天山中部溫性草原優(yōu)勢種波譜庫建設(shè)研究

鄭逢令，阿斯婭·曼力克

（新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所3S技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830000）

天山中部溫性草原優(yōu)勢種波譜庫建設(shè)研究

鄭逢令，阿斯婭·曼力克*

（新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所3S技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830000）

本文介紹了國內(nèi)外光譜庫發(fā)展的情況，著重討論了農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χ脖还庾V的研究和波譜庫的建設(shè)和使用的情況，闡述了建立溫性草原植被波譜庫的必要性和緊迫性，提出建立天山中部山地溫性草原建群種波譜數(shù)據(jù)庫對新疆草地退化遙感監(jiān)測有重要意義，也將為未來的實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺的建立打下基礎(chǔ)。

溫性草原；波譜庫

1 建立光譜庫的必要性

新疆地處干旱區(qū)，草地是新疆陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要類型，其面積5.73×107hm2，占全疆土地面積的34.4%[1]，對于水土保持、水源涵養(yǎng)和防風(fēng)固沙具有重要作用，是保障新疆生態(tài)安全的主體屏障之一。

近半個(gè)世紀(jì)以來，由于氣候變化和超載過牧[2]，導(dǎo)致草場退化，生產(chǎn)力下降，可利用面積萎縮等嚴(yán)重生態(tài)問題。這對維護(hù)新疆生態(tài)安全和邊疆的穩(wěn)定是極其不利的。面對新疆草原生態(tài)惡化的嚴(yán)峻形勢，亟需借助先進(jìn)的技術(shù)手段，對新疆草地資源現(xiàn)狀和動態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測，為草原生態(tài)科學(xué)治理規(guī)劃和草原生態(tài)建設(shè)提供直接依據(jù)。

以空間定位(GPS)技術(shù)、遙感(RS)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)為代表的地球空間信息技術(shù)在資源調(diào)查與評估、資源變化監(jiān)測、資源管理等領(lǐng)域中正發(fā)揮日益重要的作用[3]。

波譜庫是表達(dá)地球空間信息的基礎(chǔ)和遙感技術(shù)的基石。定量遙感離不開地物波譜數(shù)據(jù)庫以及相應(yīng)的遙感知識庫和模型庫的支持，隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展和普及，越來越多的系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫的形式將地物波譜組織起來，實(shí)現(xiàn)波譜信息的查詢和顯示。

2 國外發(fā)展情況

上世紀(jì)80年代后期，美國地質(zhì)調(diào)查局 (USGS)針對礦產(chǎn)資源遙感勘探的需要發(fā)展了波譜數(shù)據(jù)庫（SpeLba），該數(shù)據(jù)庫包括了444種礦物和對礦產(chǎn)資源有指示性的典型植被及混合材料樣品，共有498條波譜反射數(shù)據(jù)，波譜范圍0.4～2.5μm，波譜分辨率4 nm(0.2～0.8μm)和10nm(0.8～2.5μm)。該波譜庫不斷更新，由第1版發(fā)展到目前網(wǎng)上運(yùn)行的第4版，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上在線搜索、光譜分析、繪圖功能以及對應(yīng)混合物的輻射轉(zhuǎn)換等。

3 國內(nèi)發(fā)展情況

在我國，我國地物波譜測量研究可以從20世紀(jì)70年代末的騰沖航空遙感試驗(yàn)算起，在進(jìn)行遙感飛行試驗(yàn)的同時(shí)，也進(jìn)行了地物波譜測量工作。20世紀(jì)80年代，中國科學(xué)院空間科學(xué)技術(shù)中心在寧蕪地區(qū)建立了遙感試驗(yàn)場，獲得了該地區(qū)巖礦、水體、土壤、植被及農(nóng)作物1 000余條光譜曲線，出版了《中國地球資源光譜信息資料匯編》。20世紀(jì)90年代初，中科院遙感應(yīng)用研究所的童慶禧等編著了《中國典型地物波譜及其特征分析》，給出了我國277種典型地物的波譜特征[4]。與此同時(shí)，中國科學(xué)院安徽光機(jī)所、遙感所、南京土壤所、蘭州冰川所等單位，建立了我國第一個(gè)綜合性“地物波譜特性數(shù)據(jù)庫”。該波譜數(shù)據(jù)庫采集300余種地物約15 000條地物波譜，并存放了相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)、大氣參數(shù)及理化參數(shù)等輔助信息。該系統(tǒng)具備常規(guī)波譜數(shù)據(jù)處理技術(shù)、統(tǒng)計(jì)分析和應(yīng)用模式分析以及地面與航空波譜數(shù)據(jù)的參照功能。這些波譜庫的建立和應(yīng)用在一定程度上促進(jìn)了遙感技術(shù)在我國地質(zhì)、水文、海洋等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用[5,6]。

