曹妃甸濕地典型植被光譜特征差異性分析

王美玲，焦琳琳，王曉紅，吳 兵，肖星星

(華北理工大學(xué) 研究生學(xué)院，河北 唐山 063200)

近些年來(lái)，頻繁的人類活動(dòng)導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)受到不同程度的干擾，出現(xiàn)生物多樣性減少、生態(tài)環(huán)境破壞和濕地面積萎縮等一系列問(wèn)題。其中，濕地植物多樣性的減少引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，植被識(shí)別和分類已經(jīng)成為濕地植被監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一，研究人員利用分辨率高、波段多、數(shù)據(jù)豐富的高光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行植被種類識(shí)別，顯著地提高了植被遙感分類的準(zhǔn)確性。隨著高光譜技術(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的完善，研究人員在濕地植被的精細(xì)識(shí)別方面也取得了較多成果：任廣波等[1]對(duì)黃河三角洲的6種典型植被進(jìn)行高光譜測(cè)試，對(duì)比包絡(luò)線去除法的反射率光譜曲線與原始光譜曲線的差異，確定了能夠反映不同植被光譜反射率差異的波段；柴穎等[2]以美國(guó)Sacramento-San Joaquin三角洲為研究區(qū)，結(jié)合實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)和Hy Map數(shù)據(jù)構(gòu)造特征指數(shù)并建立決策樹模型，提高了濕地植被光譜精細(xì)分類的精度；鄒維娜等[3]分析了淀山湖6種典型沉水植物的光譜特征，利用主成分分析法篩選對(duì)沉水植物光譜種間差異敏感的植被指數(shù)和光譜指數(shù)，探尋能夠有效識(shí)別不同種類水生植物的光譜識(shí)別方法。

先前，研究人員一般選用針對(duì)特定研究區(qū)的最優(yōu)方法對(duì)其植被原始光譜曲線進(jìn)行處理，以利于濕地植被的種類識(shí)別，但很少有研究關(guān)注不同生長(zhǎng)時(shí)期植被光譜反射率的差異[4-7]。曹妃甸濕地生物多樣性豐富，但近幾年過(guò)多的人類活動(dòng)給曹妃甸濕地的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了巨大改變，既有研究的關(guān)注點(diǎn)主要集中在濕地旅游開發(fā)建設(shè)方面，在濕地植被光譜特征方面并無(wú)太多研究。故本文以曹妃甸濕地中2種典型植被——蘆葦[Phragmitesaustrali(Car.) Trin. ex Steud.]和翅堿蓬[Suaedasalsa(L.) Pau.]的光譜特征數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，在分析2種濕地植被原始光譜特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用包絡(luò)線去除法變換原始光譜曲線，進(jìn)一步分析濕地植被的光譜特征及其差異性，以有效識(shí)別2種植被的差異波段，以期為濕地植被多樣性保護(hù)和遙感分類識(shí)別提供理論基礎(chǔ)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

曹妃甸濕地位于河北省唐山市，行政范圍包括原唐?？h七農(nóng)場(chǎng)、十一農(nóng)場(chǎng)和四農(nóng)場(chǎng)的部分區(qū)域，地理坐標(biāo)為39°9′24″～39°14′28″N，118°15′42″～118°23′24″E[8]，總面積達(dá)11 064 hm2。曹妃甸濕地保護(hù)區(qū)規(guī)劃總面積6 840 hm2，包括曹妃湖內(nèi)6個(gè)島嶼及其周邊岸灘、曹妃湖南側(cè)約267 hm2、雙龍河以西濕地迷宮200 hm2，以及其他濕地區(qū)域。曹妃甸濕地規(guī)劃區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)氣候，兼受短時(shí)海洋性氣候的影響，多年平均氣溫11.2 ℃，多年平均降水量618.9 mm。規(guī)劃區(qū)內(nèi)濕地植物群落以蘆葦群落和堿蓬群落為優(yōu)勢(shì)群落，另外也有小片狹葉香蒲群落和荊三棱群落。

