曹曉明，史建康，馮益明，李志鵬，張 譜

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所，北京 100091；2.海南省環(huán)境科學(xué)研究院，海南 ?？?571126)

地物之間的差異可通過(guò)其各自的反射光譜特征表現(xiàn)出來(lái)，因此，獲取準(zhǔn)確而全面的地物光譜特征是遙感理論研究的重要內(nèi)容，并為各類地物遙感分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[1]?；哪脖簧L(zhǎng)稀疏，卻是荒漠生態(tài)系統(tǒng)的骨骼，不但是荒漠生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，還是荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要組成部分[2]?；哪脖唤?jīng)過(guò)殘酷的自然選擇生存下來(lái)，并以各自不同的生理-生態(tài)方式適應(yīng)嚴(yán)酷的生態(tài)條件，不同的生理-生態(tài)方式導(dǎo)致其反射光譜曲線在特定波段具有獨(dú)特的特征參數(shù)變化，這些特征參數(shù)是荒漠植被區(qū)別于非荒漠植被的獨(dú)特特征[3]，也是區(qū)別不同荒漠植被類型和植物種類的獨(dú)特特征[4-6]。根據(jù)這些光譜特征參量，分析荒漠植被物質(zhì)組分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其光譜特征參量的關(guān)系，不僅可為干旱荒漠區(qū)植被的遙感識(shí)別奠定基礎(chǔ)[3,7-8]，對(duì)于研究荒漠植被物理生化結(jié)構(gòu)、植被信息自動(dòng)識(shí)別與提取、中大尺度植被調(diào)查、干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等也具有重要意義[3,9-10]。

目前已開(kāi)展了許多針對(duì)荒漠植被光譜特征的研究。張飛等[11]在可見(jiàn)光和近紅外范圍內(nèi)確定了9個(gè)波段作為識(shí)別塔里木河中游綠洲鹽漠帶鹽生植被的最佳波段。錢(qián)育蓉等[12]利用光譜指數(shù)法對(duì)新疆典型荒漠草地的高光譜特征進(jìn)行了研究。魏秀紅等[13]對(duì)天山北坡中段荒漠草地9種植物光譜特征進(jìn)行分析，并尋找區(qū)分幾種植物的波段范圍。周蘭萍等[3]對(duì)河西走廊荒漠植物光譜特征參數(shù)及植被指數(shù)進(jìn)行研究，并確定了4個(gè)波段區(qū)間(可見(jiàn)光450～650 nm、近紅外750～850、1 190～1 260 nm和中紅外1 570～1 680 nm)來(lái)識(shí)別荒漠植物；同時(shí)確定了4個(gè)最佳波段(680、970、1 450 nm和2 190 nm)來(lái)區(qū)分荒漠植被與農(nóng)作物。魏懷東等[14]在甘肅民勤，趙釗等[15]在古爾班通古特沙漠，開(kāi)展了典型荒漠植物冠層光譜，及其與含水率的關(guān)系研究，確定1 450 nm附近是荒漠植物含水率的最佳敏感波段。

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)西北不同區(qū)域荒漠植被反射光譜的特征研究集中分布于甘肅安西[4]、新疆準(zhǔn)噶爾盆地[6,15-16]、新疆塔里木盆地[11,17]、新疆艾比湖地區(qū)[5,18]、甘肅民勤[3,14]、新疆博州[19]、內(nèi)蒙古科爾沁[20]等地區(qū)。針對(duì)內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠地區(qū)荒漠植被光譜特征的研究還鮮有報(bào)道，且現(xiàn)有研究多針對(duì)同一地區(qū)的荒漠植物，對(duì)跨區(qū)域荒漠植被光譜特征的研究尚少。對(duì)于荒漠植被來(lái)說(shuō)，水鹽變化是控制其生長(zhǎng)生存的重要因素，即使是同種植物，由于水分及鹽分狀況的差異，其光譜特征也會(huì)呈現(xiàn)一定的差異。本研究在古爾班通古特沙漠南緣及烏蘭布和沙漠東北緣，選取了7種典型荒漠植物，采集各植物的冠層反射光譜，利用光譜學(xué)分析法，分析各類植物冠層光譜特征，獲取各類植物的光譜特性和變化規(guī)律，在350～2 500 nm區(qū)間找出識(shí)別這7種荒漠植物的最佳波段，并分析不同地區(qū)典型荒漠植物的光譜特征差異，這將有助于建立不同尺度間光譜數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，為荒漠植被類型識(shí)別、理化性能、植被信息自動(dòng)識(shí)別與提取及干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等研究提供一定的技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)獲取

