王美玲，焦琳琳，王曉紅，吳 兵，肖星星

(華北理工大學 研究生學院，河北 唐山 063200)

近些年來，頻繁的人類活動導致濕地生態(tài)系統(tǒng)受到不同程度的干擾，出現(xiàn)生物多樣性減少、生態(tài)環(huán)境破壞和濕地面積萎縮等一系列問題。其中，濕地植物多樣性的減少引起了學者的廣泛關(guān)注。近年來，植被識別和分類已經(jīng)成為濕地植被監(jiān)測的重要內(nèi)容之一，研究人員利用分辨率高、波段多、數(shù)據(jù)豐富的高光譜遙感數(shù)據(jù)進行植被種類識別，顯著地提高了植被遙感分類的準確性。隨著高光譜技術(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)庫的完善，研究人員在濕地植被的精細識別方面也取得了較多成果：任廣波等[1]對黃河三角洲的6種典型植被進行高光譜測試，對比包絡線去除法的反射率光譜曲線與原始光譜曲線的差異，確定了能夠反映不同植被光譜反射率差異的波段；柴穎等[2]以美國Sacramento-San Joaquin三角洲為研究區(qū)，結(jié)合實測光譜數(shù)據(jù)和Hy Map數(shù)據(jù)構(gòu)造特征指數(shù)并建立決策樹模型，提高了濕地植被光譜精細分類的精度；鄒維娜等[3]分析了淀山湖6種典型沉水植物的光譜特征，利用主成分分析法篩選對沉水植物光譜種間差異敏感的植被指數(shù)和光譜指數(shù)，探尋能夠有效識別不同種類水生植物的光譜識別方法。

先前，研究人員一般選用針對特定研究區(qū)的最優(yōu)方法對其植被原始光譜曲線進行處理，以利于濕地植被的種類識別，但很少有研究關(guān)注不同生長時期植被光譜反射率的差異[4-7]。曹妃甸濕地生物多樣性豐富，但近幾年過多的人類活動給曹妃甸濕地的生態(tài)環(huán)境帶來了巨大改變，既有研究的關(guān)注點主要集中在濕地旅游開發(fā)建設方面，在濕地植被光譜特征方面并無太多研究。故本文以曹妃甸濕地中2種典型植被——蘆葦[Phragmitesaustrali(Car.) Trin. ex Steud.]和翅堿蓬[Suaedasalsa(L.) Pau.]的光譜特征數(shù)據(jù)為研究對象，在分析2種濕地植被原始光譜特征的基礎上，運用包絡線去除法變換原始光譜曲線，進一步分析濕地植被的光譜特征及其差異性，以有效識別2種植被的差異波段，以期為濕地植被多樣性保護和遙感分類識別提供理論基礎和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

曹妃甸濕地位于河北省唐山市，行政范圍包括原唐海縣七農(nóng)場、十一農(nóng)場和四農(nóng)場的部分區(qū)域，地理坐標為39°9′24″～39°14′28″N，118°15′42″～118°23′24″E[8]，總面積達11 064 hm2。曹妃甸濕地保護區(qū)規(guī)劃總面積6 840 hm2，包括曹妃湖內(nèi)6個島嶼及其周邊岸灘、曹妃湖南側(cè)約267 hm2、雙龍河以西濕地迷宮200 hm2，以及其他濕地區(qū)域。曹妃甸濕地規(guī)劃區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸季風氣候，兼受短時海洋性氣候的影響，多年平均氣溫11.2 ℃，多年平均降水量618.9 mm。規(guī)劃區(qū)內(nèi)濕地植物群落以蘆葦群落和堿蓬群落為優(yōu)勢群落，另外也有小片狹葉香蒲群落和荊三棱群落。

1.2 數(shù)據(jù)采集及預處理

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

曹妃甸濕地具有豐富的植被種類，僅被子植物就有73種，主要的植物群落有翅堿蓬、蘆葦、小片狹葉香精和荊三核，總體以蘆葦群落和翅堿蓬群落為主。長勢茂密的蘆葦分布于曹妃甸濕地公園各處，翅堿蓬主要分布在土壤鹽漬化較嚴重的區(qū)域。根據(jù)研究區(qū)的生長環(huán)境和植被分布特征，翅堿蓬和蘆葦群落的單個樣方都相距直線距離1 km左右，在每個采樣點距離植被冠層上方10 cm左右測取10條光譜曲線，每種植物測量3個樣點，采集2種植物時盡量保持植株高度、植被覆蓋度和長勢相似。

