高分高光譜遙感技術在自然資源監測方面的應用研究

鄭志安 黃銘 黎勝

摘 要：自然資源調查監測，是適應新時代生態文明建設需要的一項重要舉措。通過充分運用高光譜遙感和信息化技術手段，以廣西欽州、北海、防城港三市為樣例，開展高分高光譜遙感技術在自然資源監測方面的應用研究，掌握自然資源類型、面積、范圍、分布、生態功能和變化等基本狀況，形成一套基于高分高光譜遙感技術的切實可行的自然資源監測工藝流程，為自然資源生態環境動態監測、預警、評估、治理等核心業務提供及時、準確、穩定的基礎地理信息服務，為生態文明建設、山水林田湖草保護與修復和自然資源管理提供數據基礎和技術支撐。

關鍵詞：高分高光譜遙感技術 自然資源監測 水資源動態監測 星-空-地遙感觀測網絡

中圖分類號：P237 文獻標識碼：A

Application of High-score Hyperspectral Remote Sensing Technology in Natural Resource Monitoring

——Takes Water Resources as an Example

ZHENG Zhian? HUANG Ming? LI Sheng

（Institute of Geographic Information Surveying and Mapping of Guangxi Zhuang Autonomous Region， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545006 China）

Abstract： Natural resource investigation and monitoring is an important measure to adapt to the needs of ecological civilization construction in the new era. By making full use of hyperspectral remote sensing and information technology means. Take Qinzhou， Beihai and Fangchenggang in Guangxi as an example， research on the application of high-score hyperspectroscopic remote sensing technology in natural resource monitoring. Master the basic conditions of the type， area， scope， distribution， ecological function and changes of natural resources， Form a set of feasible natural resource monitoring process based on high-score hyperspectral remote sensing technology. To provide timely， accurate and stable basic geographic information services for core businesses such as dynamic monitoring， early warning， assessment and management of natural resources， ecological and environment， It provides data foundation and technical support for the construction of ecological civilization， the protection and restoration of mountains， rivers， forests， fields， lakes and grass， and natural resources management.

Key Words： High score hyperspectral remote sensing technology; Natural resources monitoring; Water resources dynamic monitoring; Star-air-ground remote sensing observation network

自然資源主要包括土地、礦產、森林、草原、水、濕地、海域海島等天然存在、自然形成的資源，涵蓋陸地和海洋、地上和地下。如何對這些資源進行監管，是承載著生態文明建設和自然資源綜合管理的關鍵[1]。

利用高分高光譜遙感技術開展自然資源調查與監測，查清我國各類自然資源家底和變化情況，為科學編制國土空間規劃，逐步實現山水林田湖草的整體保護、系統修復和綜合治理，保障國家生態安全提供基礎支撐，為實現國家治理體系和治理能力現代化提供服務保障。[2]

高分高光譜遙感技術，是利用狹窄連續的光譜波段對地物持續遙感，獲取豐富的空間、輻射和光譜三重信息，分辨率高，辨識能力強，通過不同光譜信息識別不同地物，定性、定量分析地物類型、范圍、構成成分等信息，實現精細識別與分類，是一種自然資源監測的重要手段，為自然資源、生態環境、農業農村等部門提供應用服務。

1.研究目標

廣西擁有大面積海洋和內陸水體，綜合考慮廣西實際，優先選取具有代表性的廣西欽州、北海、防城港三市為試點，以自然資源中水資源及水環境為研究目標，開展高分高光譜遙感技術在自然資源監測方面的應用研究，對沿海城市自然水資源及水環境進行監測，探討一套切實可行的自然資源監測工藝流程，依托星-空-地遙感觀測網絡中衛星高分影像數據、無人機高光譜遙感數據和地面實測光譜數據，分析廣西沿海流域水體的構成、元素分布和變化情況、水體分布情況包括是否污染情況，形成廣西沿海自然資源水資源及水環境監測及分析報告。FCE1E930-55DF-4897-9A20-3CF537BEE25E

2.實施方案

高分高光譜遙感監測，主要利用星-空-地遙感觀測網絡，包括星載平臺、空載平臺、地面平臺，從工作內容上又分外業數據獲取與采集、內業數據處理與反演計算。外業工作是通過星-空-地遙感觀測網絡，從衛星、無人機和地面光譜儀獲取多尺度高光譜數據，內業工作主要是數據處理、自然資源對應的光譜模型構建、通過模型反演計算定性與定量自然資源元素，獲取自然資源的數量、質量、結構、生態功能等信息，形成自然資源分析報告及變化監測報告。