1.2 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

曹妃甸濕地具有豐富的植被種類，僅被子植物就有73種，主要的植物群落有翅堿蓬、蘆葦、小片狹葉香精和荊三核，總體以蘆葦群落和翅堿蓬群落為主。長(zhǎng)勢(shì)茂密的蘆葦分布于曹妃甸濕地公園各處，翅堿蓬主要分布在土壤鹽漬化較嚴(yán)重的區(qū)域。根據(jù)研究區(qū)的生長(zhǎng)環(huán)境和植被分布特征，翅堿蓬和蘆葦群落的單個(gè)樣方都相距直線距離1 km左右，在每個(gè)采樣點(diǎn)距離植被冠層上方10 cm左右測(cè)取10條光譜曲線，每種植物測(cè)量3個(gè)樣點(diǎn)，采集2種植物時(shí)盡量保持植株高度、植被覆蓋度和長(zhǎng)勢(shì)相似。

于2018年7月12日、8月16日、9月13日和10月18日在曹妃甸濕地公園采集蘆葦和翅堿蓬的光譜數(shù)據(jù)。光譜數(shù)據(jù)的采集設(shè)備為SR2500便攜式地物光譜儀。該儀器可測(cè)定光譜反射率，適用于遙感測(cè)量、礦物分析、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[9]。每月分別采集3個(gè)樣品。在室內(nèi)測(cè)試過(guò)程中，每個(gè)樣品都要重復(fù)測(cè)試10次，以減少光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)定過(guò)程中的誤差，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在室內(nèi)進(jìn)行光譜測(cè)量時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：(1)使用模擬太陽(yáng)光源；(2)觀測(cè)人員應(yīng)身著深色服裝；(3)光譜儀須開機(jī)預(yù)熱；(4)光譜儀探頭應(yīng)對(duì)準(zhǔn)測(cè)試面，非接觸式測(cè)試儀器探頭與測(cè)試面距離宜大于10 cm；(5)每組觀測(cè)開始和結(jié)束時(shí)，以測(cè)定參考板為依據(jù)；(6)將需要測(cè)量的植被樣本放在黑色絨布上進(jìn)行編號(hào)，采集20～30條光譜曲線，最后記錄編號(hào)和數(shù)據(jù)。

具體地，蘆葦和翅堿篷在進(jìn)行光譜測(cè)量時(shí)均采用垂直測(cè)量方式，儀器探頭與測(cè)試面距離10 cm。蘆葦?shù)臏y(cè)量部位為蘆葉，翅堿逢的測(cè)量位置為葉條形葉片。

1.2.2 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用DARWin SP軟件，對(duì)7—10月的蘆葦和翅堿蓬光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。在測(cè)量蘆葦和翅堿蓬光譜曲線過(guò)程中，難免會(huì)由于外界條件作用而使測(cè)量的光譜曲線存在一定的偏差，剔除異常的光譜曲線數(shù)據(jù)可以提高測(cè)量準(zhǔn)確性。把每月2種濕地植被剔除異常數(shù)據(jù)后的光譜數(shù)據(jù)在Excel 2010中求取平均值，將獲取的平均值作為每個(gè)植被采樣點(diǎn)的真實(shí)光譜反射率。均值處理后的光譜曲線上存在很多“毛刺”噪聲，用DARWin SP軟件進(jìn)行平滑處理，從而消除噪聲毛刺，減弱隨機(jī)噪音，提高信噪比。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型植被光譜特征的時(shí)間差異

2.1.1 不同生長(zhǎng)階段蘆葦光譜曲線特征差異

由于本文的研究對(duì)象為植被單體，故選取的波長(zhǎng)范圍在320～1 020 nm。在本研究中，將7—10月份進(jìn)一步劃分成植被生長(zhǎng)的2個(gè)階段：生長(zhǎng)旺盛期(7—8月)和生長(zhǎng)末期(9—10月)，分別計(jì)算出不同生長(zhǎng)階段2種植被的平均光譜反射率用于后續(xù)分析。分析圖1-a蘆葦原始光譜曲線可知：整體來(lái)說(shuō)，2個(gè)生長(zhǎng)階段的蘆葦光譜曲線變化呈相似趨勢(shì)。在340～576 nm波段范圍內(nèi)，2個(gè)生長(zhǎng)階段的反射率總體上均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)樯L(zhǎng)旺盛期的蘆葦葉片內(nèi)葉綠素含量高于生長(zhǎng)末期，導(dǎo)致其生長(zhǎng)旺盛期的反射率高于生長(zhǎng)末期。在576～716 nm波段范圍內(nèi)，2個(gè)生長(zhǎng)階段的反射率變化呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)樯L(zhǎng)末期葉片內(nèi)的葉黃素和葉紅素增加，使得該波段范圍內(nèi)生長(zhǎng)末期的反射率高于生長(zhǎng)旺盛期。在716 nm之外，2個(gè)生長(zhǎng)階段的反射率都呈現(xiàn)一個(gè)先急劇上升然后基本穩(wěn)定的趨勢(shì)，且在生長(zhǎng)旺盛期的反射率顯著高于生長(zhǎng)末期。這可能是由于生長(zhǎng)末期蘆葦葉片的含水量增加，故在近紅外波段的反射率明顯減小。

