一種豐度值可控的草地混合光譜獲取實驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種豐度值可控的草地混合光譜獲取實驗方法，其方法首先用“激光束干擾法”測定光譜儀探測器的視場形狀，然后在視場域范圍內(nèi)通過拼接草皮來人為構(gòu)造草地混合像元，模擬不同類型、不同混合比例以及不同拓撲位置分布的天然混合草地，獲得端元光譜及混合光譜數(shù)據(jù)，可應(yīng)用于草地遙感混合像元解混模型的建模及精度驗證。本發(fā)明克服了對天然草地進行解混研究時難以準(zhǔn)確獲取端元光譜和解混豐度值難以驗證的局限性，優(yōu)點在于草地混合光譜中各端元的豐度值是可控的，能夠獲取大量豐度值已知的混合光譜數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確地對各種混合光譜模型的解混精度進行驗證，方法可靠且有實用價值。
【專利說明】一種豐度值可控的草地混合光譜獲取實驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高光譜定量遙感應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是指一種豐度值可控的草地混合光譜獲取實驗方法，它用于草地混合像元分解模型建立和精度評價。
【背景技術(shù)】
[0002]草地類型的遙感監(jiān)測不可避免地存在同一像元內(nèi)不同草地類型并存的現(xiàn)象，如果不考慮混合像元問題必然會影響草地分類精度，進而影響草地初級生產(chǎn)力的估算精度，事實上，混合像元的分解也是定量遙感中必須解決的難點之一。多光譜圖像分類技術(shù)認為一個像素僅僅包含某一類地面目標(biāo)的信息，這種像素稱為純像素。但位于多類地物交界處的像元或紋理區(qū)域內(nèi)的像元，由于地物散射等因素的影響，一個像元往往包含有多類地面目標(biāo)的信息，這種像素稱為混合像元。傳統(tǒng)的分類方法對于較低精度要求的圖像處理可以滿足要求。而對于較高精度的遙感分析，如何有效地解譯混合像元是關(guān)鍵問題之一，也一直是遙感應(yīng)用研究的難點和熱點問題。
[0003]光譜解混模型主要分為線性模型和非線性模型。線性混合模型(Linear MixingModel, LMM)也是目前應(yīng)用最廣泛的光譜混合模型，其優(yōu)點是物理意義明確、構(gòu)模簡單。與線性模型相比，非線性混合模型的建立和求解都相對比較困難，因此基于非線性混合模型的光譜解混研究較少。目前研究者提出的幾種非線性解混模型主要有:高次多項式模型、幾何光學(xué)模型、概率模型、模糊模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。非線性模型中的高次多項式模型和幾何光學(xué)模型考慮了多次散射過程。
[0004]在混合像元分解的研究過程中，對各種混合像元分解模型進行科學(xué)驗證及評價，需要獲取高精度的端元光譜值和像元內(nèi)各端元豐度值真值，然而在實際操作時，由于空間分辨率等因素，很難從混合像元中準(zhǔn)確獲取高精度的端元光譜值，當(dāng)像元中地物類型較為復(fù)雜時，各端元豐度值真值的獲取也比較困難。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]基于上述已有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是公開一種豐度值可控的草地混合光譜獲取實驗方法。在本發(fā)明的實驗操作方法中，各種端元光譜獲取較方便，各端元豐度值和草地類別數(shù)是可控參數(shù)，端元的空間拓撲結(jié)構(gòu)也可以預(yù)先設(shè)定的，因此該方法能夠獲取大量的草地混合光譜數(shù)據(jù)，從而為光譜解混模型的構(gòu)建提供大量訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)(例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型)，并能很好地解決混合光譜分解模型驗證及評價的難題。
[0006]其具體步驟是(圖1):
[0007]I)地物光譜儀裸光纖視場形狀測定
