一种实验室光谱基准约束的卫星高光谱逐像元校正与土壤碳反演方法及系统

本发明涉及土壤遥感监测，具体涉及一种实验室光谱基准约束的卫星高光谱逐像元校正与土壤碳反演方法及系统。

背景技术：

1、土壤碳是表征农田生态系统碳储量、土壤健康状况和长期碳可持续性的重要指标。传统土壤碳监测主要依赖野外采样和实验室理化分析，难以满足大范围、连续化和快速制图的需求。卫星高光谱遥感能够提供连续空间覆盖和丰富光谱信息，为区域尺度土壤碳反演提供了重要数据源。然而，直接利用原始卫星高光谱影像进行反演时，影像容易受到大气散射吸收、传感器响应差异、地表水分、植被残留等因素影响，导致像元反射率与真实土壤光谱之间存在系统性偏差。常规光谱预处理、特征波段筛选和机器学习建模能够在一定程度上改善模型输入和预测关系，但其通常作用于样点或局部特征层面，难以对整幅原始卫星高光谱影像的逐像元系统偏差进行统一修正。实验室可见光-近红外光谱在受控光照和观测条件下获取，能够较稳定地表征土壤组分引起的吸收特征，具有较高物理保真度。但是实验室光谱通常只对应有限采样点，缺乏空间连续性，不能直接形成区域尺度土壤碳分布结果。

技术实现思路

1、为解决现有技术将卫星高光谱影像直接用于土壤碳反演时存在光谱偏差大、空间拼接痕迹明显、反演残差空间聚集和预测稳定性不足的问题，本发明提供一种实验室光谱基准约束的卫星高光谱逐像元校正与土壤碳反演方法及系统，将实验室光谱的物理参考作用与卫星影像的空间连续性结合起来，使实验室等效宽波段光谱能够约束原始卫星高光谱影像的逐波段、逐像元校正，从而为土壤碳反演提供校正后卫星高光谱影像，降低了大气、传感器响应、地表条件和影像镶嵌差异引起的系统性光谱偏差，提高了土壤碳反演精度、空间连续性和空间可靠性。

2、根据本发明说明书的一方面，提供了一种实验室光谱基准约束的卫星高光谱逐像元校正与土壤碳反演方法，包括：获取研究区内多个土壤采样点的地理坐标、土壤碳实测值以及实验室光谱反射率；获取覆盖所述研究区的卫星高光谱影像，并对所述卫星高光谱影像进行预处理，得到原始卫星高光谱影像；根据卫星高光谱传感器的中心波长、带宽和光谱响应函数，对所述实验室光谱反射率进行窄波段到宽波段转换，得到与卫星有效波段相对应的实验室等效宽波段光谱矩阵；根据所述土壤采样点的地理坐标，在所述原始卫星高光谱影像中提取对应待反演像元的卫星高光谱反射率，构建采样点卫星高光谱矩阵；以所述采样点卫星高光谱矩阵为输入，以所述实验室等效宽波段光谱矩阵为输出目标，针对每个目标波段分别建立非线性映射关系，形成逐波段非线性光谱校正模型；其中，每个目标波段由土壤采样点处全部卫星有效波段共同建模；将所述逐波段非线性光谱校正模型按目标波段应用于所述原始卫星高光谱影像中每一个待反演像元，逐像元生成校正后卫星高光谱影像；基于所述校正后卫星高光谱影像和所述土壤碳实测值建立土壤碳反演模型，获得研究区土壤碳空间分布结果。

3、进一步地，所述实验室等效宽波段光谱矩阵的构建包括：对每一卫星有效波段内各实验室光谱反射率和光谱响应函数进行归一化卷积，获得与每一卫星有效波段对应的实验室等效宽波段光谱；基于各个卫星有效波段对应的实验室等效宽波段光谱构建实验室等效宽波段光谱矩阵。

4、进一步地，所述光谱响应函数的获取包括：在所述卫星高光谱传感器提供实测光谱响应函数时，采用实测光谱响应函数；在所述卫星高光谱传感器未提供实测光谱响应函数时，根据所述卫星高光谱传感器的中心波长和带宽构建高斯近似响应函数。

5、进一步地，所述逐波段非线性光谱校正模型对应的表达式为：

6、，

7、式中，l为实验室等效宽波段光谱矩阵，x为采样点卫星高光谱矩阵，n为土壤采样点的数量，g为光谱校正非线性映射函数，p为卫星有效波段的数量。

8、进一步地，所述光谱校正非线性映射函数为随机森林回归、梯度提升树回归、支持向量回归、神经网络回归以及能够建立非线性映射关系的等效回归模型中的一种或多种。

9、进一步地，所述卫星高光谱反射率的提取包括：在所述原始卫星高光谱影像中提取土壤采样点所在待反演像元的卫星高光谱反射率，并将其作为所述土壤采样点的卫星高光谱反射率；或者在所述原始卫星高光谱影像中提取以土壤采样点为中心的邻域窗口内所有待反演像元的卫星高光谱反射率，计算所有待反演像元的卫星高光谱反射率的均值，并将其作为所述土壤采样点的卫星高光谱反射率。

