基于植被冠层光谱测量的天空光特征分析开题报告

全文总字数：2527字

1. 研究目的与意义

目的：成像光谱仪进行林木冠层扫描成像，其成像角度的可在0-360度之间变化，而对于冠层光谱特征而言，不同角度的光谱特征呈现显著差异。通过不同角度高光谱图像特征与其对应的冠层光谱特征分析，为进行冠层不同角度成像图谱特征合一奠定基础

意义：由于航空高光谱影像通常只能对一个很大范围内的冠层进行监测和分析，而本课题利用近地面成像光谱仪和地物波谱仪可以实现对单木个体进行研究，从而得到所感兴趣单木冠层的光谱信息。再利用这些光谱信息进行综合分析，为获得单木真正的冠层光谱特征做基础

2. 国内外研究现状分析

自然界绝大部分的物体均具有各向异性的反射特性，其反射率不仅与传感器的位置有关而且还与入射光源位置有关，一般称之为二向性反射。由植被的结构特征和光谱特征计算植被brdf，是遥感的正向问题。研究者从不同角度计算brdf，并逐渐形成了brdf，研究的几大流派。研究得较为全面深入的是物理模型，主要有辐射传输rt (radiative-transfer)、几何光学c30 (c3eometrio-0ptioal)和计算机模拟(computer-simulation模型，它们具有明确的物理意义，代表了brdf，模型研究的主流方向，如sa儿模型、李一strahler模型、kimes的3d模型等。经验模型使用参数较少，其表达式较为简单，在实际工作中有一定的应用，如walthall模型。半经验模型兼具两者的特点，具有一定的物理意义和较简洁的表达式，如roujean模型、verstraete模型，以及w anner的核驱动模型。遥感的本质是反演，通过反演算法g建立植被结构{bi}与{ri}、{ai}、{ci}、{di}、{ei}的关系即:{bi}=g(ri,ai,ci,di,ei)，并进而确定光谱半球反射率及辐射吸收量、光合作用吸收率等。总的来看，植被冠层的反演有两种方案:一是通过多角度遥感信息进行反演;二是用光谱信息进行反演。一般多光谱信息反演使用星下点的数据，由于近年对全球范围变化的关心，实际上使用的遥感数据如avhrr却是多角度数据。

在非成像地物光谱仪与高光谱成像仪的研究与应用过程中，前人利用传统的非成像地物光谱仪asd 在作物的冠层和叶片尺度进行了大量的研究。王纪华等利用地物光谱仪asd 采集冬小麦冠层光谱信息，对小麦氮素垂直分布状况进行研究；宋开山等对大豆叶绿素含量高光谱反演模型进行了研究；zhang 等对水稻叶片的光谱信息进行收集，研究不同氮肥处理下叶片的反射光谱以及构建水稻氮素高光谱反演模型。以上都是地物光谱仪asd 在近地农业研究中的成果。近年来，航空高光谱遥感发展迅速，国内外学者利用其可成像、高光谱分辨率的特点对大面积作物的养分、品质、产量以及病虫害胁迫下的生长状况进行了监测研究；但是因其空间分辨率的限制，仅能对作物冠层群体长势信息进行分析评价，无法对作物的结构和中下层的营养分布情况进行深入探测；此外，航空遥感监测的成本比较高，这些都限制了它的进一步发展。

高光谱数据虽然为我们提供了许多的空间信息、光谱信息，但是如何提取出有用信息、降低数据的冗余就成了新问题。针对这一问题，可以通过光谱特征提取的方法来解决。光谱特征提取的目的是为了提取出光谱中蕴含的区别于其它光谱的信息。高光谱数据端元提取算法是理解、分析、处理、使用高光谱数据的前提条件。在这方面目前己经有很多成熟的方法。boardman创造性的提出了利用凸面几何学分析的方法提取图像端元的早期构想，并于kruse, green在一起发展了纯像元指数提取端元的算法。winter提出的n-findr算法，它通过求凸面单形体的最大体积来获得端元。另外还有迭代误差分析法、定点成分分析法、最大距离法、单形体体积法等被广泛应用的算法。除此之外craig等提出了最小体积变换的方法，bateson等提出了人机交互提取端元的方法，roberts等提出了多端元光谱混合分析法。在国内，李德仁院士提出了利用空间对象和像素两个学习尺度从空问数据中归纳学习影像知识的数据挖掘方法。赵春宇等探讨了应用粗集理论提取影像特征的可能性和基于数学形态学的遥感图像聚类方法。马吉平等结合高光谱数据的特点，从分类和识别的角度，提出了针对高维成像光谱数据的改进主分量变换(principal component transformation, pct)特征提取算法。杜培军等面向高光谱遥感数据的特点，将光谱特征划分为点、面和体等三个尺度的特征；基于特征属性与算法原理，构建了光谱曲线特征、光潜变换特征和光谱度量特征三个层次的高光谱遥感光谱特征体系，并对光谱特征提取与应用进行子深入探讨。耿修瑞^]基于地物光潜特征的形成机理，提出了一种基于光谱重排的特征提取方法。路威深入研究了面向小目标探测的高光谱影像特征提取技术，提出了基于快速独立成份分析（fica）、实码遗传优化投影寻踪(rcgapp)和一维多分辨率小波分析的小目标特征提取方法。

3. 研究的基本内容与计划

1．研究内容

(1)制定明确的实验方案。包括实验目的、实验步骤、实验数据分析、实验注意事项等。

(2)野外数据获取。利用近地面成像光谱仪和地物波谱仪获得不同角度的单木冠层的高光谱图像和冠层光谱图像。

4. 研究创新点

依据多角度高光谱成像与单木冠层光谱特征进行综合分析。由于不同角度单木冠层的光谱特征呈现显著性差异，可利用近地面成像光谱仪和地物波谱仪获得不同角度单木冠层的高光谱图像和冠层光谱特征，再将这些光谱信息进行综合分析得到真正单木冠层的光谱特征。