胡楊與灰葉胡楊的葉片光譜特征對(duì)比分析

馬思佳 王家強(qiáng)

（塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆阿拉爾 843300）

塔里木盆地是典型的干旱荒漠區(qū)之一。胡楊（Populus euphratica）與灰胡楊（Populus pruinosa）為該地區(qū)沙漠生態(tài)系統(tǒng)[1]中最主要的建群種之一，在抵御風(fēng)沙、抑制沙化[1]、維持區(qū)域生態(tài)平衡、保護(hù)生物多樣性及保護(hù)綠洲農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等方面發(fā)揮重要作用。實(shí)踐中，水土資源過(guò)度利用等導(dǎo)致該地區(qū)河流斷流和地下水位下降，加劇了荒漠植被的干旱脅迫，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)面臨退化的威脅[2]。因此，相關(guān)學(xué)者開(kāi)始深入研究建群植物對(duì)環(huán)境脅迫、地下水位變化和干旱脅迫等因素的生理生態(tài)響應(yīng)機(jī)理[3]，以充分了解相關(guān)因素對(duì)胡楊生長(zhǎng)和適應(yīng)環(huán)境的影響。

遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于植被監(jiān)測(cè)研究中，利用光譜技術(shù)研究塔里木河流域胡楊及灰葉胡楊葉片光譜反射率隨干旱脅迫程度的變化特征對(duì)研究植物生境的光譜響應(yīng)有重要意義[4]。張芳等[5]以奇臺(tái)綠洲平原地區(qū)4 種鹽生植物為研究對(duì)象，采用光譜學(xué)特征參數(shù)，構(gòu)建了4 種鹽生植物的光譜學(xué)識(shí)別模型。牟新待等[6]分析了甘肅天?？h高山草甸植物的光譜反射特征，結(jié)果表明，草原植被對(duì)可見(jiàn)光和NIR 的反射率均有較大差異，利用高光譜技術(shù)可對(duì)草原植被進(jìn)行分類(lèi)。岳喜元等[7]對(duì)科爾沁沙地4 種重要的固沙植物——楊樹(shù)、黃柳、錦雞兒和樟子松進(jìn)行了光譜學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)這4 種固沙植物在620～670 nm 和841～876 nm 范圍內(nèi)的反射率有較大差別，從而對(duì)這4 種植物進(jìn)行了鑒別。Fabre 等[8]以櫻桃樹(shù)葉為研究對(duì)象，采用分步烘干法，研究不同水分含量對(duì)3～15 mum光譜域的影響。Ghiyamat 等[9]探討了原始和導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)與5 種不同光譜度量技術(shù)、SAM-SID 結(jié)合對(duì)不同樹(shù)齡的樹(shù)種的鑒別潛力。Harrison 等[10]通過(guò)對(duì)26 個(gè)熱帶雨林類(lèi)型的隨機(jī)森林分類(lèi)試驗(yàn)，證明了采用小波方法對(duì)反射系數(shù)進(jìn)行預(yù)處理，可以有效提高分類(lèi)準(zhǔn)確率。本研究對(duì)塔里木河流域胡楊與灰葉胡楊葉片進(jìn)行光譜測(cè)試，獲取光譜反射率，結(jié)合色素?cái)?shù)據(jù)，探討不同地下水埋深下胡楊光譜反射率的變化特征，為評(píng)價(jià)天然胡楊的健康狀況和環(huán)境脅迫提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇新疆阿瓦提縣豐收三場(chǎng)胡楊林保護(hù)區(qū)和塔里木河干流源頭為研究區(qū)，將胡楊葉片按不同地下水埋深劃分為0～2、2～4、4～6、6～8 和8～10 m 5 個(gè)梯度，研究胡楊和灰葉胡楊葉片生理參數(shù)的變化特征，并設(shè)置5個(gè)采用時(shí)期，從2022年6月至10月，在每月25日前后進(jìn)行采樣。

