基于TM和MODIS的滇中云南松反射光谱特征分析

蔡健玲，朱大明，陈 璐



基于TM和MODIS的滇中云南松反射光谱特征分析

蔡健玲，朱大明，陈 璐

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

本文利用ArcGIS、ERDAS以及ENVI软件，以林业调查获取的2007年云南松样地一类清查结果为基础数据，基于多源遥感数据，TM和MODIS数据等，对滇中地区优势树种云南松，进行不同郁闭度等级和坡向的植被指数特征、林学特征及光谱特征提取、分析和研究，为丰富植被遥感光谱研究提供了较大的参考，具有一定意义的现实价值。

TM；MODIS；云南松；光谱特征

0 引言

遥感技术具有远距离监测，大尺度和时效性等特征，近年来，随着林业3S技术的广泛应用，森林植被遥感成为了林业研究树种特征的重要手段和基础。目前，国内外很多学者对地表植被的光谱特征做了大量研究和探讨并取得了丰硕的成果[1-3]，但对于滇中地区云南松，尤其是对滇中云南松林反射光谱特征分郁闭度和坡向的研究甚少，对西南地区森林植被及树种光谱的测定和分析，对亚热带主要植被类型及每一类内各树种间的光谱特征分析相对匮乏。本文以滇中（昆明市、楚雄彝族自治州、玉溪 市）为研究区，提取和绘制不同郁闭度等级和坡向下的云南松反射波谱曲线，结合实测数据进行结果分析和验证波谱曲线，探讨云南松反射光谱的特征及其规律，为当地人、地协调发展，地区森林生态效益改善，林业部门管理和决策提供科学依据。

1 研究内容

主要包括以下4个方面：（1）数据预处理，云南松林样地信息提取；（2）基于LandsatTM数据的反射光谱特征分析；（3）基于MODISL1B数据的反射光谱特征分析；（4）基于Hyperion高光谱和ASD实测数据的反射光谱特征分析。

技术流程如下所示：

2 光谱特征分析

2.1 基于LandsatTM数据的反射光谱特征分析

2.1.1 不同郁闭度等级的反射光谱特征

综合分析TM影像6个波段上云南松的光谱反射率，计算每个波段的云南松光谱反射率的平均值，分不同郁闭度等级进行统计和分析，并绘制成云南松反射光谱曲线，如表1。

表1 TM影像不同郁闭度下云南松光谱反射率

Tab.1 Spectral reflectance of Yunnan pine under different canopy density

由表1和图2可以看出，从整体上看，云南松的反射光谱曲线具有两个较为明显的吸收谷、一个微弱的反射峰和一个明显的反射峰。

对比分析不同郁闭度下云南松反射光谱曲线可以发现：

（1）在可见光区域内，云南松郁闭度越高，对应的植被光谱反射率值就越小，云南松反射越弱，吸收作用越强；

图2 云南松反射光谱曲线

（2）在红光波段附近，植被的反射率值呈现出相同程度的上升趋势，且郁闭度为密和中的区间内，云南松的光谱反射率值相等，且均比疏的区间对应的反射率值大；

（3）在短波红外波段区间，受到水分和土壤影响，随着郁闭度值增加，郁闭度较密的区域的云南松的光谱反射率值越小，疏、中、密三个郁闭度等级的云南松反射率值在近红外附近最大，反射作用最强，处于植物的防御高温辐射和降温状态。

利用单波段NDVI影像端元值和反射波段影像的反射率端元值两者之间二维散点图，分析植被指数和单波段的关系，验证云南松郁闭度大小对云南松光谱反射率的影响。如图3所示。

NDVI可以用来直观反映地面植被的覆盖程度。据森林郁闭度的定义，郁闭度是用来反映树冠的密闭程度，两者之间呈现正相关的关系[4]。从图3可看出，随着植被覆盖度的上升，地物的反射率值呈现出下降的趋势，说明郁闭度越高，植被的反射率值越小。

2.1.2 不同坡向的反射光谱特征

从TM影像上提取出6个波段，分阴阳坡两个坡向来计算和统计每个波段的反射率平均值，并建立中心波长值与光谱反射率值对应关系，生成阴阳坡两条反射光谱曲线。

分析表2和图4可以看出整体上云南松阴坡的光谱反射率值与阳坡相同，但在可见光波段部分，阳坡的光谱反射率值较阴坡高。从单波段角度分析可看出：

（1）在蓝绿光波段附近：阴阳坡的云南松光谱反射值均小于0.10，在正常健康植被的反射率值变化范围内，说明研究区云南松长势良好。

（2）在绿光波段附近：波长在0.569mm范围，云南松光谱反射率值较蓝绿光波段大，处于光谱曲线上第一个反射峰，由于TM影像成像为北半球的春夏两季，植被生长状态良好，阳坡受到太阳辐射较强，光照时间长，云南松为喜阳树种，此波段波长附近植被能强烈吸收蓝光和红光，但对绿光产生强烈的反射作用，此时阳坡的反射率值较阴坡大。

