西鄂爾多斯主要荒漠灌木高光譜特征識(shí)別研究1.0-萊森光學(xué)

引言

本研究以保護(hù)區(qū)內(nèi)5種主要荒漠灌木（沙冬青、霸王、四合木、半日花、蒙古扁桃）為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)測(cè)冠層光譜數(shù)據(jù)結(jié)合室內(nèi)葉綠素含量測(cè)定：研究保護(hù)區(qū)內(nèi)5種主要荒漠植物光譜曲線共性及其差異性；基于高光譜數(shù)據(jù)結(jié)合差異敏感波段對(duì)荒漠植物進(jìn)行識(shí)別；分析荒漠植物與葉片葉綠素相關(guān)性，根據(jù)相關(guān)性大小結(jié)合敏感波段對(duì)葉綠素進(jìn)行模型預(yù)測(cè)；分析保護(hù)區(qū)內(nèi)常綠闊葉灌木沙冬青光譜特征隨季節(jié)變化體現(xiàn)規(guī)律性變化特征；對(duì)沙冬青不同齡級(jí)光譜共性及差異性進(jìn)行分析，得出規(guī)律特征，期望為荒漠植物的生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)及高光譜遙感解譯提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

高光譜技術(shù)的存在對(duì)高光譜遙感監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，相比較于傳統(tǒng)的調(diào)查方法，其具有在不破壞植物生長(zhǎng)的前提下，快速提取植物光譜信息反應(yīng)植物生長(zhǎng)狀態(tài)的優(yōu)勢(shì)。尤其是在野外調(diào)查存在高山、沙漠等難以達(dá)到的地方，高光譜技術(shù)的使用能進(jìn)一步無(wú)損、快速獲取植物信息，監(jiān)測(cè)其生長(zhǎng)狀況。眾所周知，不同荒漠植物由于體內(nèi)結(jié)構(gòu)組成、養(yǎng)分狀況及地域差異，其光譜反射率也表現(xiàn)為不同狀態(tài)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就植物光譜反射率反映其生長(zhǎng)狀況已經(jīng)開(kāi)展了大量研究，并取得較大成果。

材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

2.1.1 地理概況

研究區(qū)位于鄂托克旗的西鄂爾多斯國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，地理位置處于東經(jīng) 106°40'-107°44'，北緯 40°13'-26°10'，南北長(zhǎng)約 150km，東西寬約123km，總面積為11920.5km2。憑借獨(dú)特地理位置優(yōu)勢(shì)，成為我國(guó)溫帶草原向荒漠過(guò)渡的關(guān)鍵性地帶。地勢(shì)比較高，黃河水由南向北徑流而過(guò)，東南面由鄂爾多斯市高原與桌子山環(huán)繞，一年降雨量較少，氣候較干燥，日照豐富，氣溫較高，年平均氣溫9.3℃左右。

圖 1研究區(qū)示意圖

2.1.2 氣象概況

研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，日照數(shù)相對(duì)強(qiáng)，達(dá)到 3000 小時(shí)左右。具有明 顯的四季交替，無(wú)霜期不長(zhǎng)，降水量不大且不均勻，蒸發(fā)量較大。年均氣溫達(dá)到6.4℃， 年降水量一般為 250mm 左右，年蒸發(fā)量3000mm 左右，降水大部分分布于7-9 月，一年無(wú)霜期大致為122天。

2.1.3 地形

研究區(qū)的海拔高度達(dá)到 949-2064m，地形地貌較復(fù)雜，主要由沙灘丘陵、沖積平 原、石山丘陵和片狀高平原等組成。該區(qū)域山體主要由南北走勢(shì)為主。外界條件比較干燥，風(fēng)沙較大，對(duì)周?chē)h(huán)境具有較強(qiáng)的風(fēng)蝕性。在其周?chē)幸蛔雷由剑雷由脚c周?chē)那鹆?、山嶺形成環(huán)繞，正是這些復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境為其提供了更為豐富的小生境。

2.1.4 植物種類(lèi)

