韓萬強，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)重點實驗室，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拇呵锬翀鯷1]。但近年來，隨著氣候變化和超載過牧等因素的影響而嚴重退化[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)前需要準確、實時獲得草地植物群落中各物種組成變化，這對實現(xiàn)動態(tài)評價草地類型質(zhì)量特征、動態(tài)監(jiān)測草地的退化與恢復(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信息和光譜細節(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[5]。【前人研究進展】運用高光譜對植物光譜特征分析也成為了近些年研究的熱點之一[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]、草地植物識別與分類等領(lǐng)域得到一定的研究[13-14]?！颈狙芯壳腥朦c】植被指數(shù)一直是研究植被特征最簡單、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)鍵問題】以伊犁絹蒿荒漠草地的3種典型主要植物為研究對象，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?，其?yōu)勢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30 m×30 m的樣地，采用“X”取樣法在樣地中布置5個小樣方作為光譜影像采集點，根據(jù)儀器視場范圍及影像清晰度，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，其波長范圍400～1 000 nm，包括了可見光(400～780 nm)和部分近紅外光(780～1 000 nm)。光譜分辨率波長精度為4.7 nm。

根據(jù)前期的研究4月為該類草地長勢較好時期。野外光譜測量時間為2018年4月，為減少干擾，設(shè)置測量條件為天氣晴朗云量較少，地面能見度高；大氣較好，風(fēng)力<3級；測量時段為11:00～16:00(太陽高度角﹥45°)；測量時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，采集每個樣方中群落高光譜影像。同時使用針刺法測定樣方中各物種的蓋度，以及地上生物量(帶回實驗室測量)，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象2次，即共獲取每種識別對象300個光譜數(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)進行平滑去噪，計算得到各植物和群落的原始反射率REF，經(jīng)過式(2)得到吸收率ABS，經(jīng)過式(3)得到反射率一階微分GREF，經(jīng)過(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(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61%)，伊犁絹蒿的反射率稍小(最高達60%)，叉毛蓬最小(最高達53%)，群落的反射率明顯低于3種植物(最高達24%)。

可見光波段光譜曲線490～530 nm出現(xiàn)上升趨勢，且在490～590 nm出現(xiàn)了第1個波峰，在680 nm附近出現(xiàn)第1個波谷，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個波谷，820～880 nm出現(xiàn)第2個波谷，930～970 nm出現(xiàn)1個波峰。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種植物都為未開花綠色植物其反射率呈現(xiàn)陡坡上升趨勢，群落同樣是上升趨勢但增幅斜率較小。在490～530 nm藍光波段，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

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)。在兩個波段組合下依改進型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種波段組合下計算得到的改進型NDVI’的值很相近，其中490～530 nm，780～820 nm和510～560 nm，780～820 nm計算得到的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種波段組合計算得到的改進型RVI’與NDVI’相同，其中490～530 nm，780～820 nm和510～560 nm，780～820 nm計算得到的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個波峰，在這1波段內(nèi)反射率REF較強，吸收率ABS較弱，包含了可見光內(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可見光范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的反射峰是因為植物葉綠素對綠光有較強的反射作用[20]，表現(xiàn)出反射率大小角果藜>伊犁絹蒿>叉毛蓬>群落，原因可能是此時間段角果藜長勢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的波段范圍，因此，反射率非常低。

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

3.2 敏感波段選擇

近年來，對植物特征波段篩選識別做了多方面的研究，在對不同植物的光譜特征分析時均對可見光藍光波段、紅光波段的紅谷以及紅邊進行分析，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)分開來，胡遠寧等對甘南的5種毒雜草光譜反射率進行一階微分變換，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)分開來[25]。研究表明，490～530 nm、510～560、620～760和780～820 nm 4個波段的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)間的差異進行不同程度的放大，波峰和波谷更加清晰辨認。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)過一階微分變換的反射率GREF和吸收率GABS表現(xiàn)出其藍邊特征、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個波段范圍，與前人研究結(jié)果一致。可以選擇這4個波段的組合作為3種主要植物在對應(yīng)變換下的敏感波段。

3.3 植被指數(shù)NDVI和RVI的改進

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計算的NDVI區(qū)分4種植物的效果較好[15]。研究通過對波段組合計算得到改進后的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)于對照400～780 nm和780～820 nm波段計算的NDVI和RVI；經(jīng)過一階微分變換后對比發(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)計算改進后的NDVI和RVI值來區(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計算和經(jīng)REF、GREF變換計算的NDVI和RVI。

4 結(jié) 論

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

4.2 3種主要植物的在敏感區(qū)域的光譜特征通過REF、ABS、GREF和GABS變換后，可以被進一步放大。3種植物光譜值有明顯差異，且數(shù)值相對穩(wěn)定的波段有490～530、510～560、620～760和780～820 nm，可選取這4個波段作為敏感波段用于植物識別。

4.3 利用GABS變換下490～530和780～820 nm波段組合計算的NDVI值和ABS變換下計算的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。