伊犁絹蒿荒漠草地植物光譜特征

武紅旗，范燕敏，靳瑰麗，夏小偉

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2. 新疆土壤與植物生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052；3. 新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052）

遙感技術(shù)發(fā)展迅猛，在草地生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用，為草地快速監(jiān)測、估產(chǎn)提供了新的手段，從早期多光譜遙感[1]到高光譜遙感[2-3]，從歸一化植被指數(shù)[4-5]到多種植被指數(shù)[6]與波段深度指數(shù)[7]等。國內(nèi)外大量基于遙感技術(shù)的研究主要集中在植被生化參數(shù)[8-10]的反演、葉面積比[11-13]的估算、葉綠素的估測[14]、植被分類與識別[3,15]等方面。目前，利用典型植被的高光譜特征曲線或特征參數(shù)，是植物識別及制圖的主要方法[16-17]。周揚(yáng)帆等[18]通過分析植物的光譜特征，表明比值植被指數(shù)(ratio vegetation index，RVI)、增強(qiáng)型植被指數(shù)(enhanced vegetation index，EVI)可顯著區(qū)分馬鈴薯(Solanum tuberosum)與主要糧食作物。楊凱等[19]研究表明，利用可見光波段反射曲線特征可識別紫花針茅(Stipa purpurea)，紅邊位置可識別藏北嵩草(K. tibetica)。林川等[20]分析了野鴨湖濕地植物的冠層光譜，選取紅邊位置、紅邊幅值、綠峰位置等8個光譜特征變量進(jìn)行植被生態(tài)類型識別，分類精度在85%以上。魏秀紅等[21]利用物種的近紅外波段反射率、紅邊位置、修改型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)等5個光譜參數(shù)建立判別函數(shù)，對伊犁絹蒿荒漠草地9種植物進(jìn)行了分類。

伊犁絹蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地為中亞氣候型荒漠，分布于北疆低山平原區(qū)，對新疆畜牧業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境具有重要意義。由于過度利用出現(xiàn)不同程度的退化，群落的優(yōu)勢種伊犁絹蒿半灌木逐漸被一年生植物所取代，退化指示種比重增大，造成不同退化程度下伊犁絹蒿荒漠草地群落組成差異很大[22]，加之荒漠草地植被稀疏，生長受氣候影響較大，使得在進(jìn)行大面積草地的監(jiān)測方面存在很大難度。針對荒漠草地物種組成不同、監(jiān)測難度大的問題，借鑒前人研究成果，對伊犁絹蒿荒漠草地兩個植被群落及主要植物在不同季節(jié)的高光譜特征參數(shù)進(jìn)行對比，探討遙感分類的適宜時間和光譜參數(shù)，為荒漠草地分類及物種識別建模提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

伊犁絹蒿荒漠草地在新疆平原及山地丘陵處均有分布，由于受氣候、地形等的影響，該類群落的物種組成具有一定的差異性，因此選取烏魯木齊市米東區(qū)與石河子紫泥泉種羊場兩處伊犁絹蒿荒漠草地為研究對象。

研究區(qū)1位于新疆烏魯木齊市米東區(qū)蘆草溝鄉(xiāng)(87°45′ E，43°53′ N)，群落代號W，海拔930 m，年平均降水量212 mm，年均溫7.3 ℃，無霜期165 d，全年多西北風(fēng)。伊犁絹蒿半灌木為建群種，伴生叉毛蓬(Petrosimonia sibirica)、木地膚(Kochia prostrata)、角果藜(Ceratocarpus arenarius)和葶藶(Draba nemorosa)，春季澀芥(Malcolmia maritima)和彎果胡盧巴(Trigonella arcuata)等短生植物發(fā)育較好。

研究區(qū)2位于新疆石河子紫泥泉種羊場(85°49′ E，44°1′ N)，群落代號S，海拔980 m，年平均降水250～380 mm，年均溫6.5 ℃左右，無霜期170～190 d。伊犁絹蒿半灌木為建群種，伴生木地膚、草原苔草(Carex liparocarpos)、羊茅(Festuca ovina)，春季伊犁郁金香(Tulipa gesneriana)、頂冰花(Gageasp.)、角果毛茛(Ceratocephalus orthoceras)及黃芪(Astragalussp.)等短生植物發(fā)育較好。