于2018年7月12日、8月16日、9月13日和10月18日在曹妃甸濕地公園采集蘆葦和翅堿蓬的光譜數(shù)據(jù)。光譜數(shù)據(jù)的采集設備為SR2500便攜式地物光譜儀。該儀器可測定光譜反射率，適用于遙感測量、礦物分析、農(nóng)作物監(jiān)測等領域[9]。每月分別采集3個樣品。在室內(nèi)測試過程中，每個樣品都要重復測試10次，以減少光譜實驗測定過程中的誤差，確保實驗結(jié)果的準確性。

在室內(nèi)進行光譜測量時應注意以下事項：(1)使用模擬太陽光源；(2)觀測人員應身著深色服裝；(3)光譜儀須開機預熱；(4)光譜儀探頭應對準測試面，非接觸式測試儀器探頭與測試面距離宜大于10 cm；(5)每組觀測開始和結(jié)束時，以測定參考板為依據(jù)；(6)將需要測量的植被樣本放在黑色絨布上進行編號，采集20～30條光譜曲線，最后記錄編號和數(shù)據(jù)。

具體地，蘆葦和翅堿篷在進行光譜測量時均采用垂直測量方式，儀器探頭與測試面距離10 cm。蘆葦?shù)臏y量部位為蘆葉，翅堿逢的測量位置為葉條形葉片。

1.2.2 光譜數(shù)據(jù)預處理

采用DARWin SP軟件，對7—10月的蘆葦和翅堿蓬光譜數(shù)據(jù)進行預處理。在測量蘆葦和翅堿蓬光譜曲線過程中，難免會由于外界條件作用而使測量的光譜曲線存在一定的偏差，剔除異常的光譜曲線數(shù)據(jù)可以提高測量準確性。把每月2種濕地植被剔除異常數(shù)據(jù)后的光譜數(shù)據(jù)在Excel 2010中求取平均值，將獲取的平均值作為每個植被采樣點的真實光譜反射率。均值處理后的光譜曲線上存在很多“毛刺”噪聲，用DARWin SP軟件進行平滑處理，從而消除噪聲毛刺，減弱隨機噪音，提高信噪比。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型植被光譜特征的時間差異

2.1.1 不同生長階段蘆葦光譜曲線特征差異

由于本文的研究對象為植被單體，故選取的波長范圍在320～1 020 nm。在本研究中，將7—10月份進一步劃分成植被生長的2個階段：生長旺盛期(7—8月)和生長末期(9—10月)，分別計算出不同生長階段2種植被的平均光譜反射率用于后續(xù)分析。分析圖1-a蘆葦原始光譜曲線可知：整體來說，2個生長階段的蘆葦光譜曲線變化呈相似趨勢。在340～576 nm波段范圍內(nèi)，2個生長階段的反射率總體上均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。這可能是因為生長旺盛期的蘆葦葉片內(nèi)葉綠素含量高于生長末期，導致其生長旺盛期的反射率高于生長末期。在576～716 nm波段范圍內(nèi)，2個生長階段的反射率變化呈現(xiàn)下降趨勢。這可能是因為生長末期葉片內(nèi)的葉黃素和葉紅素增加，使得該波段范圍內(nèi)生長末期的反射率高于生長旺盛期。在716 nm之外，2個生長階段的反射率都呈現(xiàn)一個先急劇上升然后基本穩(wěn)定的趨勢，且在生長旺盛期的反射率顯著高于生長末期。這可能是由于生長末期蘆葦葉片的含水量增加，故在近紅外波段的反射率明顯減小。

包絡線去除法是將反射光譜吸收強烈部分的波段特征進行轉(zhuǎn)換，放大并形成一種歸一化的吸收光譜，故在近紅外波段植被光譜差異已經(jīng)被歸一化抹去。包絡線去除后的蘆葦光譜曲線與原始光譜曲線差異較大，只在420～750 nm可以較明顯地區(qū)別不同生長階段，但在340～380 nm和716～1 020 nm這2個波段范圍內(nèi)，原始的蘆葦光譜曲線更容易區(qū)分不同生長期，生長旺盛期的反射率高于生長末期。經(jīng)過包絡線去除處理后，不同生長期的蘆葦光譜曲線在508 nm和678 nm處都表現(xiàn)出明顯的吸收谷，在550 nm處都表現(xiàn)出明顯的反射峰，但生長末期的反射率明顯高于生長旺盛期。綜上所述，在420～750 nm波段范圍內(nèi)，利用包絡線去除的方法可以更好地區(qū)分不同生長期的蘆葦。

圖1 蘆葦原始光譜曲線(a)和包絡線去除后的光譜曲線(b)Fig.1 Original spectral curves of Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud (a) and spectral curve after envelope removal (b)

