種間競爭條件下互花米草光譜特征分析及葉綠素含量反演研究

劉浦東

山東建筑大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101

濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在碳氮等物質(zhì)循環(huán)和能量傳輸中扮演重要角色。由于外來物種入侵等原因，濕地的生物多樣性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其生態(tài)安全問題成為關(guān)注的焦點(diǎn)?；跐竦刂脖还庾V特征的遙感技術(shù)，已成為大范圍、高效率、低成本濕地監(jiān)測的重要手段，在保障濕地生態(tài)安全方面發(fā)揮了積極的作用。但是，當(dāng)前的濕地遙感仍存在一些不足。一方面，相關(guān)研究多集中于純像元中的物種識別與定性分類，對于多物種混合生長區(qū)的研究相對薄弱，如多物種混生像元的識別及其混合光譜特征分析等。另一方面，對于影響植物重要生理生態(tài)過程的葉綠素等生化成分定量反演相關(guān)研究，在濕地生態(tài)系統(tǒng)鮮有開展，尤其在多物種混合生長區(qū)域，其光譜特征的形成機(jī)制及其對生化成分定量反演的影響尚無研究?；旌仙L區(qū)作為種間競爭最激烈的區(qū)域，是濕地生態(tài)學(xué)研究的重要區(qū)域之一，但在遙感和光譜學(xué)領(lǐng)域尚缺乏足夠的基礎(chǔ)研究。

針對上述問題，論文以位于上海崇明島周邊的長江口鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)為研究區(qū)，以外來入侵物種互花米草(Spartina Alterniflora)為研究對象，通過野外控制試驗(yàn)和輻射傳輸模型模擬，研究其與本地物種蘆葦(Phragmite Australis)在混合生長與競爭過程中反映出的葉、冠光譜特征，并將該光譜特征與其葉綠素含量聯(lián)系起來，研究其在不同競爭程度下的光譜響應(yīng)及其對葉綠素反演的影響，為拓展遙感與光譜技術(shù)在濕地植被混合生長帶的種間競爭研究及其生化參數(shù)定量反演提供理論依據(jù)和研究范例。主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下：

(1) 在崇明東灘濕地設(shè)計(jì)和開展了為期兩年的互花米草、蘆葦野外控制試驗(yàn)，創(chuàng)新地將兩物種不同混合比例作為控制變量之一，獲取了二者在不同競爭比例下的葉、冠光譜和葉綠素等生化成分含量數(shù)據(jù)，為研究種間競爭對互花米草光譜的影響機(jī)制提供了第一手基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2) 基于野外控制實(shí)驗(yàn)測得的互花米草葉片光譜和葉綠素含量數(shù)據(jù)，從79種已發(fā)表的葉綠素相關(guān)光譜指數(shù)中篩選出若干敏感指數(shù)進(jìn)行不同競爭水平下的葉片葉綠素含量反演。結(jié)果表明，在葉綠素含量反演精度方面，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的多指數(shù)協(xié)同反演方法優(yōu)于單指數(shù)擬合法，RMSE降低10.38%；顧及不同競爭比例的多模型反演方法優(yōu)于不區(qū)分種間競爭水平的單模型反演方法，不同競爭比例RMSE降低6.4%至16.3%?？偟膩碚f，顧及競爭的多指數(shù)協(xié)同反演方法精度最高，且在反演結(jié)果上與實(shí)測值保持良好線性關(guān)系，能夠較好糾正單指數(shù)模型的高估問題。論文基于PROSPECT模型開展的模擬研究也得到相同結(jié)論。

(3) 分析了不同時(shí)相、不同競爭水平下兩種物種冠層光譜變化規(guī)律，并使用PROSAIL模型生成符合條件的冠層模擬光譜，開展冠層葉綠素含量的反演研究。結(jié)果表明，4月下旬至5月上旬是兩種物種及其混合生長區(qū)在光譜上最易于區(qū)分的時(shí)相，與兩者物候特點(diǎn)及其混合生長時(shí)對光照等資源的競爭有關(guān)；對冠層葉綠素反演而言，顧及競爭的多指數(shù)協(xié)同反演方法精度最高，相比于不區(qū)分競爭的同種方法，RMSE降幅平均達(dá)到53.58%。

(4) 考慮到顧及互花米草與蘆葦?shù)幕旌细偁幱兄谔岣呷~綠素反演精度，論文在區(qū)域尺度上，利用國產(chǎn)高分1號遙感影像開展了二者混合生長帶的識別研究。通過選擇合適的時(shí)相，并融入物種生境先驗(yàn)知識，首次實(shí)現(xiàn)了互花米草、蘆葦混合生長帶的遙感提取，為濕地遙感分類從純物種分類向“純物種+混合帶”分類提供了經(jīng)驗(yàn)。