伊犁絹蒿荒漠草地3種主要植物光譜及植被指數(shù)改進(jìn)

韓萬(wàn)強(qiáng)，靳瑰麗，岳永寰，王惠寧，宮 珂,吳雪兒，吾魯帕·阿得爾卡里

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830052)

0 引 言

【研究意義】伊犁絹蒿荒漠草地是新疆草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是當(dāng)?shù)刂饕拇呵锬翀?chǎng)[1]。但近年來(lái)，隨著氣候變化和超載過(guò)牧等因素的影響而嚴(yán)重退化[2]。草地退化不僅表現(xiàn)在生產(chǎn)能力的降低，還表現(xiàn)在群落結(jié)構(gòu)的變化，例如優(yōu)質(zhì)牧草組分的減少和毒害草組分的增加[3]。當(dāng)前需要準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)獲得草地植物群落中各物種組成變化，這對(duì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)草地類型質(zhì)量特征、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)草地的退化與恢復(fù)特征有著重要的作用。地物光譜是現(xiàn)代遙感技術(shù)的重要組成部分[4], 它不僅是遙感理論研究的重要內(nèi)容，也是遙感應(yīng)用研究的重要依據(jù)。高光譜因其波段數(shù)量多且波段連續(xù)，在獲取地物局部精細(xì)信息和光譜細(xì)節(jié)特征上有著良好的表現(xiàn)，相較于多光譜在分析植物的光譜特征及其差異上有著較大的優(yōu)勢(shì)[5]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】運(yùn)用高光譜對(duì)植物光譜特征分析也成為了近些年研究的熱點(diǎn)之一[6]，且已經(jīng)在草地光譜特征分析[7-8]、蓋度[9]、生物量[10]、物理和化學(xué)的反演[11-12]、草地植物識(shí)別與分類等領(lǐng)域得到一定的研究[13-14]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】植被指數(shù)一直是研究植被特征最簡(jiǎn)單、最有效的方法之一[15]。在伊犁絹蒿荒漠草地的研究中，發(fā)現(xiàn)選用近紅外波段反射率、紅邊位置、綠波段反射率、修改型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)和葉綠素吸收比值指數(shù)能夠較好的區(qū)分9種草地植物[16]，RVI能反映牧草返青期各植物差異[17]。研究伊犁絹蒿荒漠草地3種主要植物光譜特征及植被指數(shù)特征。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以伊犁絹蒿荒漠草地的3種典型主要植物為研究對(duì)象，在其返青期采集草地群落的光譜影像，從中提取主要植物的光譜數(shù)據(jù)，分析和篩選出光譜特征波段，篩選最佳特征波段組合構(gòu)建植被指數(shù)來(lái)區(qū)分3種主要植物，提高伊犁絹蒿荒漠草地主要植物的識(shí)別精度，為草地遙感分類提供理論與科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區(qū)地處天山北坡中段烏魯木齊市米東區(qū)柏楊河鄉(xiāng)，是典型的伊犁絹蒿荒漠草地，海拔895～954 m，年降水170～276 mm，屬于溫帶大陸性半干旱半荒漠氣候。該區(qū)該類型草地在全疆具有一定的代表性，為當(dāng)?shù)卮呵锬翀?chǎng)，其優(yōu)勢(shì)種和建群種為伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)，伴生種為1年生植物叉毛蓬(Petrosimoniasibirica)和角果藜(Ceratocarpusarenarius)。通過(guò)前期的調(diào)查與研究，并考慮群落中物種的參與度，確定伊犁絹蒿、角果藜和叉毛蓬為主要識(shí)別植物。

1.2 方 法

1.2.1 樣地與樣方的設(shè)置

在研究區(qū)設(shè)置6條500 m的樣線，每條樣線相隔150 m，在樣線上每隔60 m布置一個(gè)30 m×30 m的樣地，采用“X”取樣法在樣地中布置5個(gè)小樣方作為光譜影像采集點(diǎn)，根據(jù)儀器視場(chǎng)范圍及影像清晰度，樣方面積設(shè)為0.5 m×0.6 m，6條樣線共設(shè)置150個(gè)樣方。

1.2.2 高光譜影像采集

采用SOC710 VP成像光譜儀采集群落樣方高光譜影像，其波長(zhǎng)范圍400～1 000 nm，包括了可見(jiàn)光(400～780 nm)和部分近紅外光(780～1 000 nm)。光譜分辨率波長(zhǎng)精度為4.7 nm。