2.1.2 不同生長階段翅堿蓬光譜曲線特征差異

分析圖2-a翅堿蓬原始光譜曲線可知：整體來說，2個生長階段的翅堿蓬光譜曲線差異性較大。在340—595 nm波段范圍內(nèi)，生長旺盛期的翅堿蓬葉片內(nèi)葉綠素含量較高，導致其在生長旺盛期的反射率高于生長末期；在622～710 nm波段范圍內(nèi)，生長末期的翅堿蓬葉片的花青素含量升高，導致其反射率高于生長旺盛期。在340～550 nm波段范圍內(nèi)，生長旺盛期的反射率呈先下降后上升的趨勢，生長末期的反射率在340～638 nm波段范圍內(nèi)呈現(xiàn)相似趨勢，比生長旺盛期的波段范圍寬。在綠光492～550 nm波段范圍內(nèi)，由于生長旺盛期的翅堿蓬葉綠素含量高于生長末期，導致其在生長旺盛期的反射率明顯高于生長末期。生長末期的翅堿蓬葉片內(nèi)花青素含量升高，故在紅光波段638 nm處生長末期的反射率高于生長旺盛期。在710～920 nm波段范圍內(nèi)，2個生長階段的反射率呈現(xiàn)先急劇上升然后基本穩(wěn)定的趨勢，且生長旺盛期的反射率高于生長末期。此外，2個生長階段的吸收谷和反射峰所在波段存在稍許差異。生長旺盛期和生長末期均在藍光波段410 nm處因葉綠素的吸收產(chǎn)生第2個吸收谷，在紅光波段678 nm處出現(xiàn)第2個吸收谷；但生長旺盛期的第一個反射峰在綠光波段550 nm處，而生長末期的第一個反射峰在紅光波段638 nm處。

包絡線去除后的翅堿蓬光譜曲線與原始光譜曲線差異較大，在595～710 nm波段范圍內(nèi)可以明顯區(qū)別不同生長階段，但在340～595 nm和710～920 nm波段范圍內(nèi)，原始的翅堿蓬光譜曲線更有利于區(qū)分不同生長期，生長旺盛期的反射率高于生長末期。經(jīng)過包絡線去除后，不同生長期的翅堿蓬在678 nm處都表現(xiàn)出明顯的吸收谷，但生長末期在638 nm處表現(xiàn)出明顯的反射峰，且生長末期的反射率高于生長旺盛期。

2.2 典型植被光譜特征的種間差異

2.2.1 生長旺盛期蘆葦和翅堿蓬光譜曲線特征差異

對生長旺盛期的蘆葦和翅堿蓬光譜曲線進行對比(圖3)。整體上來說，生長旺盛期的2種植被光譜曲線呈現(xiàn)相似的趨勢，但蘆葦?shù)墓庾V反射率高于翅堿蓬。經(jīng)過包絡線去除后，370～700 nm范圍內(nèi)2種植被的光譜曲線也具有相似的變化趨勢，但由于生長旺盛期的蘆葦葉綠素含量相對較高，故蘆葦?shù)姆瓷渎拭黠@高于翅堿蓬反射率(圖3-b)。經(jīng)過包絡線去除后，生長旺盛期的蘆葦和翅堿蓬光譜曲線在藍光波段416 nm處和紅光波段682 nm處均表現(xiàn)出明顯的吸收谷，在綠光波段550 nm處表現(xiàn)出明顯的反射峰，且蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。在753～1 020 nm波段范圍內(nèi)，原始光譜曲線更有利于區(qū)分蘆葦和翅堿蓬，且蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。

圖2 翅堿蓬原始光譜曲線(a)和包絡線去除后的光譜曲線(b)Fig.2 Original spectral curve of Suaeda salsa(L.) Pall (a) and spectral curve after envelope removal (b)

a，原始光譜曲線；b，包絡線去除法處理后的光譜曲線。a， Original spectral curves; b， Spectral curves after envelope removal.圖3 旺盛生長期蘆葦、翅堿蓬光譜曲線對比Fig.3 Comparison of the spectral curves of Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud and Suaeda salsa(L.) Pall under vigorous growth period

a，原始光譜曲線；b，包絡線去除法處理后的光譜曲線。a， Original spectral curves; b， Spectral curves after envelope removal.圖4 生長末期蘆葦、翅堿蓬光譜曲線對比Fig.4 Comparison of the spectral curves of Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud and Suaeda salsa(L.) Pall under terminal growth period

