北京城市彩葉系植物秋季高光譜特征研究及差異性分析

段敏杰，李延明，李新宇，謝軍飛，王 茜，趙松婷，許 蕊，王月容

北京市園林科學研究院，園林綠地生態(tài)功能評價與調控技術北京市重點實驗室，北京 100102

引 言

隨著城市化快速發(fā)展與居民生活水平提高，人們對于人居環(huán)境的追求不再簡單滿足于粗放型綠化方式，越來越多的人更加注重親近自然且多姿多彩的綠化搭配形式。而且近年來，北京市持續(xù)推進增彩延綠科技示范工程，以期實現(xiàn)首都園林綠化從“綠化”向“彩化、美化”轉變，向特色、精品轉變，從而提升首都園林綠化美化質量。彩葉植物在新時代城市園林綠化規(guī)劃設計中越來越受到青睞，其不僅能夠營造不同的園林景觀，而且對提高城市建設品位、改善人居環(huán)境質量、消除人們生活煩惱等方面均有積極的促進作用。如果能夠快速、無損地觀測城市彩葉植物區(qū)域分布特點及其生長特征變化，可為進一步優(yōu)化城市彩葉植物布局，加快城市彩葉植物系統(tǒng)建設提供重要理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。據(jù)研究，導致植物葉片色彩各異的內在因素主要是由于植物體內葉綠體色素與液泡中色素的共同作用，同時受外部環(huán)境變化和遺傳因素等多方面綜合影響造成的[1]。近年來，隨著高光譜遙感技術快速發(fā)展，分辨率高、信息量大、數(shù)據(jù)連續(xù)性強、獲取方法簡便等優(yōu)點也凸現(xiàn)出來，其不僅提供了大量地被植物光譜信息，促進了地物高光譜信息庫的構建與分析，而且也提高了光譜分辨率及其響應范圍[2]。植物光譜具有一系列的特征吸收譜帶，這些特征譜帶在不同類型樹種中具有穩(wěn)定的波長位置和特征形態(tài)，能夠指示出不同樹種間的差異，是高光譜進行樹種識別和入侵植物物種識別的基礎[3-4]。一些研究學者將其應用于不同樹種識別、植被遙感信息提取與定量反演等方面[5-7]，如Thenkabail等[8]研究了非洲4個生態(tài)區(qū)的植被和農作物的高光譜特征，并在400～2 500 nm確定了22～23個用于植被研究的最優(yōu)波段；Pape等[9]指出了植被特征與光譜指數(shù)的關系會隨著植被類型、物種類型和作物類型的變化而變化。但是在應用高光譜分析不同色系彩葉植物光譜反射特征差異方面仍然沒有系統(tǒng)性的研究。因此，本研究通過測定北京城市15種不同色系彩葉園林植物的秋季光譜數(shù)據(jù)，分析了不同色系彩葉植物的光譜反射特征，并研究了不同色系植物光譜吸收特征參數(shù)與光譜三邊特征參數(shù)的變化，以期能夠實現(xiàn)對不同色系彩葉植物與綠色植物的區(qū)分，為應用高光譜遙感技術觀測城市彩葉植物系統(tǒng)建設提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)

北京位于北緯39°54′20″，東經116°25′29″，總面積16 410.54 km2，地處華北平原北部，地勢西北高聳，東南低緩，屬典型暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，四季分明、春秋短促、冬夏較長。樣品測定區(qū)位于北京市園林科學研究院院內，其是北京唯一的市級園林綠化行業(yè)公益性科研院所，同時也是北京市科普教育基地、北京市新優(yōu)園林植物中試基地和國家職業(yè)技能鑒定所。

