植物葉綠素含量對(duì)植物光譜特征敏感波段的探究

鄭志河

[摘 要]利用SVCHR-1024便攜式光譜儀和SPAD502測(cè)定實(shí)驗(yàn)區(qū)的海桐在350-2500nm的植被高光譜反射率和葉綠素含量，先后利用K=7的移動(dòng)平均模型進(jìn)行去噪處理和包絡(luò)線去除后，分析海桐的原始光譜、包絡(luò)線去除曲線、海桐對(duì)SPAD值的光譜響應(yīng)光譜、一階導(dǎo)數(shù)光譜進(jìn)行分析，探究SPAD值對(duì)海桐的植物光譜特征敏感波段的具體位置。

[關(guān)鍵詞]遙感；葉綠素含量；包絡(luò)線去除；導(dǎo)數(shù)光譜

[中圖分類號(hào)]P343.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于江蘇省南京市河海大學(xué)江寧校區(qū)。河海大學(xué)處于丘陵地區(qū)，地理位置位于東經(jīng)118°46′33.99″到118°47′09.81″，北緯31°54′47.47″到31°55′11.13″之間，實(shí)驗(yàn)區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年降水量1200毫米，四季分明，年平均溫度15.4℃。校園內(nèi)綠植豐富，主要有海桐、桂花、竹子、香樟、衛(wèi)矛、紫錦木等植被，其中海桐占較多，分布較廣。

2 研究方法

（1）使用SVC HR-1024便攜式光譜儀采集兩種植被的冠層光譜，該光譜儀有1024個(gè)通道，波段范圍350～2500nm，其中350～1000nm區(qū)間光譜分辨率為1.4nm，1000～1085nm區(qū)間光譜分辨率為3.8nm，1850～2500nm 區(qū)間光譜分辨率為2.4nm。我們?cè)谇缋薀o(wú)云的天氣下在上午10：00到下午2：00之間采集植被的光譜數(shù)據(jù)。采用25°光纖的對(duì)每個(gè)樣方僅進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)量前先用白板標(biāo)定。樣方的大小設(shè)置為1m×1m，每個(gè)樣方設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)（如圖1），取平均值作為該樣方的光譜數(shù)據(jù)。

（2）采用SPAD-502葉綠素含量測(cè)定儀測(cè)定的SPAD值作為葉綠素含量的指標(biāo)。SPAD-502葉綠素含量測(cè)定儀測(cè)定的SPAD值與葉綠素含量之間呈極顯著相關(guān)，能夠代表植被葉綠素含量值。本實(shí)驗(yàn)利用SPAD-502葉綠素計(jì)在每個(gè)樣方內(nèi)，選取在采集光譜對(duì)應(yīng)的樣方里的相位位置，用葉綠素計(jì)取測(cè)量葉片的葉綠素，測(cè)量時(shí)葉綠素計(jì)重復(fù)采集10次，取平均值作為最終葉綠素含量的測(cè)定值。

（3）包絡(luò)線去除法。在光譜曲線相似的情況下，直接從中提取光譜特征不便于計(jì)算，因此需要對(duì)光譜曲線做進(jìn)一步處理，以突出光譜特征。包絡(luò)線去除法可以有效突出光譜曲線的吸收、反射和發(fā)射特征，并將其歸一到一個(gè)一致的光譜背景上，有利于和其他光譜曲線進(jìn)行特征數(shù)值的比較。

式中，λj是第j波段的波長(zhǎng)，Rcj是波段j的包絡(luò)線去除值，Rj是波段j的原始光譜反射率；Rend和Rstart是在波譜曲線里的起始點(diǎn)和末端點(diǎn)的原始光譜反射率；λend和λstart是在波譜曲線里的起始點(diǎn)波長(zhǎng)和末端點(diǎn)波長(zhǎng)；K是在波譜曲線里起始點(diǎn)波段和末端點(diǎn)波段之間的斜率。

（4）差值相比處理。我們對(duì)植被的反射率作一個(gè)簡(jiǎn)單的差值處理，用參照SPAD值的植被光譜曲線作為參照，用其余SPAD值的光譜分別去減去參照SPAD的光譜，最后在除以參照SPAD值的光譜反射率，探究隨著SPAD值的增長(zhǎng)，植被光譜變化最大的波段，計(jì)算出的值是一個(gè)沒(méi)有量綱的常數(shù)，我們稱之為e。同時(shí)考慮到SPAD值對(duì)光譜反射率的影響可能存在增強(qiáng)和減弱的差異，我們對(duì)e取絕對(duì)值，記為é，公式如下：

