1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)位于北京市大興區(qū)(N:39°39'2.56″，E:116°34'33.10″)，長(zhǎng)40m，寬20m。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(duì)照區(qū)，實(shí)驗(yàn)小區(qū)大小為2.5m×2.5m，各小區(qū)間隔為0.5m，天然氣泄漏點(diǎn)位于中心位置，泄漏速率為1L·min－1.

1.2數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

冠層數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x器為光譜儀，其光譜范圍為350～2500nm，共1024個(gè)波段，光纖視場(chǎng)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(cè)區(qū)沿著東西軸線(xiàn)均勻布設(shè)4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在每個(gè)小區(qū)測(cè)量光譜之前用標(biāo)準(zhǔn)板校正光譜儀，垂直測(cè)量距離為1m。冠層數(shù)據(jù)采用5點(diǎn)平滑法進(jìn)行平滑處理［9］，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。

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(xiàn)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(zhǎng)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(xiàn)后可以增強(qiáng)光譜吸收特征信息，通過(guò)一個(gè)小波基函數(shù)將光譜曲線(xiàn)在不同尺度上轉(zhuǎn)換成對(duì)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。

1.3.3J-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(lái)表達(dá)，當(dāng)0＜J2ij≤1.0時(shí)，類(lèi)別之間無(wú)可分性;當(dāng)1.0＜J2ij≤1.8時(shí)，類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(duì)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(jiàn)光范圍內(nèi)(380～760nm)反射率差異較小，近紅外范圍內(nèi)(760～900nm)反射率降低。從圖2可以看出，隨著脅迫持續(xù)，可見(jiàn)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(duì)照組的差距在減小。大豆在受天然氣泄漏脅迫11天后可見(jiàn)光范圍內(nèi)反射率沒(méi)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(jiàn)光范圍內(nèi)反射率仍沒(méi)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(xiàn)發(fā)生了變化，但是不同植被的光譜曲線(xiàn)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)9nm，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MatlabＲ2014a軟件對(duì)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(xiàn)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(guò)分析不同尺度的小波系數(shù)圖發(fā)現(xiàn)在700～770nm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(duì)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(xiàn)過(guò)于平滑，信息損失量過(guò)大，因此選擇尺度24進(jìn)行敏感波段分析，如圖3所示。對(duì)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(jiàn)，草地對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組在685，718和745nm附近差異較大;大豆對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組在685，700，715，745和765nm處有較大差異，綜合草地和大豆的多期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)685和715nm處的差值規(guī)律具有一定的穩(wěn)定性，因此選擇685和715nm作為敏感波段來(lái)檢測(cè)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29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(duì)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(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組之間的可分性。從表2中可見(jiàn)，草地PＲI，NDVI和NPCI從脅迫第33天開(kāi)始，對(duì)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(kāi)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(kāi)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(wú)法識(shí)別脅迫大豆，說(shuō)明草地對(duì)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(duì)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(duì)照組不同高光譜指數(shù)對(duì)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(guò)野外模擬天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)或管道微泄漏對(duì)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(duì)照組相比，在可見(jiàn)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(duì)光譜進(jìn)行連續(xù)小波變換，通過(guò)小波能量系數(shù)發(fā)現(xiàn)685和715nm是區(qū)分對(duì)照組與脅迫組的敏感波段。

(3)通過(guò)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(wú)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(guò)植被的光譜曲線(xiàn)變化來(lái)檢測(cè)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(guò)更多植被來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)與驗(yàn)證。

萊森光學(xué)（深圳）有限公司是一家提供光機(jī)電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專(zhuān)注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售。

審核編輯 黃昊宇