烏蘭布和沙漠(39°40′-41°00′N，106°00′-107°20′E)處于我國(guó)西北荒漠和半荒漠的前沿地帶和華北與西北的結(jié)合部，屬于草原化荒漠地帶，是我國(guó)主要沙漠之一，總面積1.4萬(wàn)km2。該區(qū)氣候?qū)賮喼拗胁繙貛Щ哪畾夂?，寒冷干燥、多風(fēng)，兼有大陸性和季風(fēng)降雨氣候特點(diǎn)，年平均氣溫7.6℃，年平均降水量為142.7 mm，主要集中在7-9月，年平均蒸發(fā)量為2 351.9 mm，年平均相對(duì)濕度47%，全年無(wú)霜期168 d，干燥度>4。植被類型為灌木植被，主要優(yōu)勢(shì)種有：白刺(Nitrariatangutorum)、沙竹(Psammochloamongolica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolica)、油蒿(Artemisiaordosica)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、四合木(Tetraenamongolica)、紅砂(Reaumuriasongarica)等[8]。

古爾班通古特沙漠(44°15′-46°50′N，84°50′-91°20′E)位于新疆北部準(zhǔn)噶爾盆地中央，瑪納斯河以東及烏倫古河以南，是中國(guó)第二大沙漠，也是中國(guó)面積最大的固定、半固定沙漠，面積約4.88萬(wàn)km2。該區(qū)夏季炎熱干燥，冬季寒冷，屬典型的溫帶大陸性荒漠氣候。年平均氣溫6℃～10℃，年平均降水量160 mm，但蒸發(fā)潛力>2 000 mm，干燥度很大。主要植物種有梭梭(Haloxylonammodendron)、白梭梭(H.persicum)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、沙蒿(Artemisiaarenaria)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)等，在沙漠南緣與綠洲交界地帶，分布有檉柳(Tamarixchinensis)[21]。

本研究試驗(yàn)地分別位于古爾班通古特沙漠南緣的中國(guó)科學(xué)院阜康荒漠生態(tài)系統(tǒng)研究站北沙窩實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，和烏蘭布和沙漠東北緣中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)。在古爾班通古特沙漠南緣選取檉柳和梭梭，在烏蘭布和沙漠東北緣選取霸王、四合木、白刺、油蒿、紅砂共7種典型荒漠植物為研究對(duì)象。針對(duì)每種植物，在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)分別設(shè)置30 m×30 m的樣方，隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)良好，冠幅適中，無(wú)病蟲(chóng)害的植株各15株作為標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行冠層光譜的采集。

野外采集光譜時(shí)間為2019年7月-8月，采用ASD(analytical spectral devices) Field Spec Pro光譜儀，光譜儀視場(chǎng)角15°，光譜采集范圍為350～2 500 nm，光譜分辨率為1 nm。光譜采集需在晴朗、干燥、微風(fēng)、無(wú)云(云量<5%)的天氣下進(jìn)行，測(cè)定時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00-14:00，測(cè)量中保持探頭垂直向下，且距離冠層頂垂直高度約100 cm；對(duì)于冠幅較小的灌木，為盡量避免土壤背景光譜的干擾，要求探頭視場(chǎng)角覆蓋區(qū)域應(yīng)覆蓋整個(gè)冠幅。為盡量保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次采集前需進(jìn)行白板校準(zhǔn)。每株植物按著東-南-西-北-冠層頂?shù)捻樞虿杉總€(gè)方位記錄10條曲線，最后取5個(gè)方位光譜曲線的均值代表植株的冠層光譜。由于利用光譜儀進(jìn)行野外樣本采集時(shí)易受到環(huán)境因素的影響，因此需對(duì)獲取的原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，去除無(wú)效數(shù)，并保證數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性[22]。

