內(nèi)蒙古不同植被光譜特征分析＊

劉 月，春 喜，張美杰，劉美萍，胡和達(dá)來

（內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）

1 引言

在全球變化研究中，植被公認(rèn)為是能夠反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的敏感指示器，而植被光譜特征分析可以有效的指示植被覆蓋和群落結(jié)構(gòu)變化，因此已成為研究熱點(diǎn)〔1－3〕。前人通過大量的野外儀器測(cè)量和室內(nèi)模擬分析，得出植被地面光譜曲線圖，揭示生物物理特性的光譜特征和規(guī)律，建立了一系列地物光譜數(shù)據(jù)庫(kù)〔4－6〕。通過各種方法對(duì)植被光譜各波段進(jìn)行分析，其中一些學(xué)者認(rèn)為植物光譜的紅色邊緣屬性能夠顯示植物葉綠素含量〔7－9〕，并廣泛應(yīng)用于植被光譜特征的分析、不同植被的理化性能、覆蓋度、植被分類、植被調(diào)查、區(qū)域的生態(tài)環(huán)境調(diào)控及演變、遙感反演、農(nóng)作物評(píng)估植被以及計(jì)算機(jī)識(shí)別和自動(dòng)提取等領(lǐng)域〔10－11〕，備受關(guān)注〔12－14〕。但是對(duì)于干旱區(qū)不同植被的光譜特征和規(guī)律的認(rèn)識(shí)有待于進(jìn)一步研究。本文采用光譜儀器，數(shù)次野外測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，得出不同植被的光譜數(shù)據(jù)源，揭示其特征及其差異性。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況

本文野外采樣點(diǎn)，一是內(nèi)蒙古阿拉善左旗吉蘭泰鹽湖周圍及烏蘭布和沙漠腹地的干旱草原植被。二是內(nèi)蒙古錫林郭勒盟典型草原寶紹代湖泊周圍典型草原植被。三是位于和林縣內(nèi)蒙古師范大學(xué)盛樂校區(qū)人工草地（草甸草原）。

2.2 野外調(diào)查

實(shí)驗(yàn)測(cè)試：采用美國(guó)ASD（Analytical Spectral Device）公司的Field Spec Pro FR2500便攜式光譜儀，其波段值范圍為350～2500nm，采樣間隔為1.4nm，光譜分辨率為3nm。采樣方法和過程參照〔15－16〕①觀察時(shí)間：在夏季當(dāng)天的12∶00～15∶00時(shí)段，保證太陽的高度和照度。②觀測(cè)當(dāng)天滿足天氣晴朗，光照穩(wěn)定，并避開陰影和鄰近的運(yùn)動(dòng)物體，風(fēng)力等于或小于3級(jí)。③在觀測(cè)實(shí)驗(yàn)前對(duì)光譜儀集中進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試和比對(duì)，對(duì)光譜儀和參考板進(jìn)行檢驗(yàn)，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。④測(cè)試之前先以白板進(jìn)行定標(biāo)，白板應(yīng)水平放置，傾斜角＜1°。⑤探頭測(cè)量高度固定在1m，保證每次測(cè)量位置相同。⑥在測(cè)試中，每個(gè)樣品采集5條光譜曲線，算術(shù)平均后得到該樣品的實(shí)際反射光譜數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的精確度，并避開個(gè)別誤差帶來的不確定性。各采樣點(diǎn)的描述見表1和特征見圖1。

表1 八種樣品名稱及顏色參照表

3 結(jié)果與討論

3.1 植被光譜特征

上述采樣點(diǎn)的植被光譜既存在一致性又有差異性。其一致性表現(xiàn)在，500nm處出現(xiàn)吸收谷；在可見光的550nm（綠處）附近有一個(gè)反射率為百分之十幾的小反射峰；在680nm（紅）附近有明顯的吸收帶，這可能由葉子色素特別是葉綠素所決定〔17－18〕；在680～750nm 之間出現(xiàn)峰值，反射率急劇增高，在光譜研究中它被稱為植被“紅邊”，是植被具有診斷性的光譜特征，“紅邊”的位置、高度和斜率會(huì)因植被的不同及同一植被的不同生長(zhǎng)狀況而存在差異〔9〕；在800nm左右是一個(gè)相對(duì)平坦的、反射率高的區(qū)域，它可能由植被的細(xì)胞構(gòu)造所決定〔19〕。

不同類型的植被光譜特性存在差異性：從圖2可以看出，在可見光波段400～700nm，干旱植被（即小葉錦雞兒灌叢、白刺、沙冬青、梭梭林）反射率明顯高于典型草原植被（草甸灘地）和人工草坪植被（榆葉梅叢），可能受到葉綠素含量的影響。草甸灘地綠峰不明顯，主要由于生長(zhǎng)和距地面很近，受土壤背景的影響；在680nm～760nm處草甸灘地反射率出現(xiàn)陡坡程度為0.2，明顯要低于榆葉梅叢，主要是草甸植被覆蓋度比較低造成的。白刺在450nm出現(xiàn)強(qiáng)烈的吸收谷，達(dá)到0.5左右，而在680nm處的吸收谷表現(xiàn)不明顯，相對(duì)于其它干旱植被（小葉錦雞兒灌叢、沙冬青、梭梭林）平均高出0.1左右，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能由于白刺的生長(zhǎng)狀況及測(cè)試誤差的結(jié)果。梭梭林在可見光波段峰值明顯高于其它干旱植被，達(dá)到0.8。各類型植被主要受葉綠素、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、葉面積指數(shù)和土壤背景等因素的影響呈現(xiàn)不同的光譜曲線〔20〕。