其中，R（λi）為第i個(gè)波段的光譜值，R（λj）為第j個(gè)波段的參照光譜值。é的值的大小表明葉綠素含量對(duì)植被反射率光譜影響的強(qiáng)弱程度。為了得到植被的敏感波段，本實(shí)驗(yàn)將不同SPAD值的é值相加，得到對(duì)SPAD值最敏感的波段。

（5）一階導(dǎo)數(shù)光譜。一階導(dǎo)數(shù)光譜能顯著顯示植被光譜曲線的特征點(diǎn)和特征區(qū)域的位置，分辨植物光譜特征曲線中小的反射峰和吸收谷。通過(guò)一階導(dǎo)出光譜，可以準(zhǔn)確地判定各特征參數(shù)的位置，提高鑒定的準(zhǔn)確性。

式中，R′（λi）是第i波段的一階導(dǎo)數(shù)光譜值，R（λi+1）和R（λi-1）分別是第i+1波段和第i-1波段的原始光譜值，i+1和i-1分別是第i+1波段和第i-1波段的原始光譜值。

3 研究結(jié)果及分析

我們對(duì)采集到的數(shù)據(jù)首先用K=7的移動(dòng)平均模型進(jìn)行處理，消除其他噪聲對(duì)海桐光譜特征的影響。得到圖2的曲線，從圖2中可以看出海桐的光譜線具有典型的綠色植物光譜曲線特征。海桐在波長(zhǎng)550nm左右有一個(gè)小反射峰，在波長(zhǎng)670nm左右有一個(gè)小的吸收谷，在波長(zhǎng)670nm之后的紅邊位置，隨著葉綠素含量的不同也發(fā)生著變化。但是不能從原始光譜中找尋由SPAD值引起的光譜差異。

采用包絡(luò)線去除的方法，可以將不同SPAD值的反射波譜曲線歸一化到同一個(gè)光譜背景下。在包絡(luò)線去除曲線中，可以很清楚看到，在350～700nm的波段范圍內(nèi)，隨著SPAD值的增加，植被反射率明顯地降低，即隨著葉綠素含量的增加，植被在可見(jiàn)光波段的吸收率明顯增加。

從經(jīng)過(guò)差值處理后的海桐光譜響應(yīng)曲線來(lái)看，隨著SPAD值的增加，海桐在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)烈，尤其是在500nm和670nm波段最為強(qiáng)烈，出現(xiàn)了兩個(gè)峰值。把不同的SPAD值的光譜響應(yīng)曲線相加，可以得到海桐對(duì)SPAD值的最敏感波段是657.5nm左右。

通過(guò)求出不同SPAD值的海桐一階光譜曲線，發(fā)現(xiàn)最敏感波段在導(dǎo)數(shù)光譜曲線中對(duì)應(yīng)的位置是紅邊左側(cè)第一個(gè)一階導(dǎo)數(shù)等于0的位置，即原始光譜曲線中紅谷的位置。這與大多數(shù)學(xué)者得出的結(jié)論相符。

4 結(jié)論

通過(guò)植被的原始光譜曲線，可以看出海桐是一種典型植被，其擁有典型的綠色健康植被的光譜特征。通過(guò)包絡(luò)線去除后的不同SPAD值的海桐光譜曲線，我們得到了植被葉綠素含量的差異影響光譜響應(yīng)最大的是可見(jiàn)光波段。但是具體的是在可見(jiàn)光波段的哪個(gè)位置，還無(wú)法得到。然后用差值相比法進(jìn)行處理后，可以明顯看出不同SPAD值植被的光譜響應(yīng)強(qiáng)度，我們從中得到了海桐對(duì)葉綠素含量的敏感波段發(fā)生在657.5nm處，結(jié)合海桐的一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線，我們得出了下面的結(jié)論：海桐是一種典型的綠色健康植被；海桐光譜特征對(duì)于葉綠素含量的敏感波段發(fā)生在原始光譜曲線的紅光吸收谷位置；并且隨著葉綠素含量的增加，海桐在紅色吸收谷處的吸收率越大。

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