劉 月，春 喜，張美杰，劉美萍，胡和達(dá)來(lái)

（內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）

1 引言

在全球變化研究中，植被公認(rèn)為是能夠反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的敏感指示器，而植被光譜特征分析可以有效的指示植被覆蓋和群落結(jié)構(gòu)變化，因此已成為研究熱點(diǎn)〔1－3〕。前人通過(guò)大量的野外儀器測(cè)量和室內(nèi)模擬分析，得出植被地面光譜曲線圖，揭示生物物理特性的光譜特征和規(guī)律，建立了一系列地物光譜數(shù)據(jù)庫(kù)〔4－6〕。通過(guò)各種方法對(duì)植被光譜各波段進(jìn)行分析，其中一些學(xué)者認(rèn)為植物光譜的紅色邊緣屬性能夠顯示植物葉綠素含量〔7－9〕，并廣泛應(yīng)用于植被光譜特征的分析、不同植被的理化性能、覆蓋度、植被分類(lèi)、植被調(diào)查、區(qū)域的生態(tài)環(huán)境調(diào)控及演變、遙感反演、農(nóng)作物評(píng)估植被以及計(jì)算機(jī)識(shí)別和自動(dòng)提取等領(lǐng)域〔10－11〕，備受關(guān)注〔12－14〕。但是對(duì)于干旱區(qū)不同植被的光譜特征和規(guī)律的認(rèn)識(shí)有待于進(jìn)一步研究。本文采用光譜儀器，數(shù)次野外測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，得出不同植被的光譜數(shù)據(jù)源，揭示其特征及其差異性。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況

本文野外采樣點(diǎn)，一是內(nèi)蒙古阿拉善左旗吉蘭泰鹽湖周?chē)盀跆m布和沙漠腹地的干旱草原植被。二是內(nèi)蒙古錫林郭勒盟典型草原寶紹代湖泊周?chē)湫筒菰脖弧Ｈ俏挥诤土挚h內(nèi)蒙古師范大學(xué)盛樂(lè)校區(qū)人工草地（草甸草原）。

2.2 野外調(diào)查

實(shí)驗(yàn)測(cè)試：采用美國(guó)ASD（Analytical Spectral Device）公司的Field Spec Pro FR2500便攜式光譜儀，其波段值范圍為350～2500nm，采樣間隔為1.4nm，光譜分辨率為3nm。采樣方法和過(guò)程參照〔15－16〕①觀察時(shí)間：在夏季當(dāng)天的12∶00～15∶00時(shí)段，保證太陽(yáng)的高度和照度。②觀測(cè)當(dāng)天滿足天氣晴朗，光照穩(wěn)定，并避開(kāi)陰影和鄰近的運(yùn)動(dòng)物體，風(fēng)力等于或小于3級(jí)。③在觀測(cè)實(shí)驗(yàn)前對(duì)光譜儀集中進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試和比對(duì)，對(duì)光譜儀和參考板進(jìn)行檢驗(yàn)，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。④測(cè)試之前先以白板進(jìn)行定標(biāo)，白板應(yīng)水平放置，傾斜角＜1°。⑤探頭測(cè)量高度固定在1m，保證每次測(cè)量位置相同。⑥在測(cè)試中，每個(gè)樣品采集5條光譜曲線，算術(shù)平均后得到該樣品的實(shí)際反射光譜數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的精確度，并避開(kāi)個(gè)別誤差帶來(lái)的不確定性。各采樣點(diǎn)的描述見(jiàn)表1和特征見(jiàn)圖1。

表1 八種樣品名稱(chēng)及顏色參照表

3 結(jié)果與討論

3.1 植被光譜特征

上述采樣點(diǎn)的植被光譜既存在一致性又有差異性。其一致性表現(xiàn)在，500nm處出現(xiàn)吸收谷；在可見(jiàn)光的550nm（綠處）附近有一個(gè)反射率為百分之十幾的小反射峰；在680nm（紅）附近有明顯的吸收帶，這可能由葉子色素特別是葉綠素所決定〔17－18〕；在680～750nm 之間出現(xiàn)峰值，反射率急劇增高，在光譜研究中它被稱(chēng)為植被“紅邊”，是植被具有診斷性的光譜特征，“紅邊”的位置、高度和斜率會(huì)因植被的不同及同一植被的不同生長(zhǎng)狀況而存在差異〔9〕；在800nm左右是一個(gè)相對(duì)平坦的、反射率高的區(qū)域，它可能由植被的細(xì)胞構(gòu)造所決定〔19〕。

不同類(lèi)型的植被光譜特性存在差異性：從圖2可以看出，在可見(jiàn)光波段400～700nm，干旱植被（即小葉錦雞兒灌叢、白刺、沙冬青、梭梭林）反射率明顯高于典型草原植被（草甸灘地）和人工草坪植被（榆葉梅叢），可能受到葉綠素含量的影響。草甸灘地綠峰不明顯，主要由于生長(zhǎng)和距地面很近，受土壤背景的影響；在680nm～760nm處草甸灘地反射率出現(xiàn)陡坡程度為0.2，明顯要低于榆葉梅叢，主要是草甸植被覆蓋度比較低造成的。白刺在450nm出現(xiàn)強(qiáng)烈的吸收谷，達(dá)到0.5左右，而在680nm處的吸收谷表現(xiàn)不明顯，相對(duì)于其它干旱植被（小葉錦雞兒灌叢、沙冬青、梭梭林）平均高出0.1左右，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能由于白刺的生長(zhǎng)狀況及測(cè)試誤差的結(jié)果。梭梭林在可見(jiàn)光波段峰值明顯高于其它干旱植被，達(dá)到0.8。各類(lèi)型植被主要受葉綠素、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、葉面積指數(shù)和土壤背景等因素的影響呈現(xiàn)不同的光譜曲線〔20〕。