根據(jù)前期的研究4月為該類草地長(zhǎng)勢(shì)較好時(shí)期。野外光譜測(cè)量時(shí)間為2018年4月，為減少干擾，設(shè)置測(cè)量條件為天氣晴朗云量較少，地面能見(jiàn)度高；大氣較好，風(fēng)力<3級(jí)；測(cè)量時(shí)段為11:00～16:00(太陽(yáng)高度角﹥45°)；測(cè)量時(shí)使植物冠層和參考板在相同的光照條件和環(huán)境下，且處于同一水平高度上。只保留3種主要植物，將樣方中零星分布的其它植物拔除，采集每個(gè)樣方中群落高光譜影像。同時(shí)使用針刺法測(cè)定樣方中各物種的蓋度，以及地上生物量(帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)量)，為光譜數(shù)據(jù)的分析提供參考依據(jù)。

1.2.3 高光譜反射率提取

使用成像光譜儀自帶SRAnal 710軟件從影像中提取伊犁絹蒿、角果藜、叉毛蓬和群落的光譜數(shù)據(jù)。從150張影像中提取每種研究對(duì)象2次，即共獲取每種識(shí)別對(duì)象300個(gè)光譜數(shù)據(jù)。

1.2.4 光譜變換

從影像中提取的光譜曲線受外界環(huán)境和噪聲的影響較大，采取式(1)進(jìn)行平滑去噪，計(jì)算得到各植物和群落的原始反射率REF，經(jīng)過(guò)式(2)得到吸收率ABS，經(jīng)過(guò)式(3)得到反射率一階微分GREF，經(jīng)過(guò)(4)式得到吸收率一階微分GABS。

REF=0.04Rλ-4+0.08Rλ-3+0.12Rλ-2+0.16Rλ-1+0.2Rλ+0.16Rλ+1+0.12Rλ+2+0.08Rλ+3+0.04Rλ+4.

(1)

GREF=REFλ+1-REFλ-1/(λ+1)-

(λ-1).

(2)

ABS=lg[1/REFλ] .

(3)

GABS=ABSλ+1-ABSλ-1/(λ+1)-(λ-1).

(4)

式中，R為原始反射率，λ為波長(zhǎng)(nm)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為了得到更加明顯的光譜特征差異和更加全面的信息用于區(qū)分不同的植物，選擇波段組合或是使用全波段[18]。研究采用常用植被指數(shù)歸一化植被指數(shù)(NDVI)和比值植被指數(shù)(RVI)的計(jì)算方式，篩選敏感波段構(gòu)建最佳的波段組合和植被指數(shù)。

(5)

(6)

式中，為可見(jiàn)光敏感波段平均值，為近紅外波段平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜特征

研究表明，3種植物和群落的原始反射率和吸收率光譜曲線變化趨勢(shì)基本相似，波峰、波谷等特征出現(xiàn)的位置基本一致。3種植物中角果藜的反射率最大(最高達(dá)61%)，伊犁絹蒿的反射率稍小(最高達(dá)60%)，叉毛蓬最小(最高達(dá)53%)，群落的反射率明顯低于3種植物(最高達(dá)24%)。

可見(jiàn)光波段光譜曲線490～530 nm出現(xiàn)上升趨勢(shì)，且在490～590 nm出現(xiàn)了第1個(gè)波峰，在680 nm附近出現(xiàn)第1個(gè)波谷，之后在730 nm附近均形成植物所特有的紅邊。紅邊現(xiàn)象雖然整體的趨勢(shì)相差不大，但是在不同的植物之間其反射率和位置還是有區(qū)別。在近紅外波段760～1 000 nm內(nèi)，反射率一直保持在較高的水平。其中在760～800 nm內(nèi)出現(xiàn)了1個(gè)波谷，820～880 nm出現(xiàn)第2個(gè)波谷，930～970 nm出現(xiàn)1個(gè)波峰。圖1

圖1 反射率REF和吸收率ABS曲線
Fig.1 Reflectivity REF and absorptivity ABS curve

吸收率ABS的變化趨勢(shì)和反射率REF相反。紅邊區(qū)域680～760 nm，光譜值斜率突然增大，不同植物反射率和吸收率之間的差異會(huì)有所降低。光波段400～680 nm，近紅外波段760～800 nm和960～1 000 nm的反射率和吸收率較為穩(wěn)定，且不同植物的光譜值差異較大。圖1

2.2 敏感波段篩選

角果藜反射率在可見(jiàn)光波段400～780 nm和780～820 nm始終最大，而其相應(yīng)的吸收率明顯低于其它植物，在820～1 000 nm角果藜與伊犁絹蒿反射率相似性較大。群落的反射率在可見(jiàn)光波段400～652 nm和近紅外波段703～1 000 nm一直低于其它植物，只有703～780 nm，群落的反射率低于叉毛蓬。