經(jīng)調(diào)查得出自然保護(hù)區(qū)內(nèi)共有野生植物 335 種，65 科 188 屬。通過(guò)資料及文獻(xiàn) 研究得知屬于國(guó)家級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物有：四合木、半日花、綿刺、沙冬青、革包菊、蒙古扁桃、胡楊。

2.1.5 土壤類(lèi)型

因?yàn)檠芯繀^(qū)內(nèi)地貌類(lèi)型多樣且復(fù)雜，其土壤類(lèi)型也相對(duì)復(fù)雜，除了主要的棕鈣土存在外、還大量存在著潮土、石質(zhì)土、粗骨土、風(fēng)沙土等類(lèi)型。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)使用地物光譜儀，對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)測(cè)定的五種植物生物生態(tài)學(xué)特點(diǎn)介紹如下：

（1）蒙古扁桃：是薔薇科桃屬灌木樹(shù)種，是荒漠植物中的稀有種類(lèi)。一般5月份開(kāi)花，8 月份結(jié)果，可進(jìn)行扦插繁殖。

（2）沙冬青：我國(guó)北方荒漠唯一常綠闊葉灌木，已經(jīng)被我國(guó)列入二級(jí)瀕危保護(hù)植物。主要憑借種子進(jìn)行傳播，花期一般4~5月份，5~6月結(jié)果，花色為黃色，種子腎形，果莢分為開(kāi)裂平展、扭曲，以及不開(kāi)裂型，耐旱，對(duì)阿拉善地區(qū)環(huán)境起到不可或缺的作用。

（3）霸王：是蒺藜科霸王屬灌木樹(shù)種，集中分布于干旱貧瘠等條件地區(qū)，在干旱區(qū)表現(xiàn)為主要造林樹(shù)種。一般4、5 月份開(kāi)花，綠色，7、8月份結(jié)果。

（4）半日花：是古老珍稀瀕危的殘遺種，相對(duì)于其他物種來(lái)說(shuō)面積分布區(qū)域較小，其地上部分呈現(xiàn)紅色，可應(yīng)用于染色，種子具棱角。半日花對(duì)中國(guó)荒漠植物的起源具有重要研究?jī)r(jià)值。

（5）四合木：是荒漠化地區(qū)的強(qiáng)旱生灌木，其可作為珍稀 瀕危植物中最有資歷的古老孑遺種，屬于植物界的國(guó)寶“活化石”。目前在內(nèi)蒙古烏海市集中分布，有1萬(wàn)hm2左右。主要在5~6 月份開(kāi)花，7、8 月結(jié)果。本研究實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位于西鄂爾多斯國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，為取樣精準(zhǔn)合理，選取保護(hù)區(qū)內(nèi)5中主要荒漠灌木各50處采樣點(diǎn)，使其均勻分布于研究區(qū)內(nèi)。為了進(jìn)一步降低誤差，每種植物每組每次采集分別采集10條光譜曲線，共采集30組用于試驗(yàn)分析。經(jīng)處理后隨機(jī)選取10組用于數(shù)據(jù)分析，剩余用來(lái)進(jìn)一步識(shí)別精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)正確性，采集的植被樣本統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表 1采集樣本統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)測(cè)定時(shí)，需要選擇測(cè)定時(shí)間集中于10：30~14：30 時(shí)且天氣晴朗無(wú)風(fēng)、云等條件干擾的情況下進(jìn)行，避免太陽(yáng)高度角對(duì)目標(biāo)物反射率產(chǎn)生影響。為了減少誤，我們需要設(shè)定好視場(chǎng)角為25°，并且在觀測(cè)過(guò)程中每隔15min左右需要將白板校準(zhǔn)。在測(cè)定時(shí)，需要將參照白板調(diào)到水平狀態(tài)，測(cè)定過(guò)程中光譜儀鏡頭距離被 測(cè)物以及白板的距離高度達(dá)到20cm，根據(jù)需要配備配套光纖探頭，每次測(cè)量時(shí)被測(cè) 樣本必須達(dá)到十條數(shù)值，將其平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值。在野外測(cè)定時(shí)，受外界條件的影響有時(shí)光譜數(shù)值會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，我們需要經(jīng)過(guò)分析將波動(dòng)性較大的數(shù)值剔除，避免 影響整體數(shù)值。在野外進(jìn)行光譜測(cè)量時(shí)，對(duì)目標(biāo)物所測(cè)定的值為光譜的反射值，需要進(jìn)一步將測(cè)定值與參照物反射率的比值界定為目標(biāo)物的相對(duì)反射率，如公式(3-1)所示