2004年，由北京師范大學(xué)主持，多個(gè)單位參加的以農(nóng)業(yè)、地礦、水環(huán)境領(lǐng)域的典型地物為主，研究地物波譜和相應(yīng)目標(biāo)環(huán)境參數(shù)獲取分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、收集己有典型地物波譜數(shù)據(jù)和圖像樣本數(shù)據(jù)、進(jìn)行地物波譜模擬與知識結(jié)構(gòu)構(gòu)建、波譜數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)、波譜庫應(yīng)用示范研究。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了中國典型地物波譜數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，該系統(tǒng)涵蓋小麥、玉米、水稻、油菜、棉花、水體和部分巖礦，基于B/S架構(gòu)，采取COM組件模型、ASP開發(fā)和ADO數(shù)據(jù)連接技術(shù)，它除了可以基于互聯(lián)網(wǎng)提供實(shí)時(shí)波譜服務(wù)、具有嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系外，還具有模型庫支持的地物波譜在時(shí)間和空間尺度上的擴(kuò)展功能以及涵蓋對波譜尺度擴(kuò)展提供輔助支持的先驗(yàn)知識庫。該庫為一個(gè)多層的分布式環(huán)境，除了收集大量的觀測波譜以外，系統(tǒng)還提供了波譜的內(nèi)插和外延功能。這些功能是在基于模型庫和先驗(yàn)知識庫的支持下完成，它將波譜數(shù)據(jù)庫、先驗(yàn)知識數(shù)據(jù)庫、遙感模型庫和遙感影像庫結(jié)合起來，形成“四庫合一”的有機(jī)整體。入庫波譜數(shù)據(jù)達(dá)到1萬條。至此，中國典型地物波譜庫已走出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的范疇，是我國歷史上較完備的地物波譜收集與管理，在國際上也具有較重要地位[7]。