圖2 反射率和吸收率一階微分曲線
Fig.2 First order differential curves of reflectivity and absorptivity

在400～490 nm波段內(nèi)，3種植物都為未開(kāi)花綠色植物其反射率呈現(xiàn)陡坡上升趨勢(shì)，群落同樣是上升趨勢(shì)但增幅斜率較小。在490～530 nm藍(lán)光波段，510～560 nm綠光波段，620～760 nm紅光波段，780～820 nm近紅外波段均表現(xiàn)出角果藜>伊犁絹蒿>叉毛蓬>群落，這些波段可以有效的區(qū)分3種植物。

由3種植物和群落全波段一階微分變換后的反射率GREF和吸收率GABS可以看出，一階微分反射率GREF和一階微分吸收率GABS各植物差異明顯且穩(wěn)定的波段與反射率REF和吸收率ABS相同。圖2

2.3 植被指數(shù)的改進(jìn)

研究表明，反射率REF與吸收率ABS的3種光譜組合中，510～560 nm，780～820 nm波段組合時(shí)利用反射率REF得到的NDVI效果較好，3種植物在此波段組合下的改進(jìn)型NDVI的差異值最大，相近植被指數(shù)的最小差值保持在0.032 58以上，優(yōu)于對(duì)照400～780 nm，780～1 000 nm下的NDVI值(0.008 37)。490～530 nm，780～820 nm波段組合下的改進(jìn)型RVI效果較好，3種植物在此波段組合下的差異值最大，在0.455 34以上，優(yōu)于400～780 nm,780～1 000 nm下的RVI值(0.074 95)。在兩個(gè)波段組合下依改進(jìn)型NDVI和RVI值大小擺列順序一致，叉毛蓬>伊犁絹蒿>角果藜。表1

表1 REF、ABS改進(jìn)植被指數(shù)Table 1 REF and ABS improved vegetation indexes

研究表明，一階微分反射率GREF和一階微分GABS在3種波段組合下計(jì)算得到的改進(jìn)型NDVI’的值很相近，其中490～530 nm，780～820 nm和510～560 nm，780～820 nm計(jì)算得到的NDVI’最小差異值都優(yōu)于由全波段400～780 nm，780～1 000 nm得到的NDVI值。由3種波段組合計(jì)算得到的改進(jìn)型RVI’與NDVI’相同，其中490～530 nm，780～820 nm和510～560 nm，780～820 nm計(jì)算得到的RVI’最小差異值都優(yōu)于由全波段400～780 nm，780～1 000 nm得到的RVI值。表2

3 討 論

3.1 光譜特征

植物與太陽(yáng)光的相互作用主要體現(xiàn)在植物的冠層或是葉片的光譜特征。3種主要植物的反射率REF在510～560 nm出現(xiàn)第1個(gè)波峰，在這1波段內(nèi)反射率REF較強(qiáng)，吸收率ABS較弱，包含了可見(jiàn)光內(nèi)黃光和綠光區(qū)，這也是植物葉片呈現(xiàn)綠色的主要原因之一。在可見(jiàn)光400～780 nm波段內(nèi)，3種植物與群落的反射率REF依次為：角果藜>伊犁絹蒿>叉毛蓬，這與植物葉片葉綠素含量、結(jié)構(gòu)以及生育期特征有很大的關(guān)系[19]。3種主要植物以及群落在400～690 nm可見(jiàn)光范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的反射峰是因?yàn)橹参锶~綠素對(duì)綠光有較強(qiáng)的反射作用[20]，表現(xiàn)出反射率大小角果藜>伊犁絹蒿>叉毛蓬>群落，原因可能是此時(shí)間段角果藜長(zhǎng)勢(shì)較好葉綠素含量較高，它的反射率也最高。伊犁絹蒿雖冠層較大但葉兩面被灰綠色蛛絲狀柔毛影響了部分太陽(yáng)光的反射和吸收，導(dǎo)致其反射率也不高。而叉毛蓬植株小、葉片成圓柱狀且分布于伊犁絹蒿周圍，因此，其反射率并不高。群落的各植物蓋度不同，受裸地與枯落物影響較大，所以整體反射率偏低[21]。植被與太陽(yáng)相互作用的反射光譜特征與裸地、水體和建筑等其它地物不同。植物特有的“紅邊”現(xiàn)象，即在小于700 nm附近出現(xiàn)強(qiáng)吸收，大于700 nm附近出現(xiàn)高反射。3種植物與群落在610～680 nm范圍出現(xiàn)波谷，即紅谷，這一范圍包含了大部分紅光和橙光，是植物光合作用吸收最強(qiáng)的波段范圍，因此，反射率非常低。