1.2 光譜數(shù)據(jù)處理

光譜儀工作時(shí)易產(chǎn)生噪聲，導(dǎo)致獲取的原始光譜信息產(chǎn)生噪聲，并遠(yuǎn)離真實(shí)信息，影響后續(xù)分析和應(yīng)用，因此需對(duì)獲取的原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。光譜降噪常用的方法有移動(dòng)平均法、靜態(tài)平均法、傅里葉級(jí)數(shù)近似法、相鄰平均法等[23]。本研究采用移動(dòng)平均法對(duì)所獲取的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，并取得有較好的降噪效果。為更好地建立不同尺度間遙感數(shù)據(jù)的聯(lián)系，為后續(xù)模型構(gòu)建研究提供便利，野外地面測(cè)量數(shù)據(jù)需與空間遙感數(shù)據(jù)相匹配，需要剔除由于大氣中水分吸收嚴(yán)重影響的波段區(qū)域，并刪除明顯的錯(cuò)誤波段數(shù)值[11]?；讷@取的數(shù)據(jù)分析和相關(guān)文獻(xiàn)參考，本研究具體剔除范圍為：1 350～1 410、1 800～1 969、2 381～2 500 nm。

1.3 高光譜曲線特征吸收峰提取

微分法被廣泛用于光譜曲線特征提取研究，它不但能凸顯光譜曲線的細(xì)微變化，并迅速確定細(xì)微變化的波長(zhǎng)位置，還能部分消除地面背景、光照等環(huán)境因素的影響，利于提取光譜吸收峰參數(shù)[24]。在植被分布稀疏、地表混合光譜成分較多的荒漠區(qū)，微分法能夠有效的消除背景噪聲，并提取光譜特征[17]。相比一階導(dǎo)數(shù)，二階導(dǎo)數(shù)光譜則可以進(jìn)一步放大光譜曲線更多有效特征，并進(jìn)一步消除環(huán)境因素對(duì)光譜的干擾[11,25]。為了便于進(jìn)行各植物種間光譜曲線特征參數(shù)的比較。本研究利用包絡(luò)線去除法突出光譜曲線的吸收、反射和發(fā)射特征，并將反射波譜歸一化0～1.0的實(shí)數(shù)域中，使得各數(shù)據(jù)在同一基準(zhǔn)線上對(duì)比吸收特征。具體步驟如下：

1.3.1 原始光譜曲線一階與二階微分計(jì)算 計(jì)算方法如下：

ρ′(λi)=[ρ(λi+1)-ρ(λi-1)]/(2Δλ)

(1)

ρ″(λi)=[ρ′(λi+1)-ρ′(λi-1)]/(2Δλ)=[ρ(λi+1)-2ρ(λi)+ρ(λi-1)]/(Δλ2)

(2)

式中，λi為每個(gè)波段的波長(zhǎng)，ρ′(λi)和ρ″(λi)分別為波長(zhǎng)λi的一階和二階微分光譜，Δλ為λi-1到λi的間隔，Δλ視波長(zhǎng)而定。

1.3.2 包絡(luò)線去除法 本研究利用外殼系數(shù)法去包絡(luò)化，具體步驟如下：

K=(Re-Rs)/(λe-λs)

(3)

ρ=Rci/Ri=1/(Rs+K×(λi-λs))

(4)