10、进一步地，所述实验室光谱反射率的波长范围为400-2500 nm；所述卫星高光谱影像在400-2500 nm范围内包括多个卫星有效波段，所述多个卫星有效波段与实验室等效宽波段光谱一一对应。

11、进一步地，所述土壤采样点划分为模型训练样点和独立验证样点，所述模型训练样点用于所述逐波段非线性光谱校正模型和土壤碳反演模型的训练，所述独立验证样点用于评价所述逐波段非线性光谱校正模型和土壤碳反演模型的泛化能力。

12、进一步地，所述预处理包括辐射定标、大气校正、几何校正、影像镶嵌、掩膜处理和有效波段筛选，所述掩膜处理包括剔除云、阴影、水体、强植被覆盖和异常反射率像元，保留裸土或低植被覆盖像元。

13、根据本发明说明书的一方面，提供了一种实验室光谱基准约束的卫星高光谱逐像元校正与土壤碳反演系统，包括：研究区土壤样点数据获取模块，用于获取研究区内多个土壤采样点的地理坐标、土壤碳实测值以及实验室光谱反射率；卫星高光谱影像获取模块，用于获取覆盖所述研究区的卫星高光谱影像，并对所述卫星高光谱影像进行预处理，得到原始卫星高光谱影像；光谱响应匹配模块，用于根据卫星高光谱传感器的中心波长、带宽和光谱响应函数，对所述实验室光谱反射率进行窄波段到宽波段转换，得到与卫星有效波段相对应的实验室等效宽波段光谱矩阵；样点级光谱匹配数据构建模块，用于根据所述土壤采样点的地理坐标，在所述原始卫星高光谱影像中提取对应待反演像元的卫星高光谱反射率，构建采样点卫星高光谱矩阵；逐波段非线性光谱校正模型建立模块，用于以所述采样点卫星高光谱矩阵为输入，以所述实验室等效宽波段光谱矩阵为输出目标，针对每个目标波段分别建立非线性映射关系，形成逐波段非线性光谱校正模型；其中，每个目标波段由土壤采样点处全部卫星有效波段共同建模；校正后卫星高光谱影像生成模块，用于将所述逐波段非线性光谱校正模型按目标波段应用于所述原始卫星高光谱影像中每一个待反演像元，逐像元生成校正后卫星高光谱影像；土壤碳反演与空间评价模块，用于基于所述校正后卫星高光谱影像和所述土壤碳实测值建立土壤碳反演模型，获得研究区土壤碳空间分布结果。

14、上述技术方案，针对原始卫星高光谱影像与实验室土壤光谱存在系统性偏差，导致土壤碳反演精度和空间可靠性不足的问题，公开了一种实验室光谱基准约束的卫星高光谱逐像元校正与土壤碳反演方法，属于土壤遥感监测与高光谱定量反演技术领域。该方法获取土壤采样点的地理坐标、土壤碳实测值、实验室可见光—近红外光谱和覆盖研究区的卫星高光谱影像。依据卫星高光谱传感器的光谱响应函数，将实验室窄波段光谱转换为与卫星波段对应的实验室等效宽波段光谱。在土壤采样点位置提取原始卫星高光谱反射率，并以全部有效卫星高光谱波段为输入、以各目标波段的实验室等效宽波段反射率为输出，建立逐波段非线性光谱校正模型。将所述模型逐像元应用于整幅原始卫星高光谱影像，生成校正后卫星高光谱影像。基于校正后影像建立土壤碳反演模型，输出土壤碳空间分布结果。本发明能够降低大气、传感器响应、地表条件和影像镶嵌差异引起的系统性光谱偏差，提高土壤碳反演精度、空间连续性和空间可靠性。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

16、（1）本发明首先利用卫星传感器光谱响应函数对实验室高分辨率光谱进行响应匹配，使实验室光谱与卫星高光谱影像处于同一波段尺度，减少由于波段中心和带宽差异造成的数据不一致。

17、（2）本发明以实验室等效宽波段光谱为物理参考，建立逐波段非线性光谱校正模型，并将该模型逐像元应用于整幅原始卫星高光谱影像，能够降低大气条件、传感器响应和影像镶嵌差异导致的系统性光谱偏差。

18、（3）本发明生成的校正后卫星高光谱影像同时保留卫星影像的空间连续性和实验室光谱的物理保真度，为土壤碳反演提供更可靠的输入数据。