使用ASD FieldSpec Hand Held2 便攜式地物光譜儀，對(duì)每棵胡楊和灰葉胡楊葉片的光譜反射率進(jìn)行測(cè)定。在晴朗無(wú)風(fēng)天氣的時(shí)間段（12：00—16：00），選取具有代表性的胡楊與灰葉胡楊作為樣本樹(shù)，進(jìn)行光譜測(cè)定。隨即將采集的光譜反射率所對(duì)應(yīng)的葉片裝入信封，并放入0～4 ℃的保溫箱或車(chē)載冰箱內(nèi)，待所有處理的葉片樣品采集完后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，并及時(shí)進(jìn)行葉綠素測(cè)定。對(duì)胡楊與灰葉胡楊光譜反射率的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并進(jìn)行包絡(luò)線(xiàn)去除和光譜變換，分析其原始光譜反射率變化的特征，以得出光譜位置參數(shù)的變化特征。最后，將胡楊與灰葉胡楊葉綠素?cái)?shù)據(jù)與光譜位置參數(shù)、光譜吸收特征參數(shù)和光譜相似性結(jié)合，對(duì)比敏感波段。

1.2 研究方法

1.2.1 測(cè)定光譜反射率本試驗(yàn)使用ASD Hand Held2 便攜式地物光譜儀進(jìn)行測(cè)定。在各個(gè)采樣點(diǎn)范圍內(nèi)，選擇樹(shù)齡、長(zhǎng)勢(shì)相近，并且沒(méi)有受到病蟲(chóng)害影響的胡楊樹(shù)與灰葉胡楊樹(shù)，在晴天，云量低于20%的天氣條件下，采摘每一株不同部位上完整的、具有代表性的胡楊樹(shù)葉與灰葉胡楊樹(shù)葉作為分析樣品，利用高枝剪獲取葉片樣品，并測(cè)定其光譜反射率有效數(shù)據(jù)，同時(shí)，每隔10 min用一塊白板進(jìn)行參照。將收集到的樣品用自密封的紙袋包裝好，并做好標(biāo)記，送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2 測(cè)定葉綠素含量用95%乙醇浸提葉片中的葉綠素，將新鮮葉片剪成長(zhǎng)寬約2 mm的碎片，精確稱(chēng)量0.200 0 g，并將其置入具塞刻度試管內(nèi)，加入20 mL 95%乙醇，放在4 ℃的冰箱內(nèi)并避光，密封浸泡48 h以上。待葉片全部變成白色，將浸提液搖勻后，用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)537、647 和663 nm 處進(jìn)行比色，測(cè)定其吸光值。用波長(zhǎng)537、647 和663 nm 處的吸光值計(jì)算葉綠素a、葉綠素b 的濃度值，再用葉綠素a、葉綠素b的濃度值計(jì)算葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量的含量。計(jì)算公式（1—5）如下。

式（1—5）中，A663、A537和A647分別表示在波長(zhǎng)663、537 和647 nm 處用1 cm 的比色杯測(cè)量的浸提液的吸光度值；Ca、Cb為葉綠素a 和葉綠素b 的物質(zhì)的量濃度；Chla、Chlb和Chla+b分別表示浸提液中葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量的含量。

1.2.3 測(cè)定光譜位置參數(shù)本研究使用的光譜位置參數(shù)包括Db、λb和Dy等，其名稱(chēng)、定義及算法如表1所示。

表1 光譜位置參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片反射光譜特征與光譜相似性

對(duì)胡楊與灰葉胡楊光譜反射率有效數(shù)據(jù)用The UnscrambleX 軟件進(jìn)行SG 平滑，有效減弱光譜噪聲。本研究采用4種光譜變換方式，即一階導(dǎo)數(shù)變換、二階導(dǎo)數(shù)變換、對(duì)數(shù)變換和對(duì)數(shù)倒數(shù)變換，并對(duì)胡楊與灰葉胡楊的葉片反射光譜特征進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)計(jì)算歐氏距離、光譜信息散度、光譜相關(guān)性測(cè)度、光譜角匹配和光譜相關(guān)性擬合，進(jìn)行光譜相似性分析如圖1所示。

圖1 胡楊與灰葉胡楊葉片的光譜反射曲線(xiàn)

