1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)場位于北京市大興區(qū)(N: 39°39'2. 56″，E: 116°34'33.10″)，長 40 m，寬 20 m。在實(shí)驗(yàn)場分別設(shè)計(jì) 8 個(gè)草地、大豆實(shí)驗(yàn)小區(qū)，各有四個(gè)天然氣脅迫區(qū)和對照區(qū)，實(shí)驗(yàn)小區(qū)大小為 2. 5 m × 2. 5 m，各小區(qū)間隔為 0. 5 m，天然氣泄漏點(diǎn)位于中心位置，泄漏速率為1 L·min^－1.  

1.2 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

冠層數(shù)據(jù)測量儀器為光譜儀，其光譜范圍為 350 ～ 2 500 nm，共 1 024 個(gè)波段，光纖視場角為 25°。選擇天氣晴朗時(shí)進(jìn)行野外實(shí)地采集，時(shí)間為北京時(shí)間10:00—14:00，第一次數(shù)據(jù)采集日期為 2016 年 8 月 26 日。每個(gè)測區(qū)沿著東西軸線均勻布設(shè) 4 個(gè)測量點(diǎn)，在每個(gè)小區(qū)測量光譜之前用標(biāo)準(zhǔn)板校正光譜儀，垂直測量距離為 1 m。冠層數(shù)據(jù)采用 5點(diǎn)平滑法進(jìn)行平滑處理，如式(1)

式(1)中，Ｒi為第 i 波段的反射率值，Ｒ平滑為每個(gè)波段平滑后的反射率值。

圖 1 數(shù)據(jù)采集與實(shí)驗(yàn)

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

1. 3. 1 一階微分處理

植被光譜一階微分處理可以有效消除或減弱土壤背景的影響，突出植被光譜曲線上相關(guān)的生化方面的細(xì)微變化，更有利于反映植被差異特征。

式(2)中，f(Ｒi)為第 i 波段的光譜反射率，為 f'(Ｒi)波長的一階微分值，ΔＲ 為 Ｒi + 1到 Ｒi的間隔。

1. 3. 2 連續(xù)小波變換處理

連續(xù)小波變換(CWT) 處理光譜曲線后可以增強(qiáng)光譜吸收特征信息，通過一個(gè)小波基函數(shù)將光譜曲線在不同尺度上轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的小波系數(shù)，如式(3)和式(4)

式(3)和式(4) 中，f(t) 為光譜反射率數(shù)據(jù); t 為光譜波段;φa，b(t)為小波基函數(shù); a 為尺度因子，b 為平移因子。

1. 3. 3 J-M 距離

J-M 距離具有收斂性，其判別標(biāo)準(zhǔn)如下，通常用 J2ij來表達(dá)，當(dāng) 0 ＜ J2ij≤1. 0 時(shí)，類別之間無可分性; 當(dāng) 1. 0 ＜ J2ij≤1. 8時(shí)，類別之間有一定可分性，但也有部分重疊; 當(dāng) 1. 8 ＜ J2ij≤2. 0 時(shí)，類別間具有很好的可分性，可用式(5)和式(6)表示。

式(6)中，σi和 σj為相應(yīng)的矩陣樣本協(xié)方差; μi和 μj分別為類別 i 和 j 的樣本平均向量。

1.4 選用的植被指數(shù)

根據(jù)前人研究結(jié)果，選擇了部分植被指數(shù)并與本研究設(shè)計(jì)的指數(shù)進(jìn)行對比分析。

表 1 高光譜指數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 冠層數(shù)據(jù)分析

草地在天然氣泄漏脅迫 11 天后，可見光范圍內(nèi)(380 ～760 nm) 反射率差異較小，近紅外范圍內(nèi)(760 ～ 900 nm) 反射率降低。從圖 2 可以看出，隨著脅迫持續(xù)，可見光范圍內(nèi)反射率逐漸增大，近紅外范圍內(nèi)反射率降低，但脅迫組和對照組的差距在減小。大豆在受天然氣泄漏脅迫 11 天后可見光范圍內(nèi)反射率沒有變化，近紅外范圍內(nèi)反射率稍微減小，隨脅迫持續(xù)進(jìn)行，可見光范圍內(nèi)反射率仍沒有顯著差異，而近紅外范圍內(nèi)差異在增大。天然氣泄漏脅迫使草地和大豆的光譜曲線發(fā)生了變化，但是不同植被的光譜曲線變化具有差異性。從圖 2 中可以看出，脅迫第 22 天時(shí)，冠層光譜一階微分處理后，草地脅迫組出現(xiàn)輕微的紅邊藍(lán)移現(xiàn)象，紅邊藍(lán)移達(dá)9 nm，但是大豆的脅迫組并未出現(xiàn)明顯的紅邊藍(lán)移現(xiàn)象。在整個(gè)生育期都具有上述規(guī)律。