包絡(luò)線去除法是將反射光譜吸收強(qiáng)烈部分的波段特征進(jìn)行轉(zhuǎn)換，放大并形成一種歸一化的吸收光譜，故在近紅外波段植被光譜差異已經(jīng)被歸一化抹去。包絡(luò)線去除后的蘆葦光譜曲線與原始光譜曲線差異較大，只在420～750 nm可以較明顯地區(qū)別不同生長(zhǎng)階段，但在340～380 nm和716～1 020 nm這2個(gè)波段范圍內(nèi)，原始的蘆葦光譜曲線更容易區(qū)分不同生長(zhǎng)期，生長(zhǎng)旺盛期的反射率高于生長(zhǎng)末期。經(jīng)過(guò)包絡(luò)線去除處理后，不同生長(zhǎng)期的蘆葦光譜曲線在508 nm和678 nm處都表現(xiàn)出明顯的吸收谷，在550 nm處都表現(xiàn)出明顯的反射峰，但生長(zhǎng)末期的反射率明顯高于生長(zhǎng)旺盛期。綜上所述，在420～750 nm波段范圍內(nèi)，利用包絡(luò)線去除的方法可以更好地區(qū)分不同生長(zhǎng)期的蘆葦。

圖1 蘆葦原始光譜曲線(a)和包絡(luò)線去除后的光譜曲線(b)Fig.1 Original spectral curves of Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud (a) and spectral curve after envelope removal (b)

2.1.2 不同生長(zhǎng)階段翅堿蓬光譜曲線特征差異

分析圖2-a翅堿蓬原始光譜曲線可知：整體來(lái)說(shuō)，2個(gè)生長(zhǎng)階段的翅堿蓬光譜曲線差異性較大。在340—595 nm波段范圍內(nèi)，生長(zhǎng)旺盛期的翅堿蓬葉片內(nèi)葉綠素含量較高，導(dǎo)致其在生長(zhǎng)旺盛期的反射率高于生長(zhǎng)末期；在622～710 nm波段范圍內(nèi)，生長(zhǎng)末期的翅堿蓬葉片的花青素含量升高，導(dǎo)致其反射率高于生長(zhǎng)旺盛期。在340～550 nm波段范圍內(nèi)，生長(zhǎng)旺盛期的反射率呈先下降后上升的趨勢(shì)，生長(zhǎng)末期的反射率在340～638 nm波段范圍內(nèi)呈現(xiàn)相似趨勢(shì)，比生長(zhǎng)旺盛期的波段范圍寬。在綠光492～550 nm波段范圍內(nèi)，由于生長(zhǎng)旺盛期的翅堿蓬葉綠素含量高于生長(zhǎng)末期，導(dǎo)致其在生長(zhǎng)旺盛期的反射率明顯高于生長(zhǎng)末期。生長(zhǎng)末期的翅堿蓬葉片內(nèi)花青素含量升高，故在紅光波段638 nm處生長(zhǎng)末期的反射率高于生長(zhǎng)旺盛期。在710～920 nm波段范圍內(nèi)，2個(gè)生長(zhǎng)階段的反射率呈現(xiàn)先急劇上升然后基本穩(wěn)定的趨勢(shì)，且生長(zhǎng)旺盛期的反射率高于生長(zhǎng)末期。此外，2個(gè)生長(zhǎng)階段的吸收谷和反射峰所在波段存在稍許差異。生長(zhǎng)旺盛期和生長(zhǎng)末期均在藍(lán)光波段410 nm處因葉綠素的吸收產(chǎn)生第2個(gè)吸收谷，在紅光波段678 nm處出現(xiàn)第2個(gè)吸收谷；但生長(zhǎng)旺盛期的第一個(gè)反射峰在綠光波段550 nm處，而生長(zhǎng)末期的第一個(gè)反射峰在紅光波段638 nm處。