式中，λci代表第i波段的包絡(luò)線去除值，Ri是第i波段的原始光譜反射率，Re和Rs分別表示原始光譜反射率曲線中吸收峰起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)反射率。λe和λs分別代表相應(yīng)的吸收峰起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的波長(zhǎng)，K是吸收峰起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)波段間的斜率，ρi是第i波段去包絡(luò)線后的計(jì)算值。吸收峰判別規(guī)則：峰值點(diǎn)一階微分?jǐn)?shù)為0，且二階微分?jǐn)?shù)值>0，其左右肩為峰值點(diǎn)左右臨近的一階微分為0的點(diǎn)，共同組成1個(gè)吸收峰。在350～3 500 nm，利用此判別規(guī)則，提取全部吸收峰。

1.4 光譜吸收特征參量化法

光譜吸收特征參數(shù)(SAFP)是未來(lái)高光譜信息處理研究的主要方向[25]。光譜吸收特征可以用吸收波長(zhǎng)位置(P)、反射值(R)、吸收峰寬度(AW)、吸收峰深度(AD)、斜率(K)、對(duì)稱度(AA)等參數(shù)表示。光譜吸收系數(shù)(SAI)可從本質(zhì)上表達(dá)地物光譜吸收系數(shù)的變化特征，較全面地反映地物光譜曲線的識(shí)別特征，更能夠消除非研究地物的影響[25]。地物光譜反射率曲線的吸收峰由吸收峰點(diǎn)(M)與2個(gè)肩部(S1、S2)組成(圖1)。S1與S2的連線為非吸收基線，設(shè)M處的波長(zhǎng)和反射率分別為λm、ρm；S1和S2對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和反射率分別為λ1、λ2和ρ1、ρ2。各光譜吸收特征參量表達(dá)如下[25-26]：

圖1 吸收峰結(jié)構(gòu)Fig.1 The absorption peak structure diagram

1)吸收峰深度(AD)，為吸收峰點(diǎn)M與非吸收基線的垂直距離。

2)吸收峰寬度AW=λ1-λ2，表征吸收峰吸收特征變化所覆蓋波段范圍的大小。

3)吸收峰對(duì)稱度AA=(λm-λ2)/(λ1-λ2)，表征吸收峰吸收特征變化的均衡程度。

4)光譜吸收系數(shù)SAI=[AA×ρ1+(1-AA)×ρ2]/ρm)，為非吸收基線在譜帶的波長(zhǎng)位置處的反射強(qiáng)度與譜帶谷底的反射強(qiáng)度之比。

2 結(jié)果與分析

2.1 荒漠植被光譜的一般特征

由圖2可見(jiàn)，7種荒漠植物的冠層光譜曲線趨勢(shì)大致相同，并具備明顯的健康植被冠層波譜曲線規(guī)律：即在可見(jiàn)光波段內(nèi)有明顯的“綠峰”(在550 nm附近，綠波段)，反射率8%～18%。由于植物葉片葉綠素對(duì)藍(lán)光和紅光的強(qiáng)吸收，對(duì)綠光的強(qiáng)反射特征，造成在藍(lán)波段(470 nm)和紅波段(650 nm)附近有2個(gè)明顯的吸收谷；在近紅外波段(670～770 nm)反射率急劇升高，形成反射陡坡；在800～1 340 nm有2個(gè)明顯的反射峰，并在該區(qū)域形成一個(gè)明顯的反射臺(tái)，反射率高達(dá)30%～55%。這是由于葉子的海綿組織對(duì)該范圍的近紅外波段的強(qiáng)烈反射而形成的。