2.2 小波能量系數(shù)分析

選擇的小波基函數(shù)為 Bior1. 3(雙正交樣條)，分解尺度為 21，22，23，24，25，26共六個(gè)尺度，用 Matlab Ｒ2014a 軟件對草地和大豆冠層光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分和 CWT 處理，將每條處理后的光譜曲線分解成上述尺度小波系數(shù)。分解尺度小，包含的細(xì)微信息多，則不利于敏感波段選擇; 分解尺度大，包含的細(xì)微信息少，信息量損失較多，同樣不利于選擇敏感波段。因此通過分析不同尺度的小波系數(shù)圖發(fā)現(xiàn)在 700～ 770 nm 內(nèi)，尺度 22和 23有多處峰值和谷值，表明在不同波段位置對照組和實(shí)驗(yàn)組具有差異性，且變化劇烈，穩(wěn)定性較差; 尺度24和 25有較少的峰值和谷值，尺度25曲線過于平滑，信息損失量過大，因此選擇尺度 24進(jìn)行敏感波段分析，如圖 3 所示。對照組與實(shí)驗(yàn)組的一階小波能量系數(shù)進(jìn)行差值分析，從圖 3 中可見，草地對照組與實(shí)驗(yàn)組在 685，718和 745 nm 附近差異較大; 大豆對照組與實(shí)驗(yàn)組在 685，700，715，745 和 765 nm 處有較大差異，綜合草地和大豆的多期實(shí)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn) 685 和 715 nm 處的差值規(guī)律具有一定的穩(wěn)定性，因此選擇 685 和 715 nm 作為敏感波段來檢測天然氣然氣泄漏脅迫下的草地和大豆，從而構(gòu)建 DW 指數(shù): DW685－ DW715) /(DW685+ DW715)。

圖 2 9 月 30 日草地( a) 和大豆( b) 冠層光譜反射率，9 月 19 日草地( c) 和大豆( d) 一階微分?jǐn)?shù)據(jù)

圖 3 草地( a) 和大豆( b) 小波能量系數(shù)和實(shí)驗(yàn)組與對照組的能量系數(shù)差值( c)

2.3 歸一化能量系數(shù)指數(shù)分析

設(shè)計(jì)歸一化指數(shù) DW 與 PＲI，NDVI，NPCI，D725/ D702等四個(gè)指數(shù)進(jìn)行定性與定量地比較分析，并用 JM 距離定量地比較對照組與實(shí)驗(yàn)組之間的可分性。從表 2 中可見，草地 PＲI，NDVI 和 NPCI 從脅迫第 33 天開始，對照組與實(shí)驗(yàn)組之間的 J-M 距離大于 1. 8，而構(gòu)建的DW 指數(shù)與 D725/ D702從脅迫第 22 天開始就可以穩(wěn)定地識(shí)別天然氣脅迫下的草地。大豆 PＲI，NDVI，NPCI 和 D725/ D702在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期內(nèi) J-M 距離都小于 1. 8，而 DW 指數(shù)從脅迫第 22天開始就可以很好地識(shí)別天然氣脅迫下的大豆，且D725/ D702指數(shù)并不具備識(shí)別大豆的能力，因此 DW 指數(shù)更具有普適性。PＲI，NDVI，NPCI 和D725/ D702指數(shù)在脅迫 33 天后均能夠識(shí)別天然氣泄漏脅迫下的草地，而無法識(shí)別脅迫大豆，說明草地對天然氣泄漏脅迫的敏感性高于大豆。PＲI，NDVI，NPCI 和 D725/ D702指數(shù)不能同時(shí)識(shí)別天然氣脅迫下的草地和大豆，對不同植被缺乏穩(wěn)定性，而 DW 指數(shù)可以穩(wěn)定地識(shí)別天然氣脅迫下的草地和大豆，具有一定的普適性。

圖 4 實(shí)驗(yàn)組和對照組不同高光譜指數(shù)對比圖

表 2 草地和大豆不同高光譜指數(shù) J-M 距離

3 結(jié) 論

通過野外模擬天然氣地下儲(chǔ)氣庫或管道微泄漏對地表植被的脅迫實(shí)驗(yàn)，分析植被光譜變化特征，構(gòu)建微泄漏點(diǎn)識(shí)別模型，主要得出以下結(jié)論:

(1) 天然氣微泄漏脅迫下的草地與大豆冠層光譜與對照組相比，在可見光區(qū)域變化不一致，但在近紅外區(qū)域都降低了。

(2) 在一階微分處理基礎(chǔ)上對光譜進(jìn)行連續(xù)小波變換，通過小波能量系數(shù)發(fā)現(xiàn) 685 和 715 nm 是區(qū)分對照組與脅迫組的敏感波段。

(3) 通過 J-M 距離檢驗(yàn)，結(jié)果表明 DW 指數(shù)在天然氣微泄漏脅迫發(fā)生 22 天后，可以穩(wěn)健地區(qū)分健康與脅迫的草地與大豆，而 PＲI，NDVI，NPCI，D725/ D702指數(shù)僅能夠在脅迫33 天后識(shí)別健康與脅迫草地，則在整個(gè)生育期無法準(zhǔn)確地識(shí)別健康與脅迫大豆。DW 指數(shù)既可以早于其他指數(shù)識(shí)別天然氣微泄漏下脅迫下的植被，又能夠同時(shí)識(shí)別脅迫草地與大豆，具有一定的普適性與魯棒性。因此利用高光譜通過植被的光譜曲線變化來檢測天然氣泄漏點(diǎn)的方法有可行性; 但本實(shí)驗(yàn)僅選擇兩種植被，還需通過更多植被來進(jìn)行檢驗(yàn)與驗(yàn)證。

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