表2 TM影像不同坡向下云南松光谱反射率

Tab.2 TM image spectral reflectance of different slopes of Yunnan pine

图4 云南松阴阳坡反射光谱曲线

（3）红光波段附近：出现正常绿色植被的吸收谷，为植物典型的强吸收阶段。

（4）由红光向近红外波段过渡区域：植被光谱反射率值显现出直线式增长，且阴阳坡增长程度相同，但阳坡反射率值仍大于阴坡，处于太阳辐射急剧增强阶段，云南松在此波段上变现出最为明显的高反射峰。

（5）在短波红外波段附近：受到土壤和水分的双重影响，尤其是水分对太阳辐射影响，植物的光谱反射率值呈现出下降趋势，但反射率值比可见光区间大，这在一定程度上既防止短波波段太阳辐射过于集中带来的叶片的高温上升过度，又避免了近红外波段高反射带来的降温过度引起的自身温度过低，保证植物的正常生长。

2.2 基于MODISL1B数据的反射光谱特征分析

2.2.1 不同郁闭度等级的反射光谱特征

将250 m和500 m分辨率的MODIS影像重采样为分辨率为1000 m的影像，按照中心波长大小重新排列，按照MODIS数据的光谱分辨率大小筛选出适合的波段，并按照不同郁闭度等级分别提取出对应云南松样点的单波段的反射率平均值进行分析，如表3所示。

表3 1000 m分辨率影像不同郁闭度等级光谱反射率

从表3可以看出:

1）可见光区：波段有9个，其中前四个为蓝光波段，其间云南松光谱反射率值变动微小，band1至band15的四个波段为红光波段，红光区波幅为0.620~0.760mm，在蓝光区内和红光区出现明显的吸收谷，是云南松叶子中所含的叶绿素、叶黄素、类胡萝卜素、花青素等成分吸收造成的；band11和band4为绿光波段，此间绿光区波幅为0.500~ 0.560mm，出现了弱的反射峰，是红光和蓝光波段的强吸收使得绿光的反射突起所致；

2）近红外区：band16和band19为近红外波段，有一个反射率较高的区域；

3）短波红外区：受到叶子中叶绿素含量影响波长，在1.400mm处有一吸收谷，1.400~1.600mm处云南松的反射光谱曲线迅速回升，处于短波红外1波段（1.600mm）附近出现小的反射峰，波长在1.600~2.400mm附近反射光谱曲线再次回跌，主要原因是受到植被中水分和叶绿素含量的影响。

图5 不同郁闭度等级云南松反射光谱曲线

从图5可知，在可见光部分，不同郁闭度等级的云南松反射率值几乎相等，在近红外波长区间开始出现差异，波长在0.900mm附近云南松的反射率值达到最大为0.34，在近红外和短波红外部分，从整体趋势上看，随着郁闭度值的增加，植被的光谱反射率值逐渐降低，但趋势并不明显。

2.2.2 不同坡向的反射光谱特征

分阴阳坡两个不同坡向，分别提取1000 m分辨率的MODIS影像对应的云南松样点的光谱反射率平均值进行分析，如表4所示。

表4 1000 m分辨率影像不同郁闭度等级光谱反射率

Tab.4 1000 m resolution image with different canopy degree spectral reflectance

由表4和图6分析可知，分阴阳坡从1000 m分辨率下的MODIS影像中提取的云南松的光谱反射率值较500m的效果更佳。

图6 不同坡向云南松反射光谱曲线

2.3 基于Hyperion高光谱和ASD实测数据的反射光谱特征分析

2.3.1 Hyperion高光谱特征分析

提取出hyperion高光谱得到其光谱曲线如图7所示。

图7 基于hyperion高光谱的云南松反射光谱曲线

2.3.2 ASD实测数据的反射光谱特征分析

提取出筛选后合适的ASD实测光谱的平均光谱曲线，并对提取出来的影像进行平滑处理得到最后的光谱曲线，光谱平滑能有效减少噪声，微分光谱在一定程度上能较好减少土壤背景和植被覆盖度影响，对于植被光谱识别具有提高精度的效果[5]。实测光谱曲线如图8所示。