2.1數據獲取與采集

（1）廣西沿海三市欽江、南流江、防城江流域與海面相通，受潮起潮落影響大，水體元素含量變化速度較快，如發生污染泄漏等問題，非常容易造成重大影響。首先分析與整理已有高分影像數據和地理、地形、地質，以及氣象、水文資料，結合野外實地勘察情況，設計無人機飛行航線、航高、航帶，布設地面監測與樣本采集點位，確定監測水體的PH值、透明度、溶解氧、懸浮物、化學需氧量（COD）、總磷（P）和氨氮（NH3-N）等參數，完成前期準備工作[3]。

（2）然后以星-空-地觀測網絡協同觀測，通過同步或準同步的獲取星載、機載和地面的高光譜數據。其中，航天衛星遙感可實現大范圍、高分辨率影像數據的定期覆蓋，目前在軌運行的國產公益性遙感衛星達到18顆，能夠支持周期性的調查監測。通過衛星高光譜平臺獲取多維度、多層次、高頻率的遙感影像，實現對水體區域的全面覆蓋。用于內陸水體監測中的衛星遙感數據主要為地球資源衛星和海洋水色衛星數據。為保證星、空、地不同尺度下獲取數據的準同步性，數據獲取過程遵循時間優先原則，盡可能保證衛星成像時間與無人機數據采集時間及地面樣點光譜儀數據采樣時間在同一時間范圍內。若同一時間范圍內，存在多幅高光譜影像可供選擇，盡量選取晴朗無云的天氣狀況下的影像，以減少大氣效應的影響。

（3）無人機航空遙感平臺具有快捷機動的特點，可以支撐局域的精細調查與動態監測。無人機高光譜具有光譜波段多、光譜分辨率高和“圖譜合一”的優勢，以大疆多旋翼無人機三軸可控云臺搭載輕型高光譜傳感器，按照設定的航線飛行采集，獲取區域范圍內水資源和水環境的高空間分辨率高光譜影像，提取不同水體參數的屬性信息和空間分布特征，并進行數據預處理與數據導出等工作。

（4）地面高光譜采集平臺主要利用便攜式地物光譜儀實測地物光譜信息，提取水體參數對應敏感光譜波段特征，進行高精度的遙感影像定標。在水域范圍內利用光譜儀使用傾斜角度觀測方式依次采集監測樣本點，記錄每個采樣點的光譜曲線編號，以及風速、溫度、濕度等信息，并對每個采樣點的環境進行拍照。

2.2數據處理與反演計算

（1）考慮衛星傳感器本身的響應特性、大氣散射和吸收、太陽光照條件、地物本身的反射或發射特性等多種因素，需要對星載高光譜數據進行輻射定標、質量改善、幾何校正、大氣校正等預處理。采用多波段匹配與全變分相結合的方法去除條帶噪聲，用移動窗口均值濾波的方法清除散粒噪聲清除死像元缺失現象，用信噪比、圖像畸變量等評價指標對影像質量進行定量分析，剔除質量改善后仍噪聲問題嚴重的部分波段影像。由于飛行器的姿態、高度、速度以及地球自轉等因素影響，圖像產生幾何畸變，發生擠壓、扭曲、拉伸和偏移，采用多項式、最小二乘法原理進行幾何糾正，采用6S模型進行星載高光譜遙感影像大氣校正。

（2）無人機遙感平臺系統因受載荷、成本、安全性、靈活性等限制，無法裝載高精度的導航系統和平衡控制系統，需要通過輻射校正、幾何校正、影像鑲嵌拼接等預處理，有效提高數據精度[4]。利用高光譜相機定標參數對原始影像進行輻射定標，將輻射定標后的影像轉為反射率，無人機集成GPS和高光譜相機集成的IMU的信息記錄相機的位置和姿態信息，基于相機的參數和區域DEM數據逐條帶對原始影像進行幾何校正，無人機影像經過特征點提取匹配、單應矩陣估計和光束法平差，通過CPU+GPU異構計算處理模式自動快速拼接，獲得正射影像。

