星载EnMAP HSI与地面ASD光谱的连续统去除吸收特征在衰老sourveld和sweetveld草地N、ADF和ADL质量表征中的比较研究

《International Journal of Remote Sensing》：Comparative exploration of continuum-removed absorption features from spaceborne EnMAP HSI and ground-based spectroscopy for characterizing senescent grass quality across different velds

　　

本研究评估了来自星载环境测绘与分析计划高光谱成像仪（EnMAP HSI）的数据能否获得与来自分析光谱设备（ASD）野外光谱相当连续统去除（continuum removal）吸收特征，以表征衰老的sourveld和sweetveld类型中草地冠层氮（N）、酸性洗涤纤维（ADF）和酸性洗涤木质素（ADL）。结果显示，两种传感器利用连续统去除光谱表现出相似且已知的衰老叶部生化浓度吸收波长，位于R550–742、R1685–1749和R2238–2370区域。此外，与ASD光谱仪相比，EnMAP HSI在可见光区域（R550–742）对所有衰老草地质量组分产生最明显的吸收曲线。HSI传感器在短波红外区域（SWIR）也产生与光谱辐射计相当的吸收谷。研究人员采用独立样本t检验（independent-samples t-test）探索由EnMAP HSI和ASD光谱辐射计获得的衰老N、ADF和ADL连续统去除光谱之间是否存在统计学显著差异。结果表明，这些传感器的连续统去除光谱在两种velds的R550–742中表现出统计学显著差异（p_adj < 0.05），而在所有变量的SWIR波长范围（R1116–1284、R1685–1749、R2032–2208和R2238–2370）中表现出非显著差异（p_adj ? 0.05）。EnMAP HSI产生的连续统去除吸收特征与ASD测量总体相当，证明其用于区域草地生化评估的可靠性。可免费获取的EnMAP数据降低了对手工密集且空间受限的野外光谱的依赖，并使跨景观的饲草质量监测更具可扩展性。本研究为进一步研究使用卫星衍生吸收特征和连续统去除估算衰老草地生化组分提供了基础。

研究背景方面，草地质量通常由氮（N）和纤维组分如酸性洗涤纤维（ADF）、酸性洗涤木质素（ADL）指示，分别影响适口性和可消化性；草地衰老阶段养分显著下降，而南部非洲sourveld与sweetveld在衰老期呈现不同养分保持和纤维积累动态。sourveld冬季寒冷、霜冻频繁，衰老时叶部N向根部转移且纤维浓度升高；sweetveld冬季温和、少霜，草地可保留较高叶部N且纤维较少。传统生态测量耗时费力，近红外反射光谱等虽可探测吸收特征，但地面手持光谱仪点位性强、空间覆盖有限；星载EnMAP HSI（Environmental Mapping and Analysis Programme Hyperspectral Imager，环境测绘与分析计划高光谱成像仪）具备224个连续波段，但其较宽带宽下能否产生与ASD（Analytical Spectral Device，分析光谱设备）地面光谱可比的连续统去除（continuum removal，归一化反射率以突出吸收特征的方法）吸收特征尚不清楚，尤其对衰老草弱且重叠的吸收特征。因此，研究人员首次评估EnMAP HSI与ASD光谱在表征衰老sourveld和sweetveld草地冠层N、ADF、ADL连续统去除吸收特征方面的可比性，以支持区域尺度、可扩展的饲草质量监测并减少对劳动密集、空间受限野外光谱的依赖。

关键技术方法概括（不超过250字）：样本来自南非KwaZulu-Natal的Vulindlela（sourveld）和Mkhuze Game Reserve（sweetveld），2024年干季每月20–30日采样，各90个30 m×30 m样地，每样地3个1 m×1 m子样方。研究人员使用ASD FieldSpec 3采集冠层光谱，获取EnMAP Level 2A数据；采用Savitzky–Golay滤波平滑；在R550–742、R1116–1284、R1685–1749、R2032–2208、R2238–2370五个吸收窗实施连续统去除；以简单二次方法（simple quadratic method）定位最大吸收波长；将ASD按EnMAP光谱响应函数（SRF）高斯加权重采样；并进行独立样本t检验及Benjamini–Hochberg错误发现率（FDR）校正。