包絡(luò)線去除后的翅堿蓬光譜曲線與原始光譜曲線差異較大，在595～710 nm波段范圍內(nèi)可以明顯區(qū)別不同生長(zhǎng)階段，但在340～595 nm和710～920 nm波段范圍內(nèi)，原始的翅堿蓬光譜曲線更有利于區(qū)分不同生長(zhǎng)期，生長(zhǎng)旺盛期的反射率高于生長(zhǎng)末期。經(jīng)過(guò)包絡(luò)線去除后，不同生長(zhǎng)期的翅堿蓬在678 nm處都表現(xiàn)出明顯的吸收谷，但生長(zhǎng)末期在638 nm處表現(xiàn)出明顯的反射峰，且生長(zhǎng)末期的反射率高于生長(zhǎng)旺盛期。

2.2 典型植被光譜特征的種間差異

2.2.1 生長(zhǎng)旺盛期蘆葦和翅堿蓬光譜曲線特征差異

對(duì)生長(zhǎng)旺盛期的蘆葦和翅堿蓬光譜曲線進(jìn)行對(duì)比(圖3)。整體上來(lái)說(shuō)，生長(zhǎng)旺盛期的2種植被光譜曲線呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)，但蘆葦?shù)墓庾V反射率高于翅堿蓬。經(jīng)過(guò)包絡(luò)線去除后，370～700 nm范圍內(nèi)2種植被的光譜曲線也具有相似的變化趨勢(shì)，但由于生長(zhǎng)旺盛期的蘆葦葉綠素含量相對(duì)較高，故蘆葦?shù)姆瓷渎拭黠@高于翅堿蓬反射率(圖3-b)。經(jīng)過(guò)包絡(luò)線去除后，生長(zhǎng)旺盛期的蘆葦和翅堿蓬光譜曲線在藍(lán)光波段416 nm處和紅光波段682 nm處均表現(xiàn)出明顯的吸收谷，在綠光波段550 nm處表現(xiàn)出明顯的反射峰，且蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。在753～1 020 nm波段范圍內(nèi)，原始光譜曲線更有利于區(qū)分蘆葦和翅堿蓬，且蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。

圖2 翅堿蓬原始光譜曲線(a)和包絡(luò)線去除后的光譜曲線(b)Fig.2 Original spectral curve of Suaeda salsa(L.) Pall (a) and spectral curve after envelope removal (b)

a，原始光譜曲線；b，包絡(luò)線去除法處理后的光譜曲線。a， Original spectral curves; b， Spectral curves after envelope removal.圖3 旺盛生長(zhǎng)期蘆葦、翅堿蓬光譜曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of the spectral curves of Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud and Suaeda salsa(L.) Pall under vigorous growth period

a，原始光譜曲線；b，包絡(luò)線去除法處理后的光譜曲線。a， Original spectral curves; b， Spectral curves after envelope removal.圖4 生長(zhǎng)末期蘆葦、翅堿蓬光譜曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of the spectral curves of Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud and Suaeda salsa(L.) Pall under terminal growth period

