间信息展开, 定量分 析地球表层生物物理化学过程和参数 [ 6]。 1. 2 高光谱遥感技术的发展 1983 年, 第一幅由航空 成像光谱仪 ( A IS - 1) 获取的高光谱分辨率图像以全新 的面貌呈现在科学界面前, 它的正式出现标志着第一代 高光谱分辨率传感器面世。第一代成像光谱仪以 A IS 1和 A IS- 2为代表。在以后几年中, A IS数据被成功地 应用在多个地学研究邻域, 这类高光谱分辨率数据由于 二维固体阵列探测器宽度 (每行像元数 )非常有限, 但它 确实开创了高光谱和高空间分辨率兼有、光谱和图像合 一的高光谱遥感技术的新时代[ 4] 。第二代高光谱成像 仪于 1987年问世, 美国宇航局从 1983年开始研制一种 叫做航空可见光 /成像光谱仪 ( AV IR IS ), 它是第二代成 像光谱仪的代表。与 A IS传感器相比, AV IR IS 在传感器 本身、定标、数据系统及飞行高度等方面都有很大的改 进 [ 4] 。 1999年底反射成功的 EO - 1卫星是 NA SA 戈达 得飞行中心、麻省理工林肯实验室和 TRW 公司合作研
的影响, 近红外波段反射率则由叶片水分状况起决定作 用, 不同的植物、同一作物的不同生育时期, 以及同一作 物的不同健康状况, 其光谱反射特性均不一样。因此研 究作物不同生长条件下的光谱特性与这些生理指标的关 系, 就可以实时的监测作物的长势和进行苗情诊断, 从而 科学地指导农事活动。高光谱遥感以其超多波段、光谱 分辨率高等特点被用来反演叶子各组分含量, 监测作物 的生长状况 [ 13]。
王延颐 [ 14] 用美制的 EXOTECH 100A 四通道光谱仪 在试验田分析了水稻各生育期 ( 分蘖盛期、穗分化期、齐 穗期、灌浆期及乳熟期 ) 在一些特征太阳光谱波段 ( 400、 500、670、800、900 nm ) 反射波谱特征, 结论是: 稻田光谱 与水稻长势的相关性较好, 在水稻灌浆期, 稻田光谱与水 稻理论产量的相关性也较好, 尤其是 800 nm 的反射光谱 值。实验也已经证明用高光谱分辨率数据能够估计叶子 化学成分 [ 15] 。浦瑞良和宫鹏使用多元统计和光谱导数 技术评价小型机载成像光谱仪 ( CAS l)数据用于估计冠 层生化浓度 (总叶绿索、全氮和全磷 ) 的潜力和效率 [ 8]。 Peterson 等运用航空成像光谱仪 ( A IS )对森林冠层中氮 和木质素含量进行了监测 [ 16] 。为了探索植物叶片氮素 遥感诊断的可能性, 20 世纪 70年代以来有关科学家就 进行了大量的基础研究, 寻找氮素的敏感波段及其反射 率在不同氮素水平下的表现。研究发现许多植物在缺氮 时无论是叶片还是植物冠层水平的可见光波段反射率都 有增加, 对氮含量变化最敏感的波段在 530 ~ 560 nm 区 域 [ 16~ 19] 。冯伟 [20]通过分析小麦叶片糖氮比与冠层高光 谱参数的定量关系, 确立小麦叶片糖氮比的定量监测模 型, 与传统的破坏性取样及实验室化学分析方法相比, 该 研究为小麦叶片糖氮比的定量分析提供了一种无损、快 速的技术途径, 同时也拓展了作物生理参数遥感监测的 研究领域。研究结果对于小麦植株生长特征及碳氮代谢 参数的实时监测和精确诊断具有重要意义, 为遥感技术
关键词: 高光谱; 遥感技术; 农业; 应用 中图分类号: TP79 文献标识码: A 文章编号: 1001- 8581( 2009) 05- 0023- 04
R eview on D evelopment and App lication of H yperspectral R emote Sensing in Agricu lture
