草地可燃物含水率（Fuel Moisture Content, FMC）是預(yù)測火災(zāi)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)、評估火勢蔓延速度及制定防火策略的關(guān)鍵參數(shù)。傳統(tǒng)FMC測定方法依賴實(shí)驗(yàn)室烘干稱重等離線手段，存在耗時(shí)、成本高、空間覆蓋有限等問題。高光譜成像技術(shù)（Hyperspectral Imaging, HSI）通過捕捉地物在可見光至短波紅外波段（400–1700 nm）的連續(xù)光譜信息，結(jié)合光譜特征與含水率的物理關(guān)聯(lián)，為草地可燃物含水率的快速、無損、大范圍監(jiān)測提供了新思路。中達(dá)瑞和綜述高光譜成像在草地FMC估測中的研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析技術(shù)原理、模型構(gòu)建、關(guān)鍵挑戰(zhàn)及未來發(fā)展方向。

高光譜成像技術(shù)原理與FMC估測基礎(chǔ)

光譜特征與水分關(guān)系

草地可燃物（如牧草、枯枝落葉）的水分含量會(huì)顯著改變其反射光譜特性：

吸收特征：水分子在近紅外波段（~1400 nm、1900 nm）具有強(qiáng)吸收峰，含水率越高，反射率越低。

光譜連續(xù)性：高光譜數(shù)據(jù)提供數(shù)百個(gè)窄波段（<10 nm），可捕捉細(xì)微的水分變化。

植被指數(shù)（VIs）：如水分指數(shù)（WI）、歸一化差異水分指數(shù)（NDMI）等，通過特定波段組合增強(qiáng)水分敏感性。

高光譜成像系統(tǒng)組成

高光譜相機(jī)類型：SVC多光譜云臺(tái)攝像機(jī)、無人機(jī)搭載SKY-W417高光譜相機(jī)。

光譜云平臺(tái)：lrisCube Cloud

研究進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)

光譜特征提取方法

波段選擇：基于相關(guān)系數(shù)分析、隨機(jī)森林（RF）等方法篩選與FMC強(qiáng)相關(guān)的敏感波段（如1300–1400 nm）。

連續(xù)統(tǒng)去除法（CSR）：消除背景反射干擾，增強(qiáng)水分吸收特征。

導(dǎo)數(shù)光譜分析：一階/二階導(dǎo)數(shù)可突出吸收邊緣（如1450 nm、1950 nm附近）。

估測模型構(gòu)建

傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型

多元線性回歸（MLR）：利用敏感波段建立FMC與反射率的線性關(guān)系。

偏最小二乘回歸（PLSR）：處理高維光譜數(shù)據(jù)共線性問題，適用于草地復(fù)雜混合像元。

機(jī)器學(xué)習(xí)模型

隨機(jī)森林（RF）：通過特征重要性排序優(yōu)化模型，抗過擬合能力強(qiáng)。

支持向量機(jī)（SVM）：在小樣本、非線性數(shù)據(jù)中表現(xiàn)優(yōu)異。

深度學(xué)習(xí)：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）可自動(dòng)提取光譜-空間特征，但需大量標(biāo)注數(shù)據(jù)。

混合模型

光譜-形態(tài)學(xué)融合：結(jié)合植被結(jié)構(gòu)參數(shù)（如葉面積指數(shù)LAI）提升估測精度。

多源數(shù)據(jù)整合：融合熱紅外、LiDAR數(shù)據(jù)補(bǔ)償高光譜的空間分辨率不足。

應(yīng)用案例與精度驗(yàn)證

草地類型適應(yīng)性：研究表明，高光譜模型在針茅、羊草等典型草地中R2可達(dá)0.85–0.92（RMSE<5%）。

時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測：無人機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)草地FMC日間/季節(jié)變化的高頻率觀測，支持火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。

區(qū)域尺度驗(yàn)證：歐洲FIREPARC項(xiàng)目利用機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)反演地中海地區(qū)草地FMC，驗(yàn)證誤差<8%。

高光譜成像技術(shù)為草地可燃物含水率的快速、無損估測提供了革命性工具，其高精度、高效率已得到多項(xiàng)研究驗(yàn)證。然而，模型泛化能力、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度及成本控制仍是亟待解決的問題。未來需進(jìn)一步推動(dòng)多學(xué)科交叉創(chuàng)新，結(jié)合人工智能與新型傳感器技術(shù)，構(gòu)建可持續(xù)的草地火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測體系，為生態(tài)安全與災(zāi)害防控提供科學(xué)支撐。

審核編輯 黃宇