2.2.2 生長(zhǎng)末期蘆葦和翅堿蓬光譜曲線特征差異

對(duì)生長(zhǎng)末期的蘆葦和翅堿蓬光譜曲線進(jìn)行對(duì)比(圖4)。整體上來(lái)說(shuō)，生長(zhǎng)末期的2種植被光譜曲線變化趨勢(shì)相似，但蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。在480～638 nm波段范圍內(nèi)，蘆葦和翅堿蓬反射率差異較明顯，蘆葦反射率呈先上升后下降趨勢(shì)，而翅堿蓬反射率呈逐步上升趨勢(shì)。生長(zhǎng)末期的翅堿蓬葉片成熟變紅，導(dǎo)致葉綠素含量降低，故生長(zhǎng)末期的翅堿蓬反射率呈逐步上升趨勢(shì)。在678～1 020 nm波段范圍內(nèi)，蘆葦和翅堿蓬的反射率都呈現(xiàn)一個(gè)先急劇上升然后基本穩(wěn)定的趨勢(shì)，但蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。這主要可能是受植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、葉面積指數(shù)及冠層結(jié)構(gòu)等因素的影響。此外，生長(zhǎng)末期的蘆葦和翅堿蓬的吸收谷和反射峰波段也存在差異：蘆葦和翅堿蓬在藍(lán)光波段410 nm處和紅光波段678 nm處出現(xiàn)2個(gè)吸收谷；但蘆葦在綠光波段550 nm處出現(xiàn)第1個(gè)反射峰，而翅堿蓬在紅光波段638 nm處出現(xiàn)第一個(gè)反射峰。經(jīng)過(guò)包絡(luò)線去除后，生長(zhǎng)末期的蘆葦和翅堿蓬光譜曲線差異較大，在360～700 nm波段范圍內(nèi)可以明顯區(qū)別這2種植被。蘆葦和翅堿蓬在藍(lán)光波段418 nm處和紅光波段683 nm處出現(xiàn)明顯的吸收谷，但蘆葦在綠光波段550 nm處出現(xiàn)明顯的反射峰，而翅堿蓬在紅光波段638 nm處出現(xiàn)明顯的反射峰。在360～700 nm波段范圍內(nèi)，生長(zhǎng)末期的蘆葦和翅堿蓬在經(jīng)過(guò)包絡(luò)線去除后更有利于區(qū)分，且蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。在其余波段范圍內(nèi)，原始光譜曲線更有利于區(qū)分蘆葦和翅堿蓬，且蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。

3 討論

本文以曹妃甸濕地為研究區(qū)，選擇了典型植被——蘆葦和翅堿蓬作為研究對(duì)象，在分析2典型植被光譜特征的基礎(chǔ)上，利用包絡(luò)線去除法進(jìn)行變換，對(duì)其典型植被光譜特征深入開展時(shí)間差異和種間差異分析。

通過(guò)分析典型植被光譜特征的時(shí)間差異可知：包絡(luò)線去除方法可以有效地突出植被光譜曲線的吸收和反射特征。在340～380 nm和716～1 020 nm這2個(gè)波段范圍內(nèi)，分析原始蘆葦?shù)墓庾V曲線更有利于區(qū)分植被的生長(zhǎng)期，且生長(zhǎng)旺盛期的反射率高于生長(zhǎng)末期；但在420～716 nm波段范圍內(nèi)，用包絡(luò)線去除的方法更有利于在508、550、678 nm處區(qū)分蘆葦生長(zhǎng)階段，且生長(zhǎng)末期的反射率高于旺盛期。在340～595 nm和710～920 nm波段范圍內(nèi)，利用翅堿蓬的原始光譜曲線更有利于區(qū)分其所處的生長(zhǎng)期，且生長(zhǎng)旺盛期的反射率高于生長(zhǎng)末期。經(jīng)包絡(luò)線去除處理的翅堿蓬光譜曲線與原始光譜曲線差異較大。在595～710 nm波段范圍內(nèi)，用包絡(luò)線去除的方法更有利于在638 nm和678 nm處區(qū)分翅堿蓬生長(zhǎng)階段，且生長(zhǎng)末期的反射率高于生長(zhǎng)旺盛期。通過(guò)分析蘆葦和翅堿蓬不同生長(zhǎng)時(shí)期的典型特征，可為之后更準(zhǔn)確地估算不同生長(zhǎng)期的生物量，以及其他植被指數(shù)的反演等奠定基礎(chǔ)。

通過(guò)分析典型植被光譜特征的種間差異可知：生長(zhǎng)旺盛期的蘆葦和翅堿蓬光譜曲線呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)，但蘆葦?shù)墓庾V反射率高于翅堿蓬。經(jīng)過(guò)包絡(luò)線去除后，生長(zhǎng)末期的蘆葦和翅堿蓬光譜曲線差異較大。在360～700 nm波段范圍內(nèi)，用包絡(luò)線去除的方法更有利于區(qū)分蘆葦和翅堿蓬：蘆葦在綠光波段550 nm處出現(xiàn)明顯的反射峰，翅堿蓬在紅光波段638 nm處出現(xiàn)明顯的反射峰，且蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。通過(guò)分析蘆葦和翅堿蓬相同生長(zhǎng)時(shí)期的典型特征，可以了解和掌握不同植被的光譜特性和變化規(guī)律，為植被類型的識(shí)別提供依據(jù)，從而更好地開展?jié)竦刂脖坏膭?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和規(guī)劃提供有效信息。