0. 933), 中心波长分别为 780、764和 566 nm。结果表明: 使用光谱方式的 CAS I数据及 NDV I值提取植被信息, 结 合光谱微分技术能明显地改善森林族叶化学成分的估算 精度。吴长山等 [ 9, 10] 分析了水稻、玉米多时相的群体以 及叶片光谱特征与叶绿素密度 (单位面积农作物的叶绿 素含量, 等于叶绿素含量与鲜叶生物量的乘积 )的关系, 得出这几种农作物的导数光谱在近红外波段 762 nm 处 与叶绿素密度具有高度相关性。王柯 [ 11] 等的实验数据 表明 540、680和 740 ~ 1070 nm 的光谱数据在水稻所有 的生长阶段都与叶片氮浓度相关显著。 2. 2 作物长势监测 作物的反射光谱特征主要由叶片 中的叶肉细胞、叶绿素、水分含量和其他生物化学组分对 光线的吸收和反射形成的, 受叶色、叶片结构及水分状 况、叶片的生理生化性质、植株形态及长势长相等因素的 影响 [ 12] 。可见光波段反射率主要受叶绿素等各种色素
W ANG W e i ( Ag ricu ltural Science Institute of Coasta lR eg ion o f Jiangsu, Y ancheng 224002, Ch ina) Abstract: The paper gave a rev iew on the deve lopm ent and current s ituation of hype rspectral rem ote sens ing techno logy, and in troduced itsm a in app lica tions in ag ricu lture such as de tec ting the vegetation g row th state, estim ating b iochem ica l characteristic param e ters and the productiv ity of crops and so on. K ey words: H yperspectra;l R em ote sensing technology; Ag ricu lture; A pplication
遥感是 20世纪 60年代发展起来的对地观测综合性 技术, 是指应用探测仪器, 不与探测目标相接触, 从远处 把目标的电磁波特性记录下来, 通过分析, 揭示出物体的 特征性质及其变化的综合性探测技术 [ 1]。经过几十年 的发展, 无论在遥感平台、遥感传感器、还是遥感信息处 理、遥感应用等方面, 都获得了飞速的发展, 目前遥感正 进入一个以高光 谱遥感技术、微波遥 感技术为主 的时 代 [ 2~ 3]。高光谱遥感图像由于其高光谱分辨率的特点正 在受到国内外的广泛关注。从地面遥感传感器到测视雷 达, 从田间养分速测仪到星载的成像光谱仪, 遥感技术在 农业领域的应用已有了很大进展, 同时取得了巨大的经 济效益和社会效益。本文就高光谱遥感技术的产生、发 展及其在农业上的应用进行一个介绍和阐述, 以期给相 关科研人员提供一点参考。
江西农业学报 2009, 21( 5): 23~ 26 A cta Ag ricu lturae Jiangx i
高光谱遥感技术的发展及其在农业上的应用
王为
(江苏沿海地区农业科学研究所, 江苏 盐城 224002 )
摘 要: 概述了高光谱遥感技术的产生和发展以及应用现 状, 并介绍了高 光谱遥感在作物长 势监测、生化参 数估算以及 作物估产等农业领域上的应用。
1 高光谱遥感技术的产生与发展
1. 1 高光谱遥感技术的产生 高光谱遥感即高光谱分 辨率遥感 ( H yperspectral R em ote S ens ing), 是指利用很多 很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据, 它的 基础是测谱学 ( Spectroscopy) [4] 。高光谱遥感技术主要 特点是波段多、光谱分辨率高、空间分辨率较高、邻波段 的相关性高, 数据冗余大。经国际遥感界的共识, 光谱分 辨率在 10- 1 数量级范围的称为多光谱 ( M u ltispectral), 这样的遥感器在可见光和近红外光谱区只有几个波段; 而光谱 分辨率 在 10- 2 的遥 感信 息称 之为 高光 谱遥 感 [ 5] 。高光谱遥感与常规遥感数据的主要区别在于它 能获取观测各种地物的连续光谱信息, 并借此定义特殊