表2 GREF、GABS改進(jìn)植被指數(shù)Table 2 GREF and GABS improved vegetation indexes

3.2 敏感波段選擇

近年來(lái)，對(duì)植物特征波段篩選識(shí)別做了多方面的研究，在對(duì)不同植物的光譜特征分析時(shí)均對(duì)可見(jiàn)光藍(lán)光波段、紅光波段的紅谷以及紅邊進(jìn)行分析，且表明這些波段的差異較大[22-24]，利用這些特征可以將不同植物區(qū)分開(kāi)來(lái)，胡遠(yuǎn)寧等對(duì)甘南的5種毒雜草光譜反射率進(jìn)行一階微分變換，利用紅谷、綠峰、紅邊、水分吸收、光譜指數(shù)等特征參數(shù)，較好的將5種毒雜草區(qū)分開(kāi)來(lái)[25]。研究表明，490～530 nm、510～560、620～760和780～820 nm 4個(gè)波段的3種主要植物光譜值的大小順序均為：角果藜>伊犁絹蒿>叉毛蓬，可以利用反射率REF和吸收率ABS的大小順序?qū)?種植物進(jìn)行區(qū)分。將反射率REF轉(zhuǎn)換為吸收率ABS可以將光譜數(shù)據(jù)間的差異進(jìn)行不同程度的放大，波峰和波谷更加清晰辨認(rèn)。反射率與吸收率的一階微分是反映植物在某波段內(nèi)的變化情況，能夠較好地反映和解釋反射率和吸收率增加和減少的幅度；經(jīng)過(guò)一階微分變換的反射率GREF和吸收率GABS表現(xiàn)出其藍(lán)邊特征、綠峰特征、紅谷特征以及紅邊特征，而這些綠色植物特有的光譜特征正好處于4個(gè)波段范圍，與前人研究結(jié)果一致。可以選擇這4個(gè)波段的組合作為3種主要植物在對(duì)應(yīng)變換下的敏感波段。

3.3 植被指數(shù)NDVI和RVI的改進(jìn)

篩選與研究相關(guān)性最好的植被指數(shù)[19,26]，或是差異較大的植被指數(shù)用于區(qū)分不同植物[18]。張波等分析了荒漠-綠洲交錯(cuò)地帶4種典型植被光譜特征，發(fā)現(xiàn)在反射率REF、吸收率ABS和一階微分反射率GREF 3種變換下，使用吸收率ABS計(jì)算的NDVI區(qū)分4種植物的效果較好[15]。研究通過(guò)對(duì)波段組合計(jì)算得到改進(jìn)后的NDVI值和RVI值差異比較，明顯看出使用REF變換的490～530 nm和780～820 nm波段組合效果較好，優(yōu)于對(duì)照400～780 nm和780～820 nm波段計(jì)算的NDVI和RVI；經(jīng)過(guò)一階微分變換后對(duì)比發(fā)現(xiàn)NDVI在GABS下差值最大，RVI則是在ABS下差值最大。雖然與張波研究結(jié)果有差異，可能是研究植物不同所造成；但也有一致之處，都在吸收率ABS變換下改進(jìn)的植被指數(shù)差異較大。利用GABS和ABS變換后的光譜數(shù)據(jù)計(jì)算改進(jìn)后的NDVI和RVI值來(lái)區(qū)分伊犁絹蒿荒漠草地3種主要植物具有比較明顯的效果，這種方法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的NDVI和RVI計(jì)算和經(jīng)REF、GREF變換計(jì)算的NDVI和RVI。

4 結(jié) 論

4.1 伊犁絹蒿、角果藜和叉毛蓬對(duì)太陽(yáng)輻射吸收形成的光譜曲線與多數(shù)植物相似。在可見(jiàn)光波段400～700 nm以吸收為主，510～560 nm范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)小的反射峰，在近紅外波段780～1 000 nm以反射為主出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的平臺(tái)。

4.2 3種主要植物的在敏感區(qū)域的光譜特征通過(guò)REF、ABS、GREF和GABS變換后，可以被進(jìn)一步放大。3種植物光譜值有明顯差異，且數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定的波段有490～530、510～560、620～760和780～820 nm，可選取這4個(gè)波段作為敏感波段用于植物識(shí)別。

4.3 利用GABS變換下490～530和780～820 nm波段組合計(jì)算的NDVI值和ABS變換下計(jì)算的RVI值可以有效辨別伊犁絹蒿荒漠草地3種主要植物伊犁絹蒿、角果藜和叉毛蓬。