由圖2 可知，經(jīng)一階、二階導(dǎo)數(shù)變換后的光譜值與原始光譜值相比變化很大，胡楊與灰葉胡楊光譜反射率的變化基本一致。但在325～400 nm 范圍內(nèi)，胡楊與灰葉胡楊變化幅度一階、二階導(dǎo)數(shù)變換值均相差較大，在400～700 nm 范圍內(nèi)，由于吸收和反射特性很強(qiáng)，二者均整體呈現(xiàn)典型的“峰谷”特征，在900～1 000 nm 范圍內(nèi)，兩條曲線(xiàn)波動(dòng)差異較顯著，胡楊的二階光譜變換達(dá)到了近0.003 的極大值。

圖2 胡楊與灰葉胡楊葉片一階、二階導(dǎo)數(shù)光譜

由圖3 可知，經(jīng)對(duì)數(shù)和對(duì)數(shù)倒數(shù)變換后，整個(gè)曲線(xiàn)均呈負(fù)值，與原始光譜走勢(shì)基本一致。對(duì)數(shù)變換后，胡楊與灰葉胡楊走勢(shì)基本一致，均呈“兩峰一谷”，胡楊與灰葉胡楊的對(duì)數(shù)變換的差異不顯著。但對(duì)數(shù)倒數(shù)變換中胡楊與灰葉胡楊相差較大，具體表現(xiàn)在734 nm 波長(zhǎng)后，胡楊對(duì)數(shù)倒數(shù)出現(xiàn)了較灰葉胡楊更明顯的谷，達(dá)到了近-8 的極小值。

由表2 可知，胡楊與灰葉胡楊的一階與二階導(dǎo)數(shù)變換最大值均為0，最小值均為0，且二階導(dǎo)數(shù)最大值和最小值為一處。對(duì)數(shù)變換與對(duì)數(shù)倒數(shù)變換最大值與最小值均為負(fù)值。對(duì)數(shù)變換中，胡楊與灰葉胡楊相差不大，但對(duì)數(shù)倒數(shù)變換胡楊與灰葉胡楊極值相差較大。

2.2 胡楊與灰葉胡楊葉片光譜的吸收特征

對(duì)胡楊和灰葉胡楊葉片光譜反射率數(shù)據(jù)，用envi 構(gòu)建波譜庫(kù)，并進(jìn)行包絡(luò)線(xiàn)去除（圖4），其吸收谷的趨勢(shì)更加明顯。根據(jù)包絡(luò)線(xiàn)去除后的圖像（圖4），進(jìn)行胡楊與灰葉胡楊的吸收特征分析，并進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)顯著性差異檢驗(yàn)，分析光譜吸收特征參數(shù)的差異。

圖4 包絡(luò)線(xiàn)去除處理

由表3可知，胡楊與灰葉胡楊均有2個(gè)比較明顯的吸收谷，灰葉胡楊比胡楊的吸收斜率較低，證明胡楊的吸收谷比灰葉胡楊波動(dòng)幅度較大，因此吸收深度也比灰葉胡楊要低。胡楊比灰葉胡楊的吸收寬度高，胡楊與灰葉胡楊在500 nm波長(zhǎng)附近包絡(luò)線(xiàn)去除曲線(xiàn)開(kāi)始出現(xiàn)第一個(gè)吸收谷，波長(zhǎng)670 nm附近包絡(luò)線(xiàn)去除曲線(xiàn)開(kāi)始出現(xiàn)第二個(gè)吸收谷。

表3 胡楊與灰葉胡楊葉片光譜的吸收特征參數(shù)

由表4 可知，胡楊與灰葉胡楊光譜吸收特征參數(shù)在中心波長(zhǎng)550 nm 處，斜率P=0.02＜0.05，差異顯著；吸收深度P=0＜0.01，差異極顯著，其他均不顯著。在中心波長(zhǎng)670 nm 處，斜率P=0，差異極顯著，其他均不顯著。由此可得，斜率可作為辨別胡楊與灰葉胡楊的標(biāo)志吸收特征參數(shù)。