由于伊犁絹蒿荒漠草地生境惡劣，主要靠積雪融水補(bǔ)給，夏季高溫少雨，群落的建群種伊犁絹蒿在夏季具有休眠現(xiàn)象，在春末夏初和秋季植物的生物量較大[23]，因此只能在伊犁絹蒿未進(jìn)入休眠或解除休眠后運(yùn)用高光譜對該類草地進(jìn)行監(jiān)測，故本研究僅對5月和9月草地群落特征及高光譜進(jìn)行分析。

兩個群落的特征如表1所示。在春季和秋季，兩個群落的伴生種均發(fā)生了變化，并且S群落在高度、蓋度和生物量等方面均優(yōu)于W群落。

1.2 野外光譜采集及數(shù)據(jù)處理

1.2.1 野外光譜采集

采用美國SVC HR-768便攜式光譜儀(350～2 500 nm)分別于2015年5月和9月測定研究區(qū)植物群落及單種植物光譜。烏魯木齊米東區(qū)草地處于山前丘陵，地形差異較大，沿山頂、山腰和山腳各設(shè)置一條樣線，樣線間隔10 m，每條樣線上設(shè)置8個1 m × 1 m樣方，每個樣方間隔3 m，共24個樣方；石河子紫泥泉由于地勢平坦，設(shè)置兩條平行樣線，樣線間隔20 m，每條樣線上設(shè)置5個1 m ×1 m樣方，每個樣方間隔10 m，共10個樣方。

表1 研究區(qū)群落特征Table 1 Community characteristics of the study area

光譜采集選擇在晴朗、干燥、微風(fēng)、無云的天氣，為減少太陽高度角對反射率的影響，測定時間為北京時間12:00-14:00。每次開機(jī)進(jìn)行一次暗電流校正，測定群落光譜反射率時，探頭與地面始終保持垂直，距冠層1 m，在樣方中均勻地測5條光譜反射率曲線。單種植物光譜測定時，每種植物挑選5～10株(對于植株較小的選取由單一植物構(gòu)成的區(qū)域)，距植物冠層頂60 cm測定光譜反射率。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

光譜數(shù)據(jù)受儀器溫度和電流影響，可能會出現(xiàn)異常大或小的光譜反射率，在Excel中按樣本歸類，對比、剔除光譜反射率異常的數(shù)據(jù)，然后將剩余數(shù)據(jù)取平均值作為樣本的高光譜反射特征。采用9點(diǎn)加權(quán)平滑對樣本光譜進(jìn)行去噪[22]，然后在ENVI 4.7中去包絡(luò)線，以便有效地突出光譜曲線的吸收與反射特征，并將其標(biāo)準(zhǔn)到一個一致的光譜背景上，有利于和其他光譜曲線進(jìn)行特征數(shù)值的比較，從而提取出特征波段，以供分類識別[23]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

遙感研究中最常用的植被指數(shù)為NDVI，它對綠色植被變化靈敏，對土壤或者枯草不靈敏，能夠較好地反映出草地的覆蓋度、生物量和葉面積指數(shù)變化，與地上現(xiàn)存凈初級生物量有較好的相關(guān)性[24]。錢育蓉等[24]研究認(rèn)為，植物的有效光譜波段大致范圍為500～900 nm，本研究在此波段范圍對植物反射光譜進(jìn)行分析，并且選取紅波段691 nm與近紅外波段781 nm的相對反射率計算植被指數(shù)NDVI。公式如下：

式中：R781和R691分別代表植被在波段781和691 nm處的相對反射率。

2 結(jié)果與分析

2.1 5月主要植物的反射光譜特征及植被指數(shù)