1.2 試驗材料

選擇生長狀況良好、色彩動人的彩葉植物為研究對象，包括黃色系植物[銀杏(Ginkgobiloba)、鵝掌楸(Liriodendronchinense)、白蠟(Fraxinuschinensis)、毛白楊(Populustomentosa)、垂柳(Salixbabylonica)、國槐(Sophorajaponica)、懸鈴木(Platanusacerifolia)]、紅色系植物[元寶楓(Acertruncatum)、雞爪槭(Acerpalmatum)、黃櫨(Cotinuscoggygria)、紅瑞木(Cornusalba)、五葉地錦(Parthenocissusquinquefolia)]、紫色系植物[紫葉小檗(Berberisthunbergiivar.atropurpurea)、紫葉李(Prunuscerasiferaf.atropurpurea)、紫葉碧桃(Prunuspersicaf.atropurpurea)]三種色系15種彩葉植物。同時，選取常見綠色系植物大葉黃楊(Euonymusjaponicus)作為對照研究。

1.3 光譜數(shù)據(jù)采集

光譜數(shù)據(jù)采集于2017年10月下旬，為了避免灰塵對植物光譜曲線的影響，選擇在雨后晴朗無云、無風或風級小于1級的天氣進行，測定時間為北京時間11:00—14:00(太陽高度角大于45°)。采用美國Spectral Evolution公司研制的SR-3501便攜式地物光譜儀進行測定，其光譜范圍是280～2 500 nm，光譜分辨率為4 nm(280～1 000 nm)。測量光譜時，光纖探頭與白板距離保持5 cm，每隔10 min進行一次標準白板的校正，觀測時若出現(xiàn)光照強度不穩(wěn)定的情況，及時校準白板。每次白板校準后，以反射率近似為零的黑色板為背景，測量每種植物葉片的光譜反射曲線，測量時光纖探頭垂直于植物葉片?？紤]到高大喬木分枝點高，所以采取離體測量法，每個樹種選擇3株生長良好的有代表性植株，于每個植株在冠層不同方向采集3枚葉片，每片葉光譜的采樣次數(shù)為10次，取其平均值作為該葉片的光譜反射率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用光譜處理軟件和Origin7.0 軟件對數(shù)據(jù)進行處理，計算每種植物的光譜反射率的平均值，并對原始光譜數(shù)據(jù)進行微分變換，目的是消除背景噪音對目標信號的影響，以更好地發(fā)現(xiàn)植物光譜變化規(guī)律[10-11]。計算公式如下

式中，R′(λi)為波長λi處的一階導數(shù)光譜；λi為每個波段的波長；R(λi)為波長λi處的原始光譜反射率。

考慮到光譜測定數(shù)據(jù)受大氣中水汽的影響，因此在使用數(shù)據(jù)時去除了受水汽影響嚴重的波段1 350～1 416，1 796～1 970和2 470～2 500 nm。結合原始光譜反射率、微分光譜提取出基于高光譜位置的特征參數(shù)，主要包括4個光譜吸收特征參數(shù)和9個光譜三邊特征參數(shù)[12](表1)，并采用SAS 9.2統(tǒng)計軟件對各個特征參數(shù)進行方差及差異性檢驗分析，多重比較采用Duncan法(p<0.05)。

表1 光譜特征參數(shù)Table 1 Spectral characteristic parameter

2 結果與討論

2.1 綠色植物葉片光譜反射特征

圖1為健康綠色植物大葉黃楊的高光譜反射曲線，其具備典型綠色植被光譜曲線特征，即呈“峰”和“谷”的特征變化。受植物葉片葉綠素影響，在可見光552 nm處出現(xiàn)“綠峰”(表1)，光譜反射率為0.142。在波段671 nm(紅光)出現(xiàn)了波谷，稱為“紅谷”，此為綠色植被典型的光譜吸收帶，主要是由于植物葉片葉綠素對紅光的強吸收引起。在680～760 nm波段，反射光譜出現(xiàn)了植被典型的“陡坡”特征，即植被光譜曲線驟變，反射率由0.07突升到0.5，稱為植被“紅邊”，不同植物紅邊位置、高度和斜率各不相同，是植物具有診斷性的光譜特征之一。近紅外的760～1 300 nm波段形成了相對穩(wěn)定的反射平臺，大部分能量被反射。中紅外1 300～2 500 nm波段受綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率下降明顯，形成多吸收低谷現(xiàn)象。