圖2 各荒漠植被類型的冠層光譜曲線Fig.2 The canopy spectral curves of desert vegetation types

雖然幾種荒漠植物的冠層光譜曲線具有所有綠色植被的典型特征，但由于不同植物的外部形態(tài)、內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)、色素含量及含水量等因素的差異，造成不同類型植被冠層的反射率有明顯差異。在可見(jiàn)光波段，植物冠層葉綠素含量控制著其反射率大??；而在近紅外波段，植物光譜反射率大小受控于植株的生物量、葉面積指數(shù)和冠層結(jié)構(gòu)差異等[4]。在可見(jiàn)光波段(450～650 nm)，植物色素含量差異導(dǎo)致植物光譜反射率特征的差異，所選7種植物中，除白刺和四合木反射率非常接近外，其他植物反射率從大到小的順序?yàn)椋杭t砂>梭梭>霸王>檉柳>紅砂。在800～1 300 nm，反射率從大到小的順序?yàn)椋杭t砂>白刺>檉柳>四合木>油蒿>梭梭>霸王。紅砂的反射率最高可達(dá)54%，霸王反射率最高可達(dá)33%。中紅外波段(1 300～2 500 nm)，在1 300～1 800 nm，仍然是紅砂的反射率最高，其次是油蒿，檉柳、白刺和霸王的反射率不相上下，四合木的反射率最低。在1 900～2 400 nm，反射率從大到小的順序大致為：紅砂>油蒿>霸王>白刺>檉柳>四合木>梭梭。紅砂、油蒿、霸王、四合木、白刺屬超旱生或真旱生的灌木和半灌木，其葉片退化，以綠色嫩枝進(jìn)行光合作用，光合作用微弱，只消耗掉少量太陽(yáng)能，因此在該波段范圍內(nèi)反射率較高。檉柳和梭梭由于在該波段強(qiáng)烈的光合作用消耗掉大量的太陽(yáng)能，因此反射率較低。

2.2 典型荒漠植被光譜吸收特征參數(shù)提取

本研究選取的光譜吸收特征參數(shù)主要有：吸收波長(zhǎng)位置(P)、反射值(R)、吸收峰寬度(AW)、吸收峰深度(AD)、斜率(K)、對(duì)稱度(AA)，這些光譜特征參數(shù)是進(jìn)行地物識(shí)別和分類的重要依據(jù)[24]。另外，還選擇光譜吸收系數(shù)(SAI)來(lái)表征7種植物冠層光譜的特征，期望從本質(zhì)上表達(dá)各種植物光譜吸收系數(shù)的變化特征，從而全面反映地物光譜曲線的識(shí)別特征，同時(shí)消除背景地物的影響[26]。

結(jié)果表明，7種植物的波谷波長(zhǎng)位置接近，其吸收波段特征具有一定的相似性(表1)。具體來(lái)看，在670 nm附近的吸收谷，梭梭、檉柳和紅砂的波谷寬度明顯小于其他4種植物，但梭梭和檉柳的波谷對(duì)稱度明顯大于其他植被。在960 nm和1 450 nm附近的吸收谷，梭梭和檉柳的波谷寬度、波谷深度明顯大于其他植物，對(duì)稱度在960 nm附近明顯大于其他植物，但在1 450 nm附近的吸收谷和其他植物無(wú)明顯差異。這說(shuō)明，梭梭和檉柳的波譜曲線吸收特征更為相近，而其他幾種植物的波譜曲線吸收特征則更為相近。不同荒漠植物種類在葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、含水量、色素含量、植株形態(tài)等方面的差異，且由生境條件主導(dǎo)的不同荒漠植物生長(zhǎng)在土壤含水量閾值、用水策略等的差異，是導(dǎo)致不同荒漠植物冠層光譜吸收特征參數(shù)間差異的主要原因，但其差異形成的機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究。

表1 7種荒漠典型植物在各吸收谷附近的光譜曲線特征及吸收特征參數(shù)Table 1 The spectral curve characteristics and absorption characteristic parameters of several typical desert plants near each absorption trough