[0008]地物光譜儀的視場形狀是混合光譜分解實驗設(shè)計中的一個關(guān)鍵因素，因此首先在室內(nèi)對儀器視場形狀進行測定，設(shè)計了一種“激光束干擾法”來測定光譜儀裸光纖的視場形狀，方法如下:
[0009](I)將一張上面畫有直徑為6cm、12cm和18cm同心圓的白色紙片置于暗室內(nèi)，用60W鹵素?zé)糇鳛楣庠磸?5度入射方向照射白色紙片；
[0010](2)固定裸光纖探頭的位置在垂直于同心圓圓心上方40.6cm的位置，測量并記錄在未加入干擾光源時白色紙片的DN值；
[0011](3)用5mW、波長標(biāo)定為630_680nm的紅色激光筆的作為干擾光源，分別照射于白色紙片上18cm圓的外側(cè)、18cm圓邊界內(nèi)側(cè)、12cm圓邊界處、6cm圓邊界處、圓心處；。在每個圓邊界上，取8個圓周等分點分別照射，觀察并記錄相應(yīng)的視場內(nèi)DN值，加入干擾光源前后視場內(nèi)DN值變化如圖2。
[0012]由DN值測量結(jié)果可以看出:當(dāng)激光筆照射在d=18cm圓外側(cè)的任意位置時,視場內(nèi)的DN值大小無變化；當(dāng)激光筆由d=18cm圓的邊界外側(cè)進入到邊界內(nèi)側(cè)時，視場內(nèi)的DN值在650nm附近的位置出現(xiàn)一個小的灰度峰值；當(dāng)激光筆由d=18cm圓邊界逐漸向d=12cm,d=6cm, d=0cm (圓心處)靠近的過程中，650nm附近的灰度峰值越來越大；灰度峰值的大小在每個圓周邊界上的任意位置均相等。由上述結(jié)果可以得出結(jié)論=ASD光譜儀裸光纖探頭視場為圓形的假設(shè)成立，視場的大小為hXtan ( Θ/2) (h為探頭高度，Θ為視場角)，在視場內(nèi)部能量呈放射狀分布，即在圓心處能量最強，在圓心至視場邊界處，能量呈逐漸減弱趨勢。
[0013]該視場測定方法可推廣至其它類型探測器視場形狀的測定，視場形狀也可假定為正方形、矩形等，其操作方法類似。
[0014]2)草地端元光譜的獲取
[0015]選擇2種(草的種類是可控參數(shù)，當(dāng)種類>2時，操作方法類似)人工種植草皮(蓋度、純度均大于99%)，分別切割成ImXlm的正方形，將儀器探頭對準(zhǔn)正方形草皮中心上方Im處，分別采集2種純種草皮的光譜作為端元光譜。
[0016]3)不同混合比例下混合草地光譜的采集
[0017]通過拼接純種草皮的方法來人為構(gòu)造混合像元，從而模擬天然的混合草地，獲取草地混合光譜。對2種ImX Im的人工草地沿著正方形的對角線和邊的中垂線進行切割，最終切割成8塊同樣大小的等腰直角三角形。將整個視場域等分為8份，將2種草皮分別按照不同的混合比例拼成一個ImX Im的正方形，正方形中心點與視場域中心點重合，將儀器探頭對準(zhǔn)正方形中心上方Im處，分別采集不同混合比例下的混合光譜。
[0018]4)相同混合比例不同拓撲結(jié)構(gòu)的草地混合光譜測量
[0019]由上述ASD光譜儀裸光纖探頭視場測定試驗可以看出，在整個視場內(nèi)部的不同位置能量分布是不同的，呈現(xiàn)由中心向四周逐漸減弱的趨勢，因此對混合比例一定時不同拓撲結(jié)構(gòu)的草地混合光譜進行了研究。設(shè)置兩種草皮面積比始終為1:1，但按照不同的拓撲位置關(guān)系進行擺放，分別獲取在不同拓撲結(jié)構(gòu)下的草地混合光譜。
[0020]本發(fā)明有如下有益效果:
[0021]I)該實驗設(shè)計方案能夠較為方便、準(zhǔn)確地獲取純光譜數(shù)據(jù)和混合光譜數(shù)據(jù)，并且豐度值是可控的，從而能夠驗證和評價各種混合像元分解模型的科學(xué)性和有效性，并能為一些光譜解混模型的構(gòu)建提供大量訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)(例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型)。
[0022]2)方法的適用性較高，不僅適用于草地的解混研究，也可適用于其他地物類型的解混研究以及地物覆蓋度提取的研究。【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1草地混合光譜獲取實驗流程圖。