圖1 大葉黃楊葉片秋季光譜反射曲線Fig.1 Spectral reflectance curves of Euonymus japonicas leaves in autumn

2.2 不同彩色系植物葉片光譜反射特征

由于不同植被葉片在色素含量、葉面積、細胞結構及含水量等方面的差異，造成不同色系植物葉片的光譜反射曲線也存在明顯差異[8]。

紫色系植物葉片光譜反射率曲線形態(tài)與綠色系植物相似(圖2)，但在500～690，760～1 000，1 400～1 700和1 970～2 400 nm等波段表現(xiàn)出差異。通過提取不同彩色系植物光譜吸收特征參數(shù)并進行方差分析，結果如表2所示。與綠色系植物綠峰位置(552 nm)差異顯著(p<0.05)，紫色系植物在635 nm波段附近出現(xiàn)反射波峰，即“紅峰”，紅峰反射率均值為0.152，相比綠色系植物的綠峰反射率增加了6.8%。由于在葉片質地及色素含量等方面的差異，3種紫色系植物的紅峰位置對應的波段不同，但差異很小；紅峰反射率以紫葉小檗為最高，其次為紫葉碧桃，紫葉李的紅峰反射率最低(表2)。

圖2 紫色系植物葉片秋季光譜反射曲線Fig.2 Spectral reflectance curves of purple leave plants in autumn

隨著波段增長，紫色系植物在673 nm附近出現(xiàn)“紅谷”，紅谷反射率均值為0.104，相比綠色系植物，紅谷位置對應波段僅增加了2 nm，而反射率增加了65.8%。說明紫色系與綠色系植物的紅谷位置雖然沒有發(fā)生明顯變化，但紅谷反射率卻有明顯的提高。3種紫色系植物的“紅谷”位置無明顯差異，對應反射率大小則表現(xiàn)為紫葉碧桃>紫葉小檗>紫葉李(表2)。

表2 不同彩色葉植物光譜吸收特征參數(shù)及方差分析Table 2 Spectral absorption characteristic parameters and variance analysis of different colorful plants

在近紅外波段760～1 000 nm，紫色系植物的反射率在0.6以上，相比綠色系植物0.5左右的反射率有較大幅度提高。但3種紫色系植物的反射率差異較大，其中紫葉小檗的反射率接近1，紫葉碧桃在0.8左右，紫葉李最低(0.6左右)，植物種間葉片內部結構的不同是造成近紅外波段光譜反射率差異的主要原因。而在遠紅外波段1 400～1 700和1 970～2 400 nm，紫色系植物的反射率均比綠色系植物高。3種紫色系植物在遠紅外波段的反射率大小均表現(xiàn)為紫葉碧桃>紫葉李>紫葉小檗。

綜合分析，紫色系植物的紅峰位置與綠色系植物存在顯著差異，可用作紫色系植物區(qū)別于健康綠色植物的重要特征參數(shù)，3種紫色系植物在不同波段雖然也表現(xiàn)出差異，但規(guī)律性不一致。

紅色系植物葉片光譜反射曲線在620～680，720～1 300，1 400～1 700和1 970～2 400 nm波段與綠色系植物差異明顯(圖3)。與綠色系植物綠峰相比，紅色系植物紅峰位置紅移現(xiàn)象顯著，紅峰反射率與綠峰反射率差異相對顯著(p<0.05)，且有較大幅度提高(表2)。隨著波段的增長，紅色系植物在675 nm附近形成紅谷，這與綠色系植物在671 nm附近出現(xiàn)紅谷的特征較為相似；但紅色系植物的紅谷反射率均值較高，為0.297，顯著高于綠色系植物(p<0.05)。由此說明，在620～680 nm波段內紅色系植物的紅峰與紅谷均有紅移現(xiàn)象，對應反射率相比綠色系植物均顯著提高。在5種紅色系植物中，黃櫨和紅瑞木在620～680 nm波段未出現(xiàn)紅峰和紅谷，而是直接突升至近紅外反射平臺(圖3)。