2.3 典型荒漠植物冠層光譜的二階導(dǎo)數(shù)分析

本研究選擇1 350 nm之前(350、370、390,…,1 350 nm)的51個(gè)波段，基于TM的光譜響應(yīng)函數(shù)，將實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)與TM的光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行匹配，分析實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)與之對(duì)應(yīng)的敏感波段。從所獲取的各植物冠層曲線中，選取幾株長(zhǎng)勢(shì)良好的植株冠層光譜作為樣本，共選取了54條光譜曲線(梭梭、霸王、四合木、油蒿、白刺、紅砂，各8條；檉柳6條)。首先，利用二階微分方程對(duì)這些光譜曲線進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)運(yùn)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行排序，分別在正值和負(fù)值區(qū)域選取5個(gè)極值(絕對(duì)值最大)的波段，共540個(gè)極值；其次，將每條二階導(dǎo)數(shù)光譜曲線的10個(gè)極值視為各荒漠植物識(shí)別的最佳波段，并將各曲線的10個(gè)極值按絕對(duì)值從大到小分別排名，然后統(tǒng)計(jì)所有極值(540個(gè))對(duì)應(yīng)的波段(圖3)。

圖3 荒漠植物冠層二階導(dǎo)數(shù)光譜極值最高頻率分布Fig.3 The highest frequency distribution of the second derivative extremum of desert plants canopy

根據(jù)獲取的存在極值的波段對(duì)51個(gè)波段進(jìn)行區(qū)分，大致可分為5個(gè)譜帶，即，譜帶Ⅰ：550、570 nm；譜帶Ⅱ：690、710、730、750 nm ；譜帶Ⅲ：930、950、970 nm；譜帶Ⅳ：1 130、1 150、1 170 nm；譜帶Ⅴ：1 290、1 310、1 330、1 350 nm。出現(xiàn)頻率>10次的譜段有14個(gè)：550 nm(12次)、570 nm(31次)、690 nm(52次)、710 nm(47次)、730 nm(25次)、750 nm(54次)、930 nm(39次)、950 nm(10次)、970 nm(40次)、1 130 nm(36次)、1 150 nm(14次)、1 170 nm(49次)、1 330 nm(19次)、1 350 nm(44次)。各譜帶內(nèi)出現(xiàn)頻率最高的波段被認(rèn)定為最能夠反映植物生態(tài)特性的波段，通過(guò)篩選，確定了5個(gè)波段作為識(shí)別這7種荒漠植物的最佳波段，即570、750、970、1 170、1 350 nm，這些波段可以與TM的光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行匹配，并對(duì)應(yīng)TM2、TM3、和TM4等波段，這為后續(xù)中、大尺度上進(jìn)行荒漠植被識(shí)別與參數(shù)反演提供了尺度推演的基礎(chǔ)。

分別統(tǒng)計(jì)了7種荒漠植物各自的二階光譜導(dǎo)數(shù)隨波長(zhǎng)變化的趨勢(shì)(圖4)，結(jié)果表明，7種荒漠植物的二階光譜導(dǎo)數(shù)變化趨勢(shì)大致相似。利用“峰度”來(lái)表征各荒漠植物二階光譜導(dǎo)數(shù)的變化特征。二階導(dǎo)數(shù)光譜曲線吸收/反射的尖峭程度(用其絕對(duì)值的大小來(lái)表征)即峰度。二階導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值越大說(shuō)明光譜曲線的吸收/反射為尖頂峰度，相反，越小則為平頂峰度。主要結(jié)果如下：

1)在藍(lán)綠波段(510 nm附近，TM1)，7種荒漠植物均表現(xiàn)為吸收特征。其中，梭梭和檉柳的吸收特征最明顯，表現(xiàn)為尖頂峰度；紅砂的吸收特征最不明顯，表現(xiàn)為平頂峰度。