4 草地光譜分析及光譜庫的建立情況

在草地光譜研究領(lǐng)域，上世紀(jì)八九十年代，李巖（1983）；金麗芳 （1985）；張玉勛等（1991)將衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地面光譜數(shù)據(jù)結(jié)合，進(jìn)行草地生物量監(jiān)測、草原植被長勢監(jiān)測、草地估產(chǎn)，探索不同草地類型或群落之間光譜差別等工作[8,9,10]。劉富淵，賈慎修 （1984）在內(nèi)蒙古巴林右旗草原進(jìn)行了草地光譜測試，對影響草地光譜反射的幾個(gè)基本因子進(jìn)行分析，并對不同草地群落光譜反射特性與不同利用狀況下草地光譜反射率變化的關(guān)系進(jìn)行了研究[11]。王艷榮等(1990)分析了各波段反射率與不同植被牧草產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，利用6種比值植被指標(biāo)和正交指標(biāo)建立產(chǎn)草量的估算模式并進(jìn)行了精度檢驗(yàn)[12]。龍瑞軍等（1994）研究了高山草地反射光譜與牧草長勢的相關(guān)性，指出草地植被蓋度對光譜反射有顯著影響。并對祁連山東段高山草地5種植物群落光譜進(jìn)行了測試，研究草本植物和灌木種群、土壤背景和測試儀器高度對群落的光譜反射的影響。探討利用遙感技術(shù)區(qū)分草地類型的可行性，揭示高山草地植物群落間光譜反射的差異性，分析光譜綠度值與地上植物量間的數(shù)量關(guān)系[13,14]。王艷榮 (1996，1997，2001)研究了戈壁針茅草原產(chǎn)草量與近地面反射特征的相關(guān)性。根據(jù)1994、1995兩年近地面光譜反射數(shù)據(jù)，利用主成份(PCA)法分析了草甸草原與典型草原和荒漠草原之間反射特征的差異。測試并分析了在生長季節(jié)不同放牧強(qiáng)度對羊草草原植被反射波譜特征的影響。結(jié)果表明，不同放牧強(qiáng)度草地植物群落在種類組成、結(jié)構(gòu)和生物量等方面均明顯不同，導(dǎo)致植被反射波譜差異顯著。[15,16,17,18]黃敬峰（1999）等，根據(jù)1992-1994年天山北坡中東段主要牧草群落光譜觀測數(shù)據(jù)與產(chǎn)量的分析表明，天然草地光譜植被指數(shù)可以較好地反映牧草產(chǎn)量的年際變化和不同類型天然草地的產(chǎn)量差異。黃敬峰等（1999）應(yīng)用1992-1994年烏魯木齊、阜康試驗(yàn)區(qū)不同草地類型的光譜觀測數(shù)據(jù)、相應(yīng)牧草產(chǎn)量數(shù)據(jù)及NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)，建立了新疆北部不同類型天然草地牧草產(chǎn)量光譜監(jiān)測模型。黃敬峰（2000）等 用1989-1991年的光譜觀測資料、牧草產(chǎn)量資料分析天山北坡天然草場光譜植被指數(shù)的日變化、季節(jié)變化和年際變化規(guī)律，比較不同草場類型的植被指數(shù)差異，為應(yīng)用NOAA氣象衛(wèi)星資料開展天然草場牧草長勢監(jiān)測及產(chǎn)草量預(yù)測研究提供參考,并利用天然草地牧草光譜觀測資料、牧草產(chǎn)量資料、氣象資料和NOAA/AVHRR資料,建立了天建立了天然草地牧草產(chǎn)量遙感預(yù)測模型及氣象預(yù)測模型[19,20,21,22]。2006年，范燕敏等利用GER1500光譜儀實(shí)地測定新疆部分天然草地類型及植物的反射光譜數(shù)據(jù)，并對反射光譜曲線進(jìn)行了初步分析[23]。2010年,王煥炯等針對退化草地，利用地面實(shí)測光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了高光譜草地退化監(jiān)測研究。選擇內(nèi)蒙古呼倫貝爾市的溫性草甸草原為研究對象，測量了草甸草原的羊草、克氏針茅、冷蒿等多種植物的葉片、冠層以及多種植物混合的群落反射率光譜數(shù)據(jù)。通過有效的光譜特征參量化方法，提取葉片和冠層光譜的光譜特征，準(zhǔn)確區(qū)分了草甸草原的幾種建群和退化指示草本植物[24]。

以上國內(nèi)外相關(guān)研究綜述可以得知草地光譜研究和地物波譜數(shù)據(jù)庫建設(shè)和發(fā)展的脈絡(luò)。對新疆天然草地而言，已有研究主要在草地光譜測量與處理的方法、并將其應(yīng)用在植被蓋度、植被長勢、生物量、群落和植被類型識別、草地退化程度等方面進(jìn)行探索。隨著定量遙感技術(shù)和高光譜技術(shù)的飛速發(fā)展以及新疆農(nóng)林牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，需要我們及時(shí)掌握新疆草地退化的面積、類型、位置，而建立不同草地類型光譜數(shù)據(jù)庫是解決這些問題的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。天山北坡中段是指從烏魯木齊到烏蘇完整統(tǒng)一的自然綜合體。建立天山中部山地溫性草原建群種波譜數(shù)據(jù)庫，為研究區(qū)草地資源實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺的建立打下基礎(chǔ)。

[1]景輝,張步廉，趙永衛(wèi).新疆草地現(xiàn)狀、退化原因及治理對策[J].新疆畜牧業(yè)，2010，（09）：58～61.

[2]鞠強(qiáng),努爾巴衣·阿不都沙勒克,潘曉玲.新疆草地退化及其治理[J].新疆環(huán)境保護(hù),2004,26(3):43～46.

[3]李德仁.地球空間信息學(xué)及在陸地科學(xué)中的應(yīng)用[J].自然雜志，2006,27(06):316～322.

[4]蘇理宏,李小文,王錦地,唐世浩.典型地物波譜知識庫建庫與波譜服務(wù)的若干問題[J].地球科學(xué)進(jìn)展, 2003,18(02):185-190.

[5]田慶久,宮鵬.地物波鵬數(shù)據(jù)庫研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].遙感信息,2002,(3):1～7.

[6]阮建武.基于地物波譜數(shù)據(jù)庫的分類識別研究[D].吉林大學(xué)博士學(xué)位論文，2004:28-31.

[7]屈永華,劉素紅,王錦地,李小文,蘇理宏.中國典型地物波譜數(shù)據(jù)庫的研究與設(shè)計(jì)[J].遙感信息,2004,(02): 5～8.

