一、引 言

遙感技術具有高效率、低成本、大面積、多時相獲取地表信息等優(yōu)點，是區(qū)域地質調查尤其是在低植被覆蓋的基巖裸露區(qū)地質調查中的主要技術手段。然而，在南方高植被覆蓋區(qū)域，高大茂密的植被遮掩了大部分地質信息，遙感地質工作人員只能依靠間接解譯標志來粗略劃分地質體。隨著高光譜成像技術的發(fā)展和成熟，其更加寬廣的光譜范圍和更加精準的光譜區(qū)分能力為遙感數(shù)據(jù)在高植被覆蓋區(qū)域地質調查中的應用帶來了新的方向。

二、研究區(qū)概況及技術路線

2.1 研究區(qū)概況

雷州市西部的唐家鎮(zhèn)一帶，此區(qū)域的地貌以沖洪積臺地、熔巖臺地及低丘陵為主，地勢相對平坦。受植被覆蓋影響，大部分研究區(qū)無法直接通過顏色、影紋、形態(tài)等直接解譯標志來進行地層解譯。

另外，在上述地層中，曲界組、桂洲組可由高程及地勢等間接解譯標志來進行劃分；而湛江組與石茆嶺組地層地表出露的多為其風化殘積土，受顏色相近、土體性質相似等因素的影響，這兩類地層在被植被覆蓋后無法通過多光譜影像來進行有效區(qū)分。基于此，本研究嘗試引入高光譜遙感技術來精準識別和劃分湛江組與石茆嶺組兩套地層。

2.2 技術路線

本研究采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地物光譜數(shù)據(jù)相結合的形式，建立了天地一體化聯(lián)系：首先通過分析地物光譜儀測得的地面表觀反射率數(shù)據(jù)，選取可區(qū)分上述兩套地層的特征譜段；其次對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行預處理和特征提取，并建立其與地面表觀反射率曲線之間的聯(lián)系；最后基于特征譜段的差異來劃分目標地物?？傮w技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

（1）地物光譜數(shù)據(jù)采集。在多個地點使用地物光譜儀采集了裸露的石茆嶺組風化土及湛江組風化土的地面表觀反射率數(shù)據(jù)，以便分析其特征譜段。

（2）高光譜數(shù)據(jù)的獲取及預處理。在選取合適的高光譜數(shù)據(jù)后，通過輻射定標、大氣校正、噪聲分離等步驟還原了地物真實的表觀反射率。

（3）高光譜遙感特征提取。在完成高光譜數(shù)據(jù)的預處理后，依次采取光譜一階導數(shù)、包絡線去除、端元光譜選取等步驟提取了地物的特征譜段，并將其與地物光譜儀采集數(shù)據(jù)進行對比，旨在精準區(qū)分目標地物。

三、地物光譜儀采集與分析

使用地物光譜儀分別對不同地區(qū)的湛江組及石茆嶺組地層進行多次采樣，采樣時間為10時至15時。該時間段陽光充足，自然光峰值能量高，波形完整。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，這兩類地層在紅外波段（波長761nm附近）處有明顯區(qū)別（見圖2）。另外，石茆嶺組玄武巖紅色風化土的光譜曲線在波長761nm處存在一個反射峰，而湛江組風化土在波長757～767nm處可見一個吸收峰。

圖2 湛江組及石茆嶺組地層風化土的地物光譜圖

四、高光譜影像處理及特征提取

本研究采用的實驗數(shù)據(jù)來自高光譜成像儀。

（一）預處理

高光譜由于波段通道較窄，獲取的光能量較低。在這種情況下，圖譜較易受到噪聲的影響，特征提取、光譜解混、目標探測以及精細分類等也將受到較大影響。因此，統(tǒng)一對高光譜數(shù)據(jù)進行噪聲分離處理。例如，對高光譜成像儀部分波段圖像中明顯的周期性條帶噪聲，有針對性地進行了去除。處理后，圖譜中的周期性條帶噪聲明顯減少。

（二）特征提取

1.光譜一階導數(shù)

通過計算光譜微分值得到了地物光譜的局部極大值、極小值以及拐點的具體位置，有效去除了傳感器和大氣的影響。對處理后的影像數(shù)據(jù)進行一階導數(shù)處理，并突出光譜曲線在761nm附近的吸收峰（一階導數(shù)由負至正的0值附近）和反射峰（一階導數(shù)由正至負的0值附近），詳情如圖3所示。

圖3吸收峰和反射峰光譜一階導數(shù)曲線圖

2.包絡線去除

對地物光譜進行歸一化處理的目的是，突出地物光譜的吸收和反射特征。該特征在包絡線去除后更為顯著，可用于光譜特征譜段選擇和參量分析。

3.端元光譜選取

高光譜影像中每一個像元的光譜曲線都可以看作是該像元所對應的地表物質的光譜信號。在本研究中，筆者采用像元純度指數(shù)算法選取了端元光譜，旨在尋找由單一地物組成的像元。

四、結果對比

基于以上工作，對高光譜數(shù)據(jù)進行區(qū)分，獲得了光譜曲線761nm附近有峰值表現(xiàn)的像元，同時確認該像元為石茆嶺組玄武巖風化土。在圈定由高光譜反演確定的石茆嶺組玄武巖紅色風化土后，將調查結果在地質圖中進行標注（見圖4）。

圖4 已標注調查結果的地質圖

另外，與實際情況相比，高光譜數(shù)據(jù)反演結果的分布范圍更為廣泛，目標地物識別準確率約為64%。

五、結論

本研究運用高光譜遙感數(shù)據(jù)與地物光譜儀測得表觀反射率數(shù)據(jù)，通過對比分析真實表觀反射率數(shù)據(jù)，進一步明確了目標地物的特征頻譜，以及目標地物在特定光譜區(qū)間的區(qū)別。建立了衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地面真實表觀反射率數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，并運用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行反演，對研究區(qū)內兩組無法從多光譜數(shù)據(jù)層面進行區(qū)分的地層進行了準確識別和劃分。

本研究結果表明，反演結果與區(qū)域地質調查結果基本一致，但劃分范圍略大于實際分布范圍。本研究驗證了高光譜數(shù)據(jù)應用于區(qū)域地質調查工作的可行性——其豐富的光譜維度信息為有效識別高植被覆蓋區(qū)地物提供了可能性。然而，反演的多解性導致其劃分準確度低于傳統(tǒng)遙感解譯方法。因此建議，研究人員在使用多光譜數(shù)據(jù)對特征和間接標志明顯的地層進行一次劃分后，再通過高光譜數(shù)據(jù)進行不同地層的二次劃分。

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審核編輯 黃宇