圖2 八種樣品光譜對(duì)比圖

3.2 植被光譜紅邊參數(shù)特征

光譜數(shù)據(jù)的一階微分有利于部分消除大氣、土壤背景等成分對(duì)目標(biāo)的影響，突出目標(biāo)，反映和揭示植被光譜的內(nèi)在特性〔21－22〕。本文采用如下公式求光譜數(shù)據(jù)的微分〔23〕。

式中：R為反射率；λi為第i波段的中心波長(zhǎng)。

圖3 八種樣品一階導(dǎo)數(shù)光譜圖

圖4 八種樣品光譜的紅邊

在高光譜遙感中，采用微分技術(shù)尋找關(guān)鍵波段可描述植被的紅邊特性〔24－25〕。由紅光過(guò)渡到近紅外的“紅邊”是描述植被色素狀態(tài)和健康狀況的重要的指示波段〔26〕。如圖3所示可以看出：導(dǎo)數(shù)光譜運(yùn)算在680nm～760nm可以大大強(qiáng)化紅邊特征，在其它波段無(wú)明顯變化。

從圖4可以看出，八種樣品光譜的紅邊都出現(xiàn)峰值現(xiàn)象，這跟大多數(shù)綠色植物的紅邊相似。由于干旱區(qū)小葉錦雞兒、草甸葉面積指數(shù)大，受沙地背景的影響，紅邊光譜的峰值現(xiàn)象并不明顯，而人工草坪、榆葉梅叢的葉面積指數(shù)大，覆蓋度高，受沙地背景的影響小，峰值現(xiàn)象越來(lái)越明顯。在干旱草原的梭梭林在紅邊位置出現(xiàn)的峰值相對(duì)于其它植被提前，出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。

從圖5可見(jiàn)，不同類(lèi)型植被的光譜紅邊斜率（紅邊幅值）從小到大依次為白刺、草甸灘地、小葉錦金兒、人工草地1（黃）、梭梭林、人工草地2（綠）、沙冬青、榆葉梅叢，主要是由草地植被到灌叢植被，植被覆蓋度越高和葉面積指數(shù)越大，紅邊斜率越大〔19〕。

3.3 同一植被光譜對(duì)比分析

如圖6所示，同種植被在不同的生長(zhǎng)狀況下呈現(xiàn)不同的光譜特征。在紅谷，健康植被的反射率較低，這主要是由于含有較多葉綠素，對(duì)紅光有較強(qiáng)吸收而造成的。在紅邊位置，健康植被要比顏色發(fā)黃的植物陡，說(shuō)明生命力旺盛。在近紅外波段，不健康植被的反射率較低，主要由于細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞造成?？梢?jiàn)同一植被類(lèi)型由于葉子的組織結(jié)構(gòu)、色素含量和含水量不同，反射率大小又具有不同的特點(diǎn)。

圖5 植被類(lèi)型的紅邊參數(shù)

圖6 健康植被與非健康植被光譜對(duì)比

4 結(jié)論

不同植被的光譜曲線呈現(xiàn)明顯的“峰和谷”的特征：在550nm（綠處）附近有一個(gè)反射率為百分之十五的小反射峰，可見(jiàn)光500nm和680nm處的藍(lán)、紅光波段存在低谷。近紅外700nm～1200nm處出現(xiàn)高原反射區(qū)。不同類(lèi)型植被光譜特征又存在差異性：

在可見(jiàn)光波段350nm～750nm，干旱植被（小葉錦雞兒灌叢、白刺、沙冬青、梭梭林）反射率明顯高于典型草原植被（草甸灘地）和人工草坪植被（榆葉梅叢）；在近紅外波段750nm～1350nm，人工草坪及灌叢的反射率明顯高于草甸灘地，由于植被類(lèi)別間葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化大，人工草坪及灌叢葉面積指數(shù)大，覆蓋度高，草甸也受到沙地背景的影響，因此植被在近紅外的反射率差異較大。

受到植被長(zhǎng)勢(shì)的影響，同一植被類(lèi)型的光譜反射率差異較大。在紅谷，健康植被的反射率較低，這主要是對(duì)紅光有較強(qiáng)吸收而造成的。在紅邊位置，健康植被要比顏色發(fā)黃的植物陡，說(shuō)明生命力旺盛。

八種植物樣品光譜的紅邊出現(xiàn)峰值現(xiàn)象，這跟大多數(shù)綠色植物的紅邊相似。從定量描述光譜紅邊斜率來(lái)看，八種植被從小到大依次為：白刺、草甸灘地、小葉錦金兒、人工草地1（黃）、梭梭林、人工草地2（綠）、沙冬青、榆葉梅叢。人工草地植被紅邊斜率值最大，干草原的該值最低，典型草原的參數(shù)在二者之間，反映出由干旱植被到灌叢植被，植被覆蓋度越高和葉面積指數(shù)越大，紅邊斜率越大。

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