兩研究區(qū)的伊犁絹蒿去包絡(luò)線光譜曲線相近似，W群落里澀芥與伊犁絹蒿的光譜曲線相近，S群落里3種主要植物光譜曲線相差很大(圖1)。在400～500 nm藍(lán)紫光范圍內(nèi)主要植物特征光譜曲線差異很大，伊犁絹蒿、叉毛蓬和木地膚有一個反射峰，苔草與澀芥在這一范圍內(nèi)不具有明顯的峰。在綠光波段兩個群落內(nèi)主要物種的反射率差異較大。在680 nm波段吸收特征差異較大，其中叉毛蓬吸收深度最小，苔草吸收深度最大，吸收深度依次為苔草 ＞ 澀芥 ＞ 伊犁絹蒿 ＞ 木地膚 ＞ 叉毛蓬。

荒漠草地春季主要物種NDVI值間存在差異，伊犁絹蒿NDVI值大于木地膚與叉毛蓬，小于苔草，與澀芥的NDVI值相近(圖2)。植物不同，葉片構(gòu)造有差異，導(dǎo)致不同植物在近紅外波段的相對反射率不同，如圖2所示，主要植物在781 nm的相對反射率差異較大且呈集群狀分布，苔草的相對反射率值最大且遠(yuǎn)離土壤線，其次為木地膚，叉毛蓬的反射率值最小且最接近土壤線；各植物在691 nm的相對反射率差異較小，因此兩個群落的主要植物的光譜反射率分布在Rr-Rn二維空間的不同區(qū)域。比值植被指數(shù)(RVI)為植物在781 nm的反射率與691 nm的反射率的比值，RVI與葉綠素含量相關(guān)性高，各植物的RVI差異較大，表現(xiàn)為苔草 ＞ 木地膚 ＞ 澀芥 ＞ 伊犁絹蒿 ＞ 叉毛蓬。

S群落在781 nm的相對反射率高于W群落，W群落在691 nm的相對反射率較分散，導(dǎo)致S群落的RVI明顯大于W群落(圖3)，結(jié)合NDVI與紅波段、近紅外波段相對反射率(圖2)分析可知，S群落中苔草和木地膚的RVI高于W群落的叉毛蓬和澀芥，因此群落的RVI與群落的物種組成、結(jié)構(gòu)及蓋度等有關(guān)。5月S群落的Rr-Rn光譜特征空間垂直于土壤線，而W群落的Rr-Rn光譜特征空間平行且靠近土壤線，表明5月W群落的蓋度和生物量不及S群落。

圖1 5月主要植物去包絡(luò)線光譜Figure 1 Continuum-removed spectral reflectance of main plant in May

圖2 5月主要植物的NDVI與紅波段、近紅外波段相對反射率Figure 2 NDVI and relative reflectance in red and near-infrared bands of main plant in May

圖3 5月群落的紅波段、近紅外波段反射率Figure 3 Relative reflectance in red and near-infrared bands of plant community in May

2.2 9月主要植物的反射光譜特征及植被指數(shù)

9月群落的植物組成較5月有明顯的變化，S群落的伊犁絹蒿在9月出現(xiàn)生殖枝較多與葉片較多的兩種生長狀態(tài)，W群落的伊犁絹蒿則主要以葉片為主。S群落的植物反射光譜相近；W群落的植物光譜有差異，尤其是叉毛蓬的光譜反射率遠(yuǎn)高于其他兩種植物(圖4)。在400～600 nm范圍，角果藜僅在綠光波段有一個明顯反射峰外，其他植物在藍(lán)紫光、綠光波段均具有兩個反射峰，但叉毛蓬的綠光反射不明顯。兩種生長狀態(tài)下伊犁絹蒿的光譜曲線差異很大，在680 nm生殖枝的吸收深度大于葉片的吸收深度。物種之間吸收特征差異很大，其中叉毛蓬吸收深度最小，角果藜吸收深度最大。

在成熟期叉毛蓬和伊犁絹蒿的NDVI值均較返青期降低，木地膚、角果藜和葉片較多的伊犁絹蒿3種植物之間的NDVI較接近，叉毛蓬的NDVI明顯低于其他幾種植物(圖5)。主要植物在紅和近紅外波段的反射特征值分布較分散，相互混在一起，導(dǎo)致兩個草地群落在Rr-Rn空間光譜特征混雜在一起(圖6)，因此兩個群落之間以及各植物之間的RVI差異不大，主要原因是由于成熟期兩群落里低端元的澀芥及高端元的苔草退出群落，其他植物的RVI分散，致使9月兩群落的RVI分布無差異。