公式中，Ri表示在波長(zhǎng)范圍i處的光譜反射率；Ii是在波段i處的光譜反射量；Ii0是白板（參照板）在波段i處的光譜反射量；ρi表示為波段i處的光譜校正系數(shù)。

2.2.1主要荒漠植物葉片葉綠素含量測(cè)定

植物葉片的采集與光譜測(cè)定同時(shí)進(jìn)行。以光譜測(cè)定植株為依據(jù)，選擇光譜測(cè)定范圍內(nèi)各個(gè)方向大小均勻葉片采集，結(jié)束后將葉片放置于黑暗、低溫條件迅速帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行下一步工作。進(jìn)行葉綠素測(cè)定時(shí)，先將葉片用蒸餾水洗凈、擦干，減去葉片主脈部分，剩余部分剪碎混勻，用天平快速稱(chēng)取0.2g（可根據(jù)實(shí)驗(yàn)含量進(jìn)行用量增減） 樣品置于25ml試管中，加10ml左右80%無(wú)水乙醇溶液，放置在常溫狀態(tài)且避光環(huán)境24h（或 80℃恒溫水浴鍋）直到葉片綠色全部褪去，再向其加入80%無(wú)水乙醇定容到25ml，最終溶液為植物葉綠素提取液。將溶液倒入比色皿中，使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定其在663nm,645nm和440nm 波長(zhǎng)處的吸光度(A)。計(jì)算公式：

由此可得：Chl(Car ) (mg/g)=濃度(mg/L)*提取液體積(ml)/樣品鮮重(g) *1000。

公式中：Chl-a表示葉綠素a含量，Chl-b 表示葉綠素b含量，Chl-ab 表示葉綠 素總含量，Car.表示類(lèi)胡蘿卜素含量；A440代表440nm處的吸光度，A645代表645nm處的吸光度，A663 代表663nm處的吸光度；再通過(guò)計(jì)算將色素含量表示為每克葉片 的毫克數(shù)（單位：mg/g）。

結(jié)果和分析

3.1 荒漠灌木高光譜特征分析

3.1.1 荒漠灌木葉片色素含量比較

為研究保護(hù)區(qū)內(nèi)不同荒漠植物光譜對(duì)葉綠素含量變化的響應(yīng)規(guī)律，對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)5種主要荒漠植物葉片進(jìn)行采集并對(duì)其色素含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖2所示，5種荒漠 植物在采樣期間內(nèi)色素含量差異較大，均為葉綠素總量〉葉綠素 a〉葉綠素 b〉類(lèi)胡蘿卜素。其中蒙古扁桃葉綠素總量最大，達(dá)到22%左右，四合木與霸王相對(duì)較低，為 10%左右。

圖 2不同荒漠灌木葉片色素含量變化

3.1.2 荒漠灌木光譜特征共性分析

由于自身形態(tài)特征、內(nèi)部細(xì)胞構(gòu)造及葉片結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致植物顯現(xiàn)出區(qū)別于水體、土壤及其他物體光譜反射率的不同。據(jù)分析得知，植物光譜特征所具備的特殊性不僅與自身生長(zhǎng)狀況相關(guān)，還很大程度受環(huán)境的影響。正是憑借這些特殊性，所有的地物都應(yīng)存在各自的特殊光譜曲線；相同，憑借每種植物光譜曲線的特殊性，在 植物特征識(shí)別過(guò)程中可以通過(guò)這些差異性對(duì)其進(jìn)行有效識(shí)別，判斷植物生長(zhǎng)狀況。圖3是西鄂爾多斯國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)中主要荒漠灌木與普通綠色植物光譜曲線比較，將荒漠植物光譜曲線經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，發(fā)現(xiàn)其光譜曲線在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)與普通綠色植物大致接近，但在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍里表現(xiàn)較強(qiáng)的差異性。荒漠植物的光譜反射率表現(xiàn) 出較一般植物高的特征。