圖2 八種樣品光譜對(duì)比圖

3.2 植被光譜紅邊參數(shù)特征

光譜數(shù)據(jù)的一階微分有利于部分消除大氣、土壤背景等成分對(duì)目標(biāo)的影響，突出目標(biāo)，反映和揭示植被光譜的內(nèi)在特性〔21－22〕。本文采用如下公式求光譜數(shù)據(jù)的微分〔23〕。

式中：R為反射率；λi為第i波段的中心波長(zhǎng)。

圖3 八種樣品一階導(dǎo)數(shù)光譜圖

圖4 八種樣品光譜的紅邊

在高光譜遙感中，采用微分技術(shù)尋找關(guān)鍵波段可描述植被的紅邊特性〔24－25〕。由紅光過渡到近紅外的“紅邊”是描述植被色素狀態(tài)和健康狀況的重要的指示波段〔26〕。如圖3所示可以看出：導(dǎo)數(shù)光譜運(yùn)算在680nm～760nm可以大大強(qiáng)化紅邊特征，在其它波段無明顯變化。

從圖4可以看出，八種樣品光譜的紅邊都出現(xiàn)峰值現(xiàn)象，這跟大多數(shù)綠色植物的紅邊相似。由于干旱區(qū)小葉錦雞兒、草甸葉面積指數(shù)大，受沙地背景的影響，紅邊光譜的峰值現(xiàn)象并不明顯，而人工草坪、榆葉梅叢的葉面積指數(shù)大，覆蓋度高，受沙地背景的影響小，峰值現(xiàn)象越來越明顯。在干旱草原的梭梭林在紅邊位置出現(xiàn)的峰值相對(duì)于其它植被提前，出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。

從圖5可見，不同類型植被的光譜紅邊斜率（紅邊幅值）從小到大依次為白刺、草甸灘地、小葉錦金兒、人工草地1（黃）、梭梭林、人工草地2（綠）、沙冬青、榆葉梅叢，主要是由草地植被到灌叢植被，植被覆蓋度越高和葉面積指數(shù)越大，紅邊斜率越大〔19〕。

3.3 同一植被光譜對(duì)比分析

如圖6所示，同種植被在不同的生長(zhǎng)狀況下呈現(xiàn)不同的光譜特征。在紅谷，健康植被的反射率較低，這主要是由于含有較多葉綠素，對(duì)紅光有較強(qiáng)吸收而造成的。在紅邊位置，健康植被要比顏色發(fā)黃的植物陡，說明生命力旺盛。在近紅外波段，不健康植被的反射率較低，主要由于細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞造成?？梢娡恢脖活愋陀捎谌~子的組織結(jié)構(gòu)、色素含量和含水量不同，反射率大小又具有不同的特點(diǎn)。

圖5 植被類型的紅邊參數(shù)

圖6 健康植被與非健康植被光譜對(duì)比

4 結(jié)論

不同植被的光譜曲線呈現(xiàn)明顯的“峰和谷”的特征：在550nm（綠處）附近有一個(gè)反射率為百分之十五的小反射峰，可見光500nm和680nm處的藍(lán)、紅光波段存在低谷。近紅外700nm～1200nm處出現(xiàn)高原反射區(qū)。不同類型植被光譜特征又存在差異性：

在可見光波段350nm～750nm，干旱植被（小葉錦雞兒灌叢、白刺、沙冬青、梭梭林）反射率明顯高于典型草原植被（草甸灘地）和人工草坪植被（榆葉梅叢）；在近紅外波段750nm～1350nm，人工草坪及灌叢的反射率明顯高于草甸灘地，由于植被類別間葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化大，人工草坪及灌叢葉面積指數(shù)大，覆蓋度高，草甸也受到沙地背景的影響，因此植被在近紅外的反射率差異較大。

受到植被長(zhǎng)勢(shì)的影響，同一植被類型的光譜反射率差異較大。在紅谷，健康植被的反射率較低，這主要是對(duì)紅光有較強(qiáng)吸收而造成的。在紅邊位置，健康植被要比顏色發(fā)黃的植物陡，說明生命力旺盛。

八種植物樣品光譜的紅邊出現(xiàn)峰值現(xiàn)象，這跟大多數(shù)綠色植物的紅邊相似。從定量描述光譜紅邊斜率來看，八種植被從小到大依次為：白刺、草甸灘地、小葉錦金兒、人工草地1（黃）、梭梭林、人工草地2（綠）、沙冬青、榆葉梅叢。人工草地植被紅邊斜率值最大，干草原的該值最低，典型草原的參數(shù)在二者之間，反映出由干旱植被到灌叢植被，植被覆蓋度越高和葉面積指數(shù)越大，紅邊斜率越大。

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