地表裸露碳酸鹽巖組分比例遙感估算研究
——以云南建水縣為例

謝相建

1. 東華理工大學測繪工程學院，江西 南昌 330013； 2. 江西省數(shù)字國土重點實驗室，江西 南昌 330013

裸露碳酸鹽巖是石漠化景觀最明顯的表征，巖溶地區(qū)地表裸露碳酸鹽巖組分比例(fraction of exposed carbonate rock，F(xiàn)ECR)的估算是評價該地區(qū)石漠化程度的基礎(chǔ)工作，同時也為區(qū)域資源開發(fā)利用、環(huán)境監(jiān)測和氣候變化的研究提供有力的數(shù)據(jù)支持。由于受到高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取成本和中低分辨率遙感FECR估算方法的限制，當前大范圍FECR的遙感獲取方法仍以中低分辨率的多光譜影像定性分類為主，缺乏亞像元尺度的FECR定量估算研究，然而，巖溶區(qū)地表覆蓋高度異質(zhì)，光譜混合效應(yīng)非常明顯。因此，本文利用中低空間分辨率遙感技術(shù)，對巖溶區(qū)FECR估算的理論和方法展開研究。

本文選擇滇中南建水縣作為試驗區(qū)，以野外采集的ASD地面光譜和Landsat-8 OLI多光譜遙感影像作為主要數(shù)據(jù)源來開展巖溶區(qū)FECR估算研究。首先，比較分析了當前地物組分比例遙感估算3大類方法，進而對地物組分比例的線性光譜估算(linear spectral estimation of fractional cover，LSEFC)理論做了深層次探討。其次，針對巖溶區(qū)FECR的光譜指數(shù)估算研究，分別從典型地物反射光譜特征分析和波段選擇兩個方面討論了高光譜和多光譜碳酸鹽巖指數(shù)的構(gòu)建。然后，探討了度量學習在地物組分比例遙感估算研究中的潛力，并將余弦相似性度量學習方法用于FECR估算。最后通過模擬試驗和滇中南巖溶區(qū)FECR估算實例研究，分析和驗證本文提出的各類方法。

論文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點包括：

(1) 歸納總結(jié)了地物組分比例遙感估算的3種主要方法：經(jīng)驗統(tǒng)計模型、半經(jīng)驗的光譜指數(shù)模型和光譜混合模型，比較了各種方法的優(yōu)點和缺點。在線性光譜混合假設(shè)的前提下，通過數(shù)學推導建立線性光譜混合分析模型和LSEFC之間的關(guān)聯(lián)，并借助點集拓撲學中度量空間的相關(guān)理論，建立了LSEFC一般準則及其數(shù)學表達，也為包括光譜指數(shù)在內(nèi)的FECR估算模型的構(gòu)建提供了理論指導。

(2) 對于高光譜的FECR估算，本文借助去包絡(luò)線法定量分析了巖溶區(qū)典型地物在2.0～2.5 μm區(qū)域的光譜吸收特征，通過混合光譜模擬試驗發(fā)現(xiàn)，混合地物對2.149～2.398 μm光譜區(qū)域的吸收貢獻不僅來自于碳酸鹽巖，還有重要一部分來自于土壤的貢獻。為消除此貢獻對FECR估算的影響，本文在LSEFC一般準則的基礎(chǔ)上，基于KRSDIs建立了高光譜碳酸鹽巖指數(shù)，為高光譜FECR估算提供有效的光譜指數(shù)模型。

(3) 針對多光譜的FECR估算，通過分析碳酸鹽巖與背景類別在不同波段特征空間的可分性度量及其散點分布情況，確定了區(qū)分碳酸鹽巖與其他背景地物的最佳多光譜波段組合，即藍色波段和近紅外波段，并且，根據(jù)LSEFC準則，基于這兩個波段的正切變換構(gòu)建了多光譜碳酸鹽巖指數(shù)，為FECR多光譜遙感估算提供了可選擇的光譜指數(shù)方法。

(4) 在地物組分比例的線性光譜估算準則及其數(shù)學表達的基礎(chǔ)上，基于余弦相似性度量學習方法構(gòu)建了FECR雙線性估算模型(cosine estimation of fractional cover，CosEFC)，為解決同類地物端元變化引起估算誤差問題提供了解決方案，也提高了FECR估算的可靠性和穩(wěn)定性。滇中南建水縣的實例分析結(jié)果表明，基于CosEFC方法的FECR估算結(jié)果具有較強的可解釋性，能夠較為真實地反映研究區(qū)地表裸露碳酸鹽巖的位置及其組分比例的空間分布情況。