结果部分如下。3.1 描述性统计（Descriptive statistics）：通过Shapiro–Wilk检验和独立样本t检验分析，数据未显著偏离正态分布；sourveld的N由4月0.97%降至6月0.60%，ADF由40.46%升至52.93%，ADL由13.23%升至21.85%；sweetveld的N由4月2.88%降至8月1.28%，ADF为36.05%–49.20%，ADL由9.06%升至18.09%；衰老sourveld（6月）与sweetveld（8月）的N、ADF、ADL均值差异显著（p<0.05）。3.2 EnMAP HSI与ASD光谱辐射计在两种velds中测得的反射光谱比较（Comparing reflectance spectra measured with EnMAP HSI and ASD spectroradiometer across the two velds）：通过比较平均冠层反射光谱，ASD反射率高于EnMAP HSI，sweetveld的ASD光谱明显高于sourveld；EnMAP HSI在近红外（NIR）两velds差异有限，但在可见光和SWIR中sweetveld高于sourveld；95%上下置信限较窄；sourveld EnMAP HSI在R550–742、R1116–1284、R2032–2208和R2238–2370显示清晰吸收谷，sweetveld五个吸收特征均可识别，R1685–1749在sourveld几乎被掩盖但在sweetveld可识别。3.3 EnMAP HSI相对于ASD光谱辐射计的衰老N、ADF和ADL连续统去除光谱吸收测量比较（Comparing the senescent N, ADF, and ADL continuum-removed spectral absorption measurements from EnMAP HSI in relation to ASD spectroradiometer）：通过连续统去除和简单二次方法定位波长，两传感器识别的N、ADF、ADL吸收波长接近；EnMAP HSI在可见光R550–742对所有组分产生更深吸收曲线，SWIR吸收多宽而浅但可与ASD相比；EnMAP HSI识别出17个位于已知化学吸收波长±12 nm内的波段，ASD为14个；独立样本t检验显示可见光R550–742差异多显著（sourveld N例外），SWIR总体差异不显著，但sweetveld N和ADF在R2238–2370例外。

讨论部分总结：原文解释ASD近冠层测量而EnMAP HSI从30 m空间尺度观测，反射率差异可预期；sweetveld养分较高、纤维较少而反射较高，sourveld结构组分高、在SWIR吸收更强。EnMAP HSI可见光吸收更深与其VNIR较高信噪比、±0.5 nm波长稳定性和14 bit辐射分辨率有关；SWIR信噪比较低使其吸收稍浅，但SWIR宽强吸收受背景影响小，连续统去除可归一化反射率量级并保留诊断性生化吸收特征，支持将地面光谱分析迁移至EnMAP观测。N在约670/680 nm与叶绿素a吸收相关，1730 nm与C–H伸缩有关，2270/2300 nm与C–H、O–H、N–H等相关；ADF在1730、2090、2300、2340 nm附近，ADL在1710、2310 nm附近；R1116–1284和R2032–2208出现未归因或偏移波长，提示已知吸收带并非唯一，需用宽吸收特征和稳健算法进一步确定衰老N、ADF、ADL估算的关键波长。意义在于提供EnMAP免费影像可支持区域尺度衰老饲草质量监测的初步证据，降低对劳动密集野外光谱依赖，并为数据稀缺地区可扩展监测奠基。局限包括混合草种、样地可达性与子样方代表性、大气效应、仅限本研究所用波长区、EnMAP带宽较宽及SWIR信噪比较低等；未来需开展定量反演、机器学习及多传感器比较。

研究结论（译）：本研究旨在探索新发射的星载EnMAP HSI能否产生与ASD光谱辐射计获得的连续统去除吸收特征相当的特征，以表征衰老sourveld和sweetveld中草地冠层N、ADF和ADL浓度。基于研究结果，本研究结论如下：EnMAP HSI和ASD光谱辐射计均在连续统去除光谱的R550–742、R1685–1749和R2238–2370中提供了相对相似的已知化学吸收波长，为利用这些光谱区域开发新算法以大规模表征衰老草地N、ADF和ADL提供了可能。两种传感器未能识别R1116–1284和R2032–2208中一些已知化学影响波长，这表明已知吸收带并非唯一可用于量化衰老植被叶部养分浓度的波长；因此，利用宽连续统去除吸收波长范围并结合稳健算法开发模型，可能是确定衰老N、ADF和ADL估算中有影响力波长的理想途径。与ASD光谱仪相比，EnMAP HSI在可见光区域（R550–742）对所有衰老草地质量组分产生更明显的吸收曲线，为探索EnMAP HSI红边肩部估算衰老草地质量组分（如N）提供了可能。EnMAP HSI的SWIR连续统去除光谱也表现出与ASD光谱辐射计相当的吸收曲线。两种传感器的连续统去除光谱在可见光区域存在统计学显著差异，在SWIR吸收范围差异不显著。