圖 3荒漠灌木與一般植物光譜比較圖

（1）植物在 400~780nm 的可見(jiàn)光波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，其光譜曲線的走勢(shì)大部分受植物體內(nèi)色素含量的多少?zèng)Q定，這其中葉綠素含量起主導(dǎo)性。在此波段范圍內(nèi)植物大部分光被葉綠素吸收導(dǎo)致其反射率較低，當(dāng)波長(zhǎng)達(dá)到450nm處的藍(lán)光區(qū)域以及650nm的紅光范圍內(nèi)，此波段的光主要都被葉綠素吸收，因此在光譜曲線圖上就會(huì)呈現(xiàn)出兩個(gè)向下凹陷的強(qiáng)吸收谷，當(dāng)植物處于這兩個(gè)波長(zhǎng)范圍的中心點(diǎn)550nm處時(shí)，葉綠素就會(huì)對(duì)植物表現(xiàn)出強(qiáng)反射作用，使其呈現(xiàn)出1個(gè)凸起的反射峰，這也就是我們平常看到的植物為什么呈現(xiàn)綠色的原因。當(dāng)植物趨近670~760nm波長(zhǎng)范圍的近紅外波段，其 光譜特征主要由植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征顯現(xiàn)，此波段曲線表現(xiàn)為急劇上升趨勢(shì)，反射率遠(yuǎn)大于可見(jiàn)光波段，相對(duì)吸收的較少，這就是我們通常所說(shuō)的“紅邊”區(qū)域現(xiàn)象。此波段被廣泛用于高光譜特征研究。（2）當(dāng)植被光譜曲線達(dá)到780~2500nm范圍的近紅外波區(qū)域，光譜曲線總體呈現(xiàn)出較高的反射率，只有少量的被吸收。在 800~1300nm的波長(zhǎng)區(qū)域范圍，由于植物體內(nèi)水分的吸收作用，導(dǎo)致該波段的光譜曲線總體表現(xiàn)出類(lèi)似水“波浪”的形態(tài)特征。當(dāng)曲線達(dá)到大于1300nm 的波段區(qū)域，植物的光譜曲線反射率受到葉片含水量的吸收作用，導(dǎo)致其光譜曲線迅速下降，尤其是在 1400nm和1900nm附近的水分強(qiáng)吸收區(qū)域，受到其影響最終形成兩個(gè)強(qiáng)吸收谷狀態(tài)。

3.1.3 荒漠灌木原始光譜特征分析

眾所周知，植物光譜曲線大部分是以其特定的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和分化組織決定，正是這種特殊性對(duì)植物生長(zhǎng)生存狀態(tài)、周?chē)h(huán)境產(chǎn)生不可或缺的作用。在可見(jiàn)光波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，各種各樣的色素對(duì)光譜曲線起決定性作用，其中葉綠素起主要作用。處于近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)，植物光譜的特殊性主要是受葉片吸收水分的影響，此區(qū)域?yàn)樗治辗秶?，水分含量的不均勻性使其表現(xiàn)出現(xiàn)“峰谷”交叉出現(xiàn)特征。5 種荒漠植物原始光譜曲線如下圖 4 所示。