2.2.2 生長末期蘆葦和翅堿蓬光譜曲線特征差異

對生長末期的蘆葦和翅堿蓬光譜曲線進行對比(圖4)。整體上來說，生長末期的2種植被光譜曲線變化趨勢相似，但蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。在480～638 nm波段范圍內(nèi)，蘆葦和翅堿蓬反射率差異較明顯，蘆葦反射率呈先上升后下降趨勢，而翅堿蓬反射率呈逐步上升趨勢。生長末期的翅堿蓬葉片成熟變紅，導致葉綠素含量降低，故生長末期的翅堿蓬反射率呈逐步上升趨勢。在678～1 020 nm波段范圍內(nèi)，蘆葦和翅堿蓬的反射率都呈現(xiàn)一個先急劇上升然后基本穩(wěn)定的趨勢，但蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。這主要可能是受植物的細胞結(jié)構(gòu)、葉面積指數(shù)及冠層結(jié)構(gòu)等因素的影響。此外，生長末期的蘆葦和翅堿蓬的吸收谷和反射峰波段也存在差異：蘆葦和翅堿蓬在藍光波段410 nm處和紅光波段678 nm處出現(xiàn)2個吸收谷；但蘆葦在綠光波段550 nm處出現(xiàn)第1個反射峰，而翅堿蓬在紅光波段638 nm處出現(xiàn)第一個反射峰。經(jīng)過包絡線去除后，生長末期的蘆葦和翅堿蓬光譜曲線差異較大，在360～700 nm波段范圍內(nèi)可以明顯區(qū)別這2種植被。蘆葦和翅堿蓬在藍光波段418 nm處和紅光波段683 nm處出現(xiàn)明顯的吸收谷，但蘆葦在綠光波段550 nm處出現(xiàn)明顯的反射峰，而翅堿蓬在紅光波段638 nm處出現(xiàn)明顯的反射峰。在360～700 nm波段范圍內(nèi)，生長末期的蘆葦和翅堿蓬在經(jīng)過包絡線去除后更有利于區(qū)分，且蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。在其余波段范圍內(nèi)，原始光譜曲線更有利于區(qū)分蘆葦和翅堿蓬，且蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。

3 討論

本文以曹妃甸濕地為研究區(qū)，選擇了典型植被——蘆葦和翅堿蓬作為研究對象，在分析2典型植被光譜特征的基礎上，利用包絡線去除法進行變換，對其典型植被光譜特征深入開展時間差異和種間差異分析。

通過分析典型植被光譜特征的時間差異可知：包絡線去除方法可以有效地突出植被光譜曲線的吸收和反射特征。在340～380 nm和716～1 020 nm這2個波段范圍內(nèi)，分析原始蘆葦?shù)墓庾V曲線更有利于區(qū)分植被的生長期，且生長旺盛期的反射率高于生長末期；但在420～716 nm波段范圍內(nèi)，用包絡線去除的方法更有利于在508、550、678 nm處區(qū)分蘆葦生長階段，且生長末期的反射率高于旺盛期。在340～595 nm和710～920 nm波段范圍內(nèi)，利用翅堿蓬的原始光譜曲線更有利于區(qū)分其所處的生長期，且生長旺盛期的反射率高于生長末期。經(jīng)包絡線去除處理的翅堿蓬光譜曲線與原始光譜曲線差異較大。在595～710 nm波段范圍內(nèi)，用包絡線去除的方法更有利于在638 nm和678 nm處區(qū)分翅堿蓬生長階段，且生長末期的反射率高于生長旺盛期。通過分析蘆葦和翅堿蓬不同生長時期的典型特征，可為之后更準確地估算不同生長期的生物量，以及其他植被指數(shù)的反演等奠定基礎。

通過分析典型植被光譜特征的種間差異可知：生長旺盛期的蘆葦和翅堿蓬光譜曲線呈現(xiàn)相似的趨勢，但蘆葦?shù)墓庾V反射率高于翅堿蓬。經(jīng)過包絡線去除后，生長末期的蘆葦和翅堿蓬光譜曲線差異較大。在360～700 nm波段范圍內(nèi)，用包絡線去除的方法更有利于區(qū)分蘆葦和翅堿蓬：蘆葦在綠光波段550 nm處出現(xiàn)明顯的反射峰，翅堿蓬在紅光波段638 nm處出現(xiàn)明顯的反射峰，且蘆葦?shù)姆瓷渎矢哂诔釅A蓬。通過分析蘆葦和翅堿蓬相同生長時期的典型特征，可以了解和掌握不同植被的光譜特性和變化規(guī)律，為植被類型的識別提供依據(jù)，從而更好地開展?jié)竦刂脖坏膭討B(tài)監(jiān)測，為濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護和規(guī)劃提供有效信息。