3 討論

本研究中，5月和9月的植物反射光譜曲線中，在400～600 nm范圍，植物大多具有兩個反射峰，分別位于藍(lán)紫光波段和綠光波段，這可能是植物體內(nèi)各種色素含量的差異造成的，也可能是光譜噪聲。9月叉毛蓬的光譜反射率較高，主要是由于9月植物進(jìn)入成熟枯萎期，蓋度降低，植物的高光譜受土壤背景影響顯著，致使其光譜反射率增大，綠光波段反射不明顯。

本研究中，5月與9月不同的群落結(jié)構(gòu)下群落及物種光譜特征之間有明顯的差異，且5月植物的NDVI高于9月。5月各物種的RVI分布在不同的光譜特征空間，因此通過RVI可以將主要植物以及2個群落區(qū)別開來，而在9月由于兩群落的主要植物的NDVI較接近，并且RVI分散且相互混雜，很難將群落區(qū)別開來。本研究結(jié)果與錢育蓉等[24]的研究結(jié)論一致，即荒漠植物在凋落枯萎期的NDVI和RVI低于5月份，不同草地類型、不同季相的荒漠植被與NDVI和RVI具有較高的數(shù)據(jù)相關(guān)性。

圖4 9月主要植物去包絡(luò)線光譜Figure 4 Continuum-removed spectral reflectance of main plant in September

付元元等[25]研究認(rèn)為，當(dāng)植被生長狀態(tài)不同，生物量有差異，光譜曲線的紅吸收谷(550～750 nm)的光譜特征會隨之發(fā)生改變。劉波等[26]研究認(rèn)為，典型優(yōu)勢植物的光譜特征差異體現(xiàn)在紅邊位置、紅邊形狀、紅谷和纖維素吸收波段處，本研究中，5月和9月大多數(shù)植物的紅吸收谷特征存在差異，因此，可以對紅吸收谷進(jìn)行光譜深度分析，提高植物的分類精度。

由于高光譜遙感提供了精細(xì)的遙感信息，有助于進(jìn)行更加細(xì)致的地物分類識別，但傳統(tǒng)的比值或差值法難以消除土壤等背景的影響，造成利用植被指數(shù)反演植物葉綠素含量、產(chǎn)量等精度較低，姜海玲等[27]認(rèn)為是因?yàn)镹DVI的構(gòu)成形式簡單，考慮的影響因素較少。目前，有研究利用多種光譜數(shù)據(jù)的處理方法，如一階導(dǎo)數(shù)或二階導(dǎo)數(shù)消除土壤背景的影響，以提高植被分類精度[28-30]。魏秀紅等[21]通過光譜一階微分技術(shù)、歸一化和Rr-Rn光譜特征空間3種光譜處理方法僅識別了荒漠草地物種，本研究利用高光譜的兩個波段進(jìn)行主要植物的光譜特征比較，并且基于5月群落光譜的Rr-Rn光譜特征空間，可將兩個物種組成有差異的群落區(qū)別開來。本研究的不足之處在于沒有充分利用高光譜的優(yōu)勢，在以后的研究中需要借鑒相關(guān)的高光譜數(shù)據(jù)分析方法，挖掘高光譜的應(yīng)用潛力。

圖5 9月主要植物NDVI與紅波段、近紅外波段反射率Figure 5 NDVI and relative reflectance in red and near-infrared bands of main plant in September

圖6 9月群落的紅波段、近紅外波段反射率Figure 6 Relative reflectance in red and near-infrared bands of plant community in September

4 結(jié)論

通過對比兩個物種組成不同的伊犁絹蒿荒漠草地在5月和9月的反射光譜特征和植被指數(shù)NDVI和RVI，結(jié)果表明，伊犁絹蒿荒漠草地不同植物的綠光反射率和紅光吸收深度存在顯著差異，利用這一特征，可以識別不同物種。利用5月物種和群落的NDVI和RVI可識別草地物種和群落。在9月，植被稀疏，受植被下墊面的影響，植物在綠光波段的反射率下降，并且物種之間的NDVI和RVI較接近，難以區(qū)分群落。