2)在綠波段(570 nm附近，TM2)，7種荒漠物被均表現(xiàn)為反射特征。其中，四合木表現(xiàn)為尖頂峰度，油蒿表現(xiàn)為平頂峰度。

3)在紅波段(690 nm附近，TM3)，7種荒漠植物的吸收特征明顯。其中，白刺、紅砂、四合木的吸收特征最明顯，表現(xiàn)為尖頂峰度；油蒿表現(xiàn)為平頂峰度。且690 nm出現(xiàn)的頻率高達(dá)52次，說(shuō)明690 nm可以入選識(shí)別這幾種荒漠植物的最佳波段。

4)在近紅外波段(710～750 nm ，TM4)，7種荒漠植物的反射特征最明顯，呈尖頂峰度，且在710、730 nm和750 nm 3個(gè)波段出現(xiàn)的頻率分別高達(dá)47、25、54次，說(shuō)明這些波段可以入選識(shí)別這幾種荒漠植物的最佳波段。

5)在950 nm處，紅砂的吸收特征最為明顯，白刺的吸收特征最不明顯。

6)在1 160 nm和1 350 nm處，7種荒漠植物的近紅外波段特征也較為明顯，其中，紅砂和白刺吸的反射特征非常明顯，表現(xiàn)為尖頂峰度；油蒿和檉柳表現(xiàn)為平頂峰度。

對(duì)各荒漠植物冠層光譜的二階導(dǎo)數(shù)極值出現(xiàn)頻率最高的波段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖4)，結(jié)果表明，相對(duì)于其他幾種植物來(lái)說(shuō)，梭梭少了510、730、770、950、1 150、1 330 nm這6個(gè)特征波段。檉柳缺少的特征波段有：730、950、1 150、1 310、1 330 nm。霸王少的波段有：550、770、950 nm。四合木少的特征波段有：510、550、750、950 nm，多的波段有990 nm。油蒿少的特征波段有：550、770 nm。白刺少了510、550、950 nm這3個(gè)特征波段。紅砂的特征波段有：510、550、730、770 nm，但多了830、850、950 nm這3個(gè)特征波段。雖然，510、550、770、810、830、1 290、1 310、1 330 nm這些波段在這7種荒漠植物最佳波段選取中并不占優(yōu)勢(shì)，但卻是識(shí)別個(gè)別荒漠植物植被非常重要的波段。此外，7種荒漠植物在690 nm和750 nm處，出現(xiàn)頻率均達(dá)到了最大值；在730 nm處，霸王、油蒿和四合木的頻率達(dá)到了最大值；在930 nm處，梭梭和紅砂的頻率達(dá)到了最大值；在950 nm處，只有紅砂的頻率達(dá)到了最大值；在1 170 nm處，有6種植被頻率達(dá)到最大值(紅砂除外)；在1 130 nm和1 350 nm處，梭梭和白刺的頻率達(dá)到最大值，因此，綜合考慮最終選出以下幾個(gè)最佳波段：550、570、690、710、730、750、930、950、970、1 130、1 170、1 350 nm。這與現(xiàn)有研究尋找的荒漠植被的最佳波段有所區(qū)別，但共同之處是在550 nm和730 nm附近都有最佳波段入選。由于不同植物種類間葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化大，反映在近紅外的反射率差異較大，通過(guò)近紅外反射率的變化及參數(shù)提取可以區(qū)別不同植物類別，因此在入選的波段中近紅外范圍內(nèi)的波段值也較多。

圖4 幾種典型荒漠植物冠層光譜二階導(dǎo)數(shù)Fig.4 The second derivative spectra of several typical desert plant canopy

3 結(jié)論與討論

地物光譜不但能夠反映地物各自的生理結(jié)構(gòu)、外貌形態(tài)，還能表征其與環(huán)境因子之間的響應(yīng)關(guān)系。對(duì)地物光譜特征進(jìn)行研究是遙感學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，也是地物分類與參量反演等研究的基礎(chǔ)。本研究在古爾班通古特沙漠南緣及烏蘭布和沙漠東北緣選取7種典型荒漠植物，利用ASD便攜式野外光譜儀，獲取了各類植物的冠層光譜曲線，對(duì)各自的光譜特征進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