相比綠色系植物，紅色系植物在近紅外波段720～1 300 nm區(qū)間反射率較高(圖3)，但不同紅色系植物之間的反射率差異也較大，反射率大小表現(xiàn)為紅瑞木>黃櫨>五葉地錦>雞爪槭>元寶楓。而在遠紅外波段1 400～1 700和1 970～2 400 nm，紅色系植物反射率均高于綠色系植物(圖3)；不同紅色系植物間在兩個遠紅外波段1 400～1 700和1 970～2 400 nm的反射率表現(xiàn)出一致的變化趨勢，即紅瑞木>黃櫨>雞爪槭>五葉地錦>元寶楓。綜合分析，紅色系植物在620～680和720～1 200 nm范圍內的反射光譜特征及其光譜吸收特征參數(shù)均與綠色系植物存在較大差異，可作為區(qū)別于健康綠色植物的重要參數(shù)。

圖3 紅色系植物秋季光譜反射曲線Fig.3 Spectral reflectance curves of red leave plants in autumn

黃色系植物在510～650 nm波段范圍內與綠色系植物的光譜特征差異明顯(圖4)，其反射率在510 nm處由0.15急劇上升至540 nm處的0.5左右，而常見綠色植物僅從510 nm處的0.08上升至552 nm處的0.14。相比綠色系植物，黃色系植物的紅峰與紅谷也都出現(xiàn)紅移，尤其是紅峰在616 nm出現(xiàn)，紅移現(xiàn)象較為顯著；黃色系植物紅峰與紅谷對應的反射率也均有顯著提高(表2)。說明紅峰位置、紅谷位置及反射率也是黃色系植物區(qū)別于綠色系植物的重要光譜特征參數(shù)。

7種黃色系植物中以銀杏的紅峰與紅谷反射率最高，分別達0.717與0.659(表2)，其次為鵝掌楸，而白蠟的紅峰與紅谷反射率為最低。葉片質地的差異可能是造成同一色系不同樹種間紅峰與紅谷反射率差異的主要原因。

與綠色系植物相比，黃色系植物在近紅外波段700～1 200 nm的反射率較高，均在0.6以上(圖4)。而在遠紅外波段1 400～1 700和1 970～2 400 nm，黃色系植物也比綠色系植物的反射率高。整體說明，黃色系植物在620～680，720～1 300，1 400～1 700和1 970～2 400 nm等波段與綠色系植物的反射光譜特征具有明顯差異，為黃色系植物區(qū)別于健康綠色植物的重要參考波段。

圖4 黃色系植物秋季光譜反射曲線Fig.4 Spectral reflectance curves of yellow leave plants in autumn

綜合分析，紫色系植物光譜反射特征表現(xiàn)為同綠色系植物近似的光譜反射曲線特征，紅色系植物與黃色系植物光譜反射特征相似。3種彩色系植物均表現(xiàn)出自身特有的光譜特征。從綠峰和紅谷的角度分析可知，不同色系植物綠峰位置表現(xiàn)為紅色系植物>紫色系植物>黃色系植物>綠色系植物，而綠峰反射率、紅谷位置和紅谷反射率均表現(xiàn)為黃色系植物>紅色系植物>紫色系植物>綠色系植物。

2.3 不同彩色系植物葉片光譜三邊特征參數(shù)差異性分析

通過對大葉黃楊和15種彩色系植物秋季葉片原始光譜反射率、微分光譜的計算，提取出高光譜的光譜三邊特征參數(shù)并進行方差分析，結果如表3所示。對比綠色系植物大葉黃楊光譜特征可知，不同色系植物紅邊位置整體表現(xiàn)為綠色系植物>紫色系植物>紅色系植物=黃色系植物，彩葉植物的紅邊位置顯著區(qū)別于綠色系植物(p<0.05)，且均有“藍移”的現(xiàn)象，即紅邊位置向短波方向移動了5～16 nm；紅邊幅值和紅邊面積均以紫色系植物為最大，相比綠色系植物、黃色系植物與紅色系植物，紅邊幅值分別增加了112.9%，74.8%與23.1%，紅邊面積分別增加了42.5%，115.7%和180.9%。說明紫色系植物的紅邊位置、紅邊幅值和紅邊面積等光譜特征參數(shù)與其他色系植物具有較大差異。