（3）地面水體光譜數據采集平臺采用觀測幾何模型，避開太陽直射反射和白帽的影響，通過移動平均、中值、低通濾波、濾波、小波去噪等方法對光譜數據預處理及轉換，消除各種噪音的影響并突出目標光譜的某些細微差別。采用數值分析與文獻歸納相結合的方法，剔除水體吸收波段數據噪聲影響。采用人機智能交互的方式選取光譜信息的特征波段，精確識別各水體參數的光譜特征波段。

（4）以星-空-地觀測網絡立體獲取各尺度高光譜遙感數據后，通過實驗樣本光譜曲線和實地采樣點水體參數濃度和反射率光譜曲線，結合星載和無人機平臺獲取的高光譜遙感影像中采樣點像元光譜信息，進行光譜特性協同分析，采用競爭性自適應重加權算法，提取和篩選特征波段，精確識別敏感波段，然后光譜特性參量化，對高光譜曲線特征進行定量表達，用數值化的形式來描述反射率隨波長的變化特征[5]。基于神經網絡深度學習、遺傳算法、支持向量機等人工智能算法，進行水體要素遙感反演模型構建，采樣點光譜利用競爭性自適應重加權算法（CARS）、偏最小二乘回歸（PLSR）方法，集主成分分析、典型相關分析和多元線性回歸分析于一身，選取最優反演模模型，進行水質參數反演計算與實地驗證和精度分析。

2.3監測成果分析與評價

通過外業的數據獲取采集和內業進行高光譜數據處理，形成符合要求的數據成果，采用協同分析數據的方式，綜合利用高光譜影像與光譜特性曲線的信息，以2/3地面采樣點作為校準集，1/3采樣點作為驗證集，分別構建水體元素pH值、透明度、溶解氧、懸浮物、化學需氧量（COD）、總磷（P）和氨氮（NH3-N）以及水體重金屬的反演模型，經過模型定性評價與定量推演計算水體元素含量與空間分布特征，實現精確識別與分類，形成水資源及其水環境分布情況，分析水體中元素遷移特征和影響范圍，利用多時相高光譜遙感數據進行水資源的變化監測，形成水資源變化監測報告[6]。

3.結語

常用的監測方法主要以物理-化學的手段采集樣本數據，通過化學、生物方法分析進行評定與預估，無法獲得大面積整體范圍的自然資源的元素含量分布。采用星-空-地高分高光譜遙感技術手段對自然資源（以水資源為例）進行監測，能夠大面積、周期較短、宏觀性強，并且長期動態監測，是一套切實可行的基于高分高光譜遙感技術的自然資源監測工藝流程，能夠分析與監測自然資源類型、面積、范圍、分布、生態功能和變化等基本狀況，可為自然資源環境動態監測、預警、評估、治理等核心業務提供及時、準確、穩定的空間信息服務，為生態環境監測和綜合治理提供決策輔助信息，特別是利用無人機靈活機動、實時性強獨特優點可輔助相關部門實現快速應急響應，有效支撐政府部門的宏觀決策，保障自然資源安全，促進自然資源利用合理規劃，強化生態環境保護與污染有效治理，促使自然資源和經濟社會可持續發展，具有重大的經濟、社會及生態效益。

參考文獻

[1]王廣華，陳軍，蔣文彪，等.自然資源部構建統一的自然資源調查監測體系工作推進情況新聞發布會[C/OL].（2020-09-14）[2021-11-10].自然資源部網站http：//www.mnr.gov.cn/dt/zb/2020/diaocha/.

[2]自然資源調查監測體系構建總體方案[Z].2020.

[3]黃良.高光譜遙感圖像高精度分類方法研究[D].長春：中國科學院大學（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所），2021.

[4]王歆暉，鞏彩蘭，胡勇，等.水質參數遙感反演光譜特征構建與敏感性分析[J].光譜學與光譜分析，2021，41（6）：1880-1885.

[5]葉珍，白璘，何明一.高光譜圖像空譜特征提取綜述[J].中國圖象圖形學報，2021，26（8）：1737-1763.

[6]臧傳凱，沈芳，楊正東.基于無人機高光譜遙感的河湖水環境探測[J].自然資源遙感，2021，33（3）：45-53.

作者簡介：鄭志安（1988—），男，本科，工程師，主要從事地理信息、自然資源調查與監測、國土空間規劃、智慧城市等技術應用研究工作。FCE1E930-55DF-4897-9A20-3CF537BEE25E