[0024]圖2加入干擾光源前后視場內(nèi)DN值變化。
[0025]圖3草地混合光譜獲取實驗示意圖。
[0026]圖4草地混合比固定時的4種不同的拓撲關(guān)系。
【具體實施方式】
[0027]根據(jù)本發(fā)明對公共場所常見的一種草地類型——百慕大混播黑麥草草地類型進行了人工模擬和草地端元光譜、混合光譜數(shù)據(jù)的獲取。
[0028]詳述如下:
[0029]1)草地端元光譜的獲取
[0030]在室外，選擇晴朗無云天氣，儀器架設(shè)空曠場地。選擇百慕大和黑麥草2種人工草皮(蓋度、純度大于99%)，分別切割成ImX Im的正方形，將儀器探頭對準(zhǔn)正方形中心上方Im處，分別采集2種純種草皮的光譜作為端元光譜。
[0031]2)不同混合比例下混合草地光譜的采集
[0032]對2種ImX Im的人工草地沿著正方形的對角線和邊的中垂線進行切割，最終切割成8塊同樣大小的等腰直角三角形。將整個視場域等分為8份，將2種草皮分別按照不同的混合比例(1/8，2/8，…，7/8)拼成ImXlm的正方形，正方形中心點與視場域中心點重合，將儀器探頭對準(zhǔn)正方形中心上方Im處，分別采集不同混合比例下的混合光譜。圖3是草地混合光譜獲取實驗示意圖。
[0033]3)相同混合比例不同拓撲結(jié)構(gòu)的草地混合光譜測量
[0034]設(shè)置百慕大和黑麥草兩種草皮面積比始終為1:1，首先將草皮切割成不同的形狀，然后按圖4所示的四種拓撲位置分別進行草皮拼接，獲取在不同拓撲結(jié)構(gòu)下的草地混合光譜。
【權(quán)利要求】
1.一種豐度值可控的草地混合光譜獲取實驗方法，其特征在于包括如下步驟: 1)地物光譜儀裸光纖視場形狀測定 在室內(nèi)對儀器視場形狀進行測定，使用的光譜儀是美國ASD公司的野外便攜式地物波譜儀FieldSpec3，其波長范圍是350_2500nm，光譜采樣間隔為lnm，儀器自帶的裸光纖探頭視場角標(biāo)定為25。，采用“激光束干擾法”來測定光譜儀裸光纖的視場形狀，具體步驟如下: (1)將一張上面畫有直徑為6cm、12cm和18cm同心圓的白色紙片置于暗室內(nèi)，用60W齒素?zé)糇鳛楣庠磸?5度入射方向照射白色紙片； (2)固定裸光纖探頭的位置在垂直于同心圓圓心上方40.6cm的位置，測量并記錄在未加入干擾光源時白色紙片的DN值； (3)用5mW、波長標(biāo)定為630-680nm的紅色激光筆作為干擾光源，分別照射于白色紙片上18cm圓的外側(cè)、18cm圓邊界內(nèi)側(cè)、12cm圓邊界處、6cm圓邊界處、圓心處；在每個圓邊界上，取8個圓周等分點分別照射，觀察并記錄相應(yīng)的視場內(nèi)DN值；若激光筆照射在18cm圓外側(cè)的任意位置都不會使視場內(nèi)的DN值發(fā)生變化，而在激光束進入18cm圓的內(nèi)側(cè)以后視場內(nèi)的DN值發(fā)生了變化，則可證明視場為圓形的假設(shè)成立，否則假設(shè)不成立； 2)草地端元光譜的獲取 選擇2種蓋度、純度均大于99%的人工種植草皮，分別切割成ImX Im的正方形，將儀器探頭對準(zhǔn)正方形草皮中心上方Im處，分別采集2種純種草皮的光譜作為端元光譜； 3)不同混合比例下混合草地光譜的采集 通過拼接純種草皮的方法來人為構(gòu)造混合像元，從而模擬天然的混合草地，獲取草地混合光譜；對2種ImX Im的人工草地沿著正方形的對角線和邊的中垂線進行切割，最終切割成8塊同樣大小的等腰直角三角形；將整個視場域等分為8份，將2種草皮分別按照不同的混合比例，拼成ImX Im的正方形正方形中心點與視場域中心點重合，將儀器探頭對準(zhǔn)正方形中心上方Im處，分別采集不同混合比例下的混合光譜； 4)相同混合比例不同拓撲結(jié)構(gòu)的草地混合光譜測量 設(shè)置兩種草皮面積比始終為1:1，但按照不同的拓撲位置關(guān)系進行擺放，分別獲取在不同拓撲結(jié)構(gòu)下的草地混合光譜。
【文檔編號】G01N21/25GK103674247SQ201310590981
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】鞏彩蘭, 馬維維, 胡勇, 孟鵬, 江珊, 劉豐軼 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所