表3 不同彩色葉植物光譜三邊特征參數(shù)及方差分析Table 3 Spectral triangulation characteristic parameters and variance analysis of different color-leaved plants

黃邊位置、黃邊幅值與黃邊面積均以紅色系植物最大，且顯著高于其他色系植物(p<0.05)。其中紅色系植物的黃邊位置出現(xiàn)在617 nm，比紫色系植物、綠色系植物與黃色系植物分別紅移了8，48與54 nm。紅色系植物的黃邊幅值與黃邊面積相比其他色系植物也有顯著增加，其中黃邊幅值是綠色系植物、紫色系植物與黃色系植物的3.62，3.27和4.38倍，而黃邊面積則分別為綠色系植物、紫色系植物與黃色系植物的5.08，4.92與3.85倍。說明黃邊幅值與黃邊面積可以作為紅色系植物區(qū)別于其他色系植物的重要光譜特征參數(shù)。

不同色系植物的藍邊位置無明顯差異，但藍邊幅值和藍邊面積均以黃色系植物為最高，且顯著區(qū)別于其他色系植物(p<0.05)。其中黃色系植物的藍邊幅值和藍邊面積分別是綠色系植物的3.95和4.14倍，紫色系植物的28.01和28.11倍，以及紅色系植物的58.71和63.11倍。由此分析，藍邊幅值和藍邊面積是黃色系植物區(qū)別于其他色系植物的重要特征參數(shù)。

綜合分析表明，不同色系植物葉片光譜三邊特征參數(shù)具有一定的規(guī)律性，三邊參數(shù)可以作為區(qū)分不同彩色葉植物及其與綠色植物的特征參數(shù)，其中紅邊幅值與紅邊面積、黃邊幅值與黃邊面積、藍邊幅值與藍邊面積可分別作為紫色系植物、紅色系植物與黃色系植物區(qū)別于其他色系植物的重要光譜特征參數(shù)。

3 結 論

地物高光譜特征研究是遙感理論與應用研究的基礎，高光譜數(shù)據(jù)波段多且波段連續(xù)的特性，可以為不同植物樹種提供更多光譜反射率信息。通過對北京市15種不同色系彩葉植物葉片高光譜特征進行分析，得到如下結論：

(1)不同色系植物反射光譜特征不同，紫色、紅色、黃色3種不同色系植物光譜曲線各自表現(xiàn)出自身特有的光譜特征。紫色系植物光譜反射特征表現(xiàn)為同綠色系植物近似的光譜反射曲線特征，紅色系植物與黃色系植物光譜反射特征相似。3種彩色系植物綠峰位置、綠峰反射率、紅谷位置和紅谷反射率均遠遠高于綠色系植物。綠峰位置、綠峰反射率、紅谷位置和紅谷反射率可以作為彩色系區(qū)別于綠色系植物的基本特征參數(shù)。

(2)不同彩色系植物葉片光譜三邊特征參數(shù)具有一定的規(guī)律性，三邊參數(shù)可以作為區(qū)分不同彩色葉植物及其與綠色系植物的特征參數(shù)，其中紅邊幅值與紅邊面積、黃邊幅值與黃邊面積、藍邊幅值與藍邊面積可分別作為紫色系植物、紅色系植物與黃色系植物區(qū)別于其他色系植物的重要光譜特征參數(shù)。

通過對北京市不同色系彩葉植物秋季光譜反射曲線特征、光譜吸收特征參數(shù)以及三邊特征參數(shù)等的分析，進一步完善了彩色系植物地物光譜數(shù)據(jù)庫，同時也明確了不同彩色系植物葉片秋季光譜特征與綠色植物的差異，為高光譜技術監(jiān)測城市彩葉植物應用提供了技術支撐。不同彩葉植物在不同季節(jié)的光譜特征差異，以及同一種植物在不同季節(jié)的光譜特征變化在今后仍需進一步研究分析。