地物光譜儀大型沉水植物苦草的光譜特征識(shí)別

引言

國(guó)內(nèi)外許多經(jīng)驗(yàn)表明，河流湖泊水生植被的恢復(fù)是水體環(huán)境和生態(tài)綜合整治的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是總體治理效果的最后實(shí)現(xiàn)過(guò)程，如果缺少這個(gè)環(huán)節(jié)，總體治理效果將會(huì)受到很大限制。

遙感技術(shù)已成為地表覆被及其組成信息的主要來(lái)源,已廣泛應(yīng)用于資源與環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。目前，國(guó)外已有學(xué)者開(kāi)始探索應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)沉水植物分布時(shí)空變化與生長(zhǎng)狀況。Jakubauskas等對(duì)睡的蓋度和光譜反射之間的關(guān)系進(jìn)行了定量的研究,Han和Rundquis在試驗(yàn)池中研究了金魚(yú)藻在清水和富含藻類水體的不同深度下光譜反射率的變化。目前,國(guó)內(nèi)應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)沉水植物分布的時(shí)空變化與生長(zhǎng)狀況研究還較少。

近年來(lái)，隨著高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,使遙感影像的空間分辨率和光譜分辨率得到很大提高。本項(xiàng)研究使用便攜式地物光譜儀測(cè)定大型沉水植物苦草的光譜特征,其主要目的是:

(1)識(shí)別大型沉水植物的光譜特征;

(2)建立沉水植物蓋度與光譜特征之間的定量關(guān)系,以期為高光譜遙感影像的影像判讀和解譯分類以及沉水植物分布時(shí)空變化與生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐，為大尺度遙感監(jiān)測(cè)沉水植物的分布和動(dòng)態(tài)變化提供科學(xué)依據(jù)。

材料與方法

2.1 材料

本項(xiàng)研究選擇苦草為試驗(yàn)材料。苦草是長(zhǎng)江中下游湖泊和河流中常見(jiàn)的沉水植物優(yōu)勢(shì)種，為多年生沉水草本，無(wú)直立莖，具橫走的匍匐莖，葉基生，葉片帶狀較長(zhǎng)?？嗖莸哪臀坌院瓦m應(yīng)性強(qiáng)、繁殖快，同時(shí)對(duì)藻類具有抑制作用，近年來(lái)作為生態(tài)修復(fù)中常選擇的沉水植物種類，被廣泛用于湖泊、河流和富營(yíng)養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)。

2.2 光譜測(cè)定

使用便攜式地物光譜儀，直接測(cè)定不同樣方中沉水植物的光譜反射率，光譜儀的波段覆蓋350-2500nm。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)定前用遮光布擋住外界的自然光,用黑色棉布貼在塑料箱四壁,以消除箱壁對(duì)光的反射和吸收利用50W全光譜鹵光燈作為測(cè)定光源,用聚四氟乙烯(F4)漫反射參考板(反射率為20%)進(jìn)行儀器的優(yōu)化,并將光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為反射率。測(cè)定時(shí)將探頭垂直置于水面0.3m之上進(jìn)行光譜采集,不同蓋度苦草的樣方各測(cè)定20個(gè)光譜數(shù)據(jù)作平均。

室外光譜測(cè)定時(shí)，將探頭垂直置于水面0.5m之上,對(duì)每個(gè)樣方測(cè)定20個(gè)光譜數(shù)據(jù)作平均。每次進(jìn)行光譜測(cè)定前,同樣利用參考板進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 數(shù)據(jù)分析

表1測(cè)定樣方的苦草生長(zhǎng)狀況及其環(huán)境因子

由于光譜反射信號(hào)在400nm之前和900nm波段之后受干擾的影響較大，在本研究中只選擇400-900nm波段范圍的光譜數(shù)據(jù)。使用便攜式地物光譜儀攜帶的光譜處理軟件，將所測(cè)苦草群落的光譜反射率作進(jìn)一步的光譜波段截取與計(jì)算，得出四個(gè)遙感衛(wèi)星波段組的反射率值。進(jìn)行相關(guān)分析和線性回歸，并作圖。

結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示,不同蓋度苦草的光譜反射曲線表現(xiàn)出典型的植被光譜特征。在400~500nm(綠光波段)和600~700nm(紅光波段)處有較強(qiáng)的吸收,形成兩個(gè)吸收谷,在可見(jiàn)光波長(zhǎng)550nm處形成了反射綠峰”,當(dāng)波長(zhǎng)大于700nm時(shí),光譜的反射率增強(qiáng),形成了水生植物在近紅外波段的反射高原區(qū)(圖1)。在近紅外波段的700~900nm范圍內(nèi),反射率隨苦草蓋度的降低而下降,反射率的大小從低到高依次為:0%蓋度<10%蓋度<20%蓋度<40%蓋度<60%蓋度<80%蓋度。在525~575nm波段范圍內(nèi),隨著苦草蓋度的降低其光譜反射率也有所下降,但幅度較小。當(dāng)苦草蓋度為0%時(shí),反射光譜曲線雖然在750~950nm波段范圍內(nèi)也有較強(qiáng)的吸收,但在可見(jiàn)光范圍內(nèi)沒(méi)有典型的植被光譜“綠峰”特征。不同蓋度苦草的光譜反射率之間的差異主要表現(xiàn)在500~600nm和700~900nm這兩個(gè)波段范圍。

圖1 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)中不同蓋度苦草的光譜特征

圖2 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)不同蓋度苦草與其光譜反射率之間的相關(guān)性

圖3 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)中苦草蓋度與其反射率的回歸分析

3.2 室外控制實(shí)驗(yàn)

室外控制試驗(yàn)結(jié)果同樣表明,當(dāng)苦草蓋度變化時(shí),其光譜反射率也相應(yīng)地發(fā)生改變,反射率隨苦草蓋度的降低而下降(圖4)。隨著苦草蓋度的降低,探頭視場(chǎng)范圍內(nèi)水域面積所占比例逐漸增多,在400~900mm波段范圍內(nèi)的反射率均有所下降。在可見(jiàn)光到近紅外波段,反射率的大小從低到高依次為:0%蓋度<20%蓋度<30%蓋度<50%蓋度<70%蓋度<80%蓋度。

圖4 室外控制試驗(yàn)中不同蓋度苦草的光譜特征

圖5 室外控制試驗(yàn)中不同蓋度苦草與其光譜反射率之間的相關(guān)性

圖6 室外控制試驗(yàn)中苦草蓋度與其反射率之間的回歸分析

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審核編輯黃宇