表4 胡楊與灰葉胡楊葉片光譜的吸收特征參數(shù)差異分析

2.3 胡楊與灰葉胡楊葉片光譜的位置特征

選擇325～1 075 nm 波段胡楊光譜反射率做一階導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)一階導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換可去除植被背景干擾，并將其精細(xì)特性放大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)植被光譜特性的定量化，與原始波段相比更為精確。此外，根據(jù)光譜位置特征，判斷不同胡楊品種，并反映品種之間的差別。通過(guò)顯著性差異檢驗(yàn)，分析光譜吸收特征參數(shù)的差異。

從表5 可知，Db、λb、λg、Rg和Dy胡楊比灰葉胡楊低，λg胡楊與灰葉胡楊差異不顯著，黃色邊緣位置、紅色波谷反射率、紅色波谷位置和紅色邊緣振幅胡楊比灰葉胡楊高，λo胡楊比灰葉胡楊高。

表5 胡楊與灰葉胡楊葉片光譜的位置特征

由表6 可知，藍(lán)邊幅值和黃邊位置P=0＜0.01，差異極顯著，綠峰幅值P=0.02，黃邊幅值P=0.03＜0.05，差異顯著。這說(shuō)明胡楊與灰葉胡楊藍(lán)邊幅值和黃邊位置處理間存在極顯著差異，綠峰幅值和黃邊幅值處理間存在顯著差異，其余無(wú)顯著差異。由此可知，藍(lán)邊幅值和黃邊位置、綠峰幅值和黃邊幅值可作為區(qū)分胡楊與灰葉胡楊的光譜位置特征參數(shù)。

表6 胡楊與灰葉胡楊葉片三邊參數(shù)差異分析

3 結(jié)論與討論

本研究以塔里木河源流區(qū)和新疆阿瓦提縣的胡楊與灰葉胡楊為研究對(duì)象，采集了不同月份、不同埋深的胡楊與灰胡楊葉片光譜反射率及對(duì)應(yīng)的葉綠素含量，對(duì)原始光譜通過(guò)Unscramble 軟件進(jìn)行SG 平滑，有效減弱光譜噪聲，再進(jìn)行一階、二階導(dǎo)數(shù)光譜變換處理分析，得出光譜變化特征，并計(jì)算光譜相似性指標(biāo)；運(yùn)用envi進(jìn)行包絡(luò)線(xiàn)去除，進(jìn)行胡楊與灰葉胡楊的吸收特征分析并進(jìn)行對(duì)比；將一階導(dǎo)數(shù)變換后的值進(jìn)行光譜位置特征數(shù)值的計(jì)算并進(jìn)行對(duì)比；分別算出胡楊與灰葉胡楊總?cè)~綠素含量與光譜反射率相關(guān)系數(shù)。選取相關(guān)系數(shù)較高的波段用SPSS 進(jìn)行方差膨脹因子，檢驗(yàn)共線(xiàn)性，進(jìn)而篩選敏感波段進(jìn)行對(duì)比。得到的結(jié)論如下。

（1）胡楊與灰葉胡楊的葉片光譜反射率經(jīng)平滑處理，再進(jìn)行一階、二階導(dǎo)數(shù)變換后，圖像走向基本一致，但在峰值時(shí)胡楊要高于灰葉胡楊。通過(guò)胡楊與灰葉胡楊的兩條反射光譜曲線(xiàn)在325～1 075 nm波段的光譜相似性相關(guān)數(shù)值的計(jì)算，證明胡楊與灰葉胡楊的光譜相似性不高。

（2）胡楊與灰葉胡楊的包絡(luò)線(xiàn)去除光譜的兩個(gè)吸收谷位置走向一致，但兩個(gè)吸收谷的峰值和谷底值略有不同，同時(shí)，吸收斜率（K）值、吸收深度（BD）值、吸收寬度（W）值和吸收面積（A）值都有不同程度的變化。但差異顯著性檢驗(yàn)證明，吸收斜率差異極顯著。

綜上，通過(guò)胡楊與灰葉胡楊的光譜位置特征的對(duì)比篩選，判斷不同胡楊品種的吸收特征參數(shù)，并通過(guò)篩選敏感波段反映光譜與色素的相關(guān)性，體現(xiàn)色素吸收光譜變化的強(qiáng)弱程度，更能體現(xiàn)色素含量變化的差異。