ASD光谱仪实测光谱波长范围为0.35~ 2.500mm，一般健康的绿色植物在0.38~0.50mm为蓝光波段，而在0.50~0.60mm绿光波段的中点0.55mm左右位置，形成了一个反射率小峰值。在0.60~0.76mm红光波段，刚开始的反射率非常低，到了0.65mm波段值附近达到了一个低谷，之后又慢慢上升，到了0.70~0.75mm处反射率陡峭上升，到了1.00mm附近时达到反射率的最高峰值[6]。

图8 实测光谱曲线

3 多源数据反射光谱特征对比

实测云南松反射光谱特征与绿色植物有效光谱响应特征大致相同，但在反射率值上又有所不同。如图9所示。

图9 绿色植物有效光谱响应特征

对于绿色植物来说，色素决定可见光波段的光谱反射率，细胞结构决定近红外的光谱反射率，水汽则是决定短波红外的光谱反射率特征。在此基础上结合野外实测数据和高光谱Hyperion数据进一步进行定量化分析，对上述基于TM和MODIS影像提取出的反射率结果进行结果验证[7]。

1）对比分析hyperion数据和实测数据的光谱在0.300~2.500mm范围内的反射光谱特征：

从光谱分辨率和获取得到的光谱曲线可以看出，Hyperion传感器所获取的影像的光谱反射率与植被在地面的实测光谱值并非完全一样，利用Hyperion数据提取得到的光谱反射率数值大小相差较大，但其变化趋势大体一致，定量提取地面光谱时，需要注意光谱数据差异，进行归一化处理并建立其实测和高光谱反射率值的和对应模型[8]。

图10 对比光谱曲线

2）对比分析TM和MODIS(1000 m)数据和实测数据的反射光谱特征：

图12 多源数据对比光谱曲线（阴阳坡）

由图11和图12，从曲线值大小对比来看，郁闭度相对坡向对云南松的影响更大，随着郁闭度增大，TM和MODIS影像提取出结果均显示增大趋势，但从坡向上来看，阴阳坡坡向对于研究区云南松反射率值影响较小，TM显示阳坡大于阴坡，而MODIS达到的结论正好相反[9-11]。

4 结语

通过对研究区，基于实测光谱、高光谱数据、TM和MODIS多光谱数据，分不同郁闭度等级和不同的阴阳坡坡向类型来提取和分析云南松样地的反射光谱特征得出结论为：

忽略受太阳入射方向及仪器观测方向的控制方面因素，云南松的光谱还受着细胞结构、叶面结构、色素含量、叶片分布、株高、叶面积指数和土壤背景等因素的影响，尤其其反射光谱特性主要是叶绿素、细胞结构和所含水分对太阳光的响应,具有明显而独特的规律。

研究区云南松在主要分布在1600~2000 m海拔上；坡向主要分布在阳坡，属于阳性树种，但阴坡郁闭度越高，成熟林分布较阴坡多，林分单位蓄积大于阳坡；坡度分布在斜坡、缓坡、陡坡，数值上对应为7~34°；在不同的郁闭度，分不同的坡向分析研究区云南松光谱反射率、植被指数上分布规律。

通过上述分析，得出以下结论：在可见光波段上，云南松主要分布光谱反射率值为：0.09~0.10、0.03~0.05、0.03~0.05、0.06~0.08、0.07~0.08、0.02~ 0.04上。

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The Characteristic Analysis of Yunnan Pine Reflection Spectrum Based on TM and MODIS

CAI Jian-ling, ZHU Da-ming, CHEN Lu

(College of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650093)

Based on ArcGIS, ERDAS and ENVI software, in order to forestry investigation for 2007 yunnan pine sample to a class of inventory results on the basis of the data, based on multi-source remote sensing data, the TM and MODIS data, etc., in yunnan region advantage and yunnan pine tree to carry on the different level of crown density and slope to the characteristics of vegetation index, forestry characteristics and spectral feature extraction, analysis and research, as the rich vegetation spectral remote sensing research provides a great reference, has a certain meaning of real value.

TM; MODIS; Yunnan pine; Spectral features

P237

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.027

蔡健玲(1993-)，女，研究生，主要研究方向：3s集成与应用；朱大明(1970-)，男，副教授，主要研究方向：3S集成，土地规划。

蔡健玲，朱大明，陈璐. 基于TM和MODIS的滇中云南松反射光谱特征分析[J]. 软件，2018，39（11）：120-125