7種荒漠植物的冠層光譜曲線趨勢(shì)大致相同，并具備明顯的健康植被冠層波譜曲線規(guī)律。在可見(jiàn)光波段內(nèi)有明顯的“綠峰”(在550 nm附近，綠波段)，反射率8%～18%。在藍(lán)波段(470 nm)和紅波段(650 nm)附近有2個(gè)明顯的吸收谷。在近紅外波段(670～770 nm)有反射陡坡，在800～1 340 nm有2個(gè)明顯的反射峰，并在該區(qū)域形成一個(gè)明顯的反射臺(tái)，反射率高達(dá)30%～55%。這是由于葉子的海綿組織對(duì)該范圍的近紅外波段的強(qiáng)烈反射而形成的。

對(duì)7種典型荒漠植物的冠層原始光譜曲線提取光譜吸收特征參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，7種荒漠植物波谷波長(zhǎng)位置接近，其吸收波段特征具有一定的相似性。通過(guò)對(duì)波谷寬度、深度、對(duì)稱度等參數(shù)的具體分析可知，梭梭和檉柳波譜的吸收波段特征更為相近，而其他5種植物的波譜曲線吸收特征更相近。不同荒漠植物種類在葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、含水量、色素含量、植株形態(tài)等方面的差異，且由生境條件主導(dǎo)的不同荒漠植物生長(zhǎng)在土壤含水量閾值、用水策略等的差異，是導(dǎo)致不同荒漠植物冠層光譜吸收特征參數(shù)間差異的主要原因，但其形成差異的機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究。

應(yīng)用光譜二階導(dǎo)數(shù)方法，在350～1 350 nm(紅-近紅外)建立了5個(gè)具有植物生化意義的譜帶。綜合考慮，最終選出12個(gè)波段作為識(shí)別這幾種荒漠植被的最佳波段：550、570、690、710、730、750、930、950、970、1 130、1 170、1 350 nm。這與現(xiàn)有研究尋找的鹽生植物[11]、濕地植物[27-28]等植物類型最佳波段有所區(qū)別，但共同之處是在550 nm和730 nm附近都有最佳波段入選。

植被的分布與其生境條件密切相關(guān)，植被種類可以作為生境條件的反應(yīng)或指示[11]，同時(shí)，生境條件也影響著植物自身組織結(jié)構(gòu)、外貌形態(tài)及色素含量等特征。本研究通過(guò)光譜二階導(dǎo)數(shù)法獲取的識(shí)別各荒漠植物的最佳波段，具有一定相似性，說(shuō)明一些關(guān)鍵波段在荒漠植被識(shí)別及參數(shù)反演等研究中具有普適性，但不同植物種類的最佳波段又有所差別，這是由于不同種類荒漠植物自身的組織結(jié)構(gòu)、外貌形態(tài)及色素含量、對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)策略等的差異引起其反射光譜上的特征差異所致。因此，獲取的有差別的波段可以作為個(gè)別荒漠植物種類識(shí)別的獨(dú)特性參數(shù)?；哪脖皇呛饬炕哪厔?shì)的重要指標(biāo)，研究荒漠植物光譜特征對(duì)荒漠化研究、植被識(shí)別、分類及生長(zhǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)都有一定意義。不同荒漠植物各自具有獨(dú)特的植物功能性狀特征及對(duì)水鹽脅迫的適應(yīng)策略特征，且其分布、生存及演替主要受控于水鹽等環(huán)境條件的變化。通過(guò)研究其光譜特征的差異性，不僅可以獲取荒漠植被的植物功能性狀、生境等特征信息，還可以進(jìn)行荒漠植被制圖、荒漠植被分類、荒漠植被生長(zhǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等研究，對(duì)于荒漠植物群落演替等研究也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。