[8]李巖.天然草場光譜的時(shí)空分布與最佳解譯圖象的選擇——以新疆天山北坡為例[J].干旱區(qū)地理,1983, (03)37～41.

[9]金麗芳,徐希孺,張猛.內(nèi)蒙古典型草原地帶牧草產(chǎn)量估算的光譜模型[J].草業(yè)科學(xué),1986,(02):51～54.

[10]張玉勛,李建東(1991).草地植物群落地上生物量非破壞性估測方法的探討[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，15(2): 177～182.

[11]劉富淵,賈慎修.草地光譜反射的基本特性[J].中國草地學(xué)報(bào),1986,(06)26～30.

[12]王艷榮,雍世鵬.內(nèi)蒙古錫林郭勒草原植被的光譜反射特征與牧草產(chǎn)量相關(guān)性的分析[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),14(3):258～266.

[13]龍瑞軍，牟新待，陳功.高山草地的反射光譜與牧草長勢的相關(guān)分析[J].草業(yè)科學(xué),1994，(01):53～55.

[14]龍瑞軍，牟新待，陳功.高山草地的光譜反射特征及其估產(chǎn)模型[J].草業(yè)學(xué)報(bào),1994,3(02):59～64.

[15]王艷榮，雍偉義.荒漠草原近地面反射特征研究──戈壁針茅（Stipa gobica）荒漠草原近地面反射光譜特征與產(chǎn)草量的相關(guān)分析[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1996,27(05):554～561.

[16]王艷榮.草甸草原近地面光譜反射特征及其與典型草原、荒漠草原的比較研究[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1997,28(03):407～413.

[17]王艷榮.利用植被近地面反射波譜季節(jié)特征對大針茅草原不同利用強(qiáng)度的植物群落的鑒別研究[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1997,28(05):93～97.

[18]王艷榮.不同放牧強(qiáng)度對羊草草原近地面反射波譜特征的影響研究[J].中國草地,2001,(02):2～7.

[19]黃敬峰,王秀珍.天山北坡中東段天然草地光譜植被指數(shù)特征[J].山地學(xué)報(bào),1999,17(2):119～124.

[20]黃敬峰,王秀珍,胡新博.新疆北部不同類型天然草地產(chǎn)草量遙感監(jiān)測模型[J].中國草地，1999，(01):7～11.

[21]黃敬峰，王秀珍，蔡承俠，胡新博.利用氣象衛(wèi)星AVHRR資料監(jiān)測北疆天然草地牧草產(chǎn)量[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16（2）：123～127.

[22]黃敬峰，王秀珍，王人潮.天然草地牧草產(chǎn)草量遙感綜合監(jiān)測預(yù)測模型研究,遙感學(xué)報(bào)[J].2001，5（1）：69-74.

[23]范燕敏，武紅旗，靳瑰麗.新疆草地類型高光譜特征分析[J].草業(yè)科學(xué)，2006，23（6）：15～18.

[24]王煥炯,范聞捷,崔要奎等.草地退化的高光譜遙感監(jiān)測方法[J].譜學(xué)與光譜分析，2010，30(10):2734～2738.

Study on Construction of Spectral Library of Dom inant Species in W arm Steppe of the Central Tianshan M ountain

ZHENG Feng-ling，ASIYA·Manlik*
(Grassland Research Institute,Xinjiang Academy of Animal Science,Urumqi830000,China)

This article describes the developmentof domestic and international spectral library,focused on the use of agricultural applications areas of vegetation spectra and spectral library constructure and expounded the necessity and urgency of establishing warm grassland vegetation spectral library,the establishment of constructive species spectral database of Central TianShan mountain temperature grassland will play a very important role on grassland degradation remote sensing monitoring will also lay the foundation for the establishment of real-timemonitoring platform..

warm steppe；spectral library

S812.5

A

1003-6377（2014）01-0022-04

2013-12-27

院所改革專項(xiàng)“溫性草原禾本科牧草波普數(shù)據(jù)采集與特征分析”（2010018）；條件平臺建設(shè)項(xiàng)目：新疆草地動態(tài)監(jiān)測試驗(yàn)平臺建設(shè)（PT1103）

鄭逢令（1974-），男，在讀博士生。

阿斯婭·曼力克（1970-），女，研究方向?yàn)椴莸刭Y源與生態(tài)。