圖 4主要荒漠灌木光譜曲線圖

由圖4可得，5種荒漠灌木反射率在350~2400nm范圍內(nèi)變化趨勢(shì)總體一致。按波長(zhǎng)的增減趨勢(shì)來(lái)看，5種荒漠植物的光譜曲線總體呈現(xiàn)“五谷兩峰”狀態(tài)，光譜差異較明顯的區(qū)域主要存在于可見(jiàn)光波長(zhǎng)450~650nm內(nèi)的葉綠素強(qiáng)吸收區(qū)域及水分強(qiáng)吸收區(qū)域（980nm，1180nm，1455nm 附近）。在 450nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生第一個(gè)吸收谷，此波段為可見(jiàn)光區(qū)域，因?yàn)榛哪参锶~片葉綠素吸收一部分藍(lán)光導(dǎo)致的。在 550nm 波長(zhǎng)范圍左右光譜曲線呈現(xiàn)第一個(gè)峰值，這是主要是植物葉片對(duì)綠光吸收較少，形成了強(qiáng)反射導(dǎo)致的，因此，這也是人眼看到的植物是綠色的原因。當(dāng)光譜曲線出現(xiàn)在680nm范圍左右由于植物色素對(duì)紅光 吸收較多引起第 2個(gè)吸收谷，當(dāng)植物曲線處于近紅外波段時(shí)，5 種植物均出現(xiàn)較明顯 的上升趨勢(shì)，光譜曲線出現(xiàn)“陡坡”狀態(tài)達(dá)到“紅邊”區(qū)域。光譜曲線在900nm附近由于植物葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異性出現(xiàn)第2個(gè)峰值，曲線差異較明顯。在980nm、 1180nm、1455nm波長(zhǎng)范圍由于對(duì)水分吸收狀況的出現(xiàn)了三個(gè)較強(qiáng)吸收谷。由圖5可得五種荒漠植物光譜反射率差異較大的波段有四個(gè)：1)550~654nm，反射率為霸王值最大，接著為四合木、沙冬青、蒙古扁桃以及半日花；

2)750nm-1070nm，光譜反射率大小順序?yàn)榘肴栈ㄖ底畲?，其次為霸王、蒙古扁桃、沙冬青，四合木最小?/p>

3)1180nm-1270nm 區(qū)段，此波段順序?yàn)榘肴栈ㄒ琅f最大，接著為蒙古扁桃、沙冬青、 霸王，四合木最?。?/p>

4)1650nm-1790nm 附近，光譜反射順序沙冬青最大，蒙古扁桃、 半日花、霸王次之，最后為四合木?？梢?jiàn)，不同荒漠植物光譜差異波段主要集中在可見(jiàn)光及近紅外波段，這將為今后利用光譜進(jìn)行不同荒漠植物識(shí)別奠定基礎(chǔ)。

3.1.4 荒漠灌木導(dǎo)數(shù)光譜特征分析

3.1.4.1 主要荒漠灌木一、二階光譜特征分析

如圖 5、6 所示，原始光譜曲線經(jīng)變換得到微分光譜曲線，它能反映出一段時(shí)間 范圍內(nèi)植物光譜曲線增減變化速度，作為判斷植物差異的重要依據(jù)。

圖 5荒漠灌木一階微分光譜圖

圖 6荒漠灌木二階微分光譜圖

處于可見(jiàn)光區(qū)域 內(nèi)，5 種植物的光譜反射率隨波長(zhǎng)的增加在不斷出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在 520nm 波長(zhǎng)曲線范 圍內(nèi)表現(xiàn)出對(duì)葉綠素弱反射強(qiáng)吸收能力，對(duì)比圖可得出，霸王以及半日花出現(xiàn)出綠光的強(qiáng)反射能力。四合木和沙冬青對(duì)綠光反射能力較弱。植物光譜反射率在 720nm 附近增速的快慢表示“紅邊效應(yīng)”的強(qiáng)弱，圖中霸王、半日花和蒙古扁桃在“紅邊”范圍內(nèi) 光譜反射率增速較快，而四合木和沙冬青增速較慢。5 種植被一階微分光譜曲線出現(xiàn)正負(fù)值交替出現(xiàn)，查閱資料得知值為負(fù)時(shí)表示此 區(qū)域反射率呈現(xiàn)減速，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)分析得知植物在 1100nm 和 1350nm 波長(zhǎng)范圍植物 的光譜值降低最大。但變化幅度較小，1100nm 附近半日花和四合木光譜反射率減速達(dá)到最大，1350nm 附近半日花和霸王光譜反射率減速達(dá)到最大。

3.1.4.2 主要荒漠植物光譜特征參數(shù)分析

三邊參數(shù)是一階導(dǎo)數(shù)變換之后反映植物某些波段特征的指標(biāo)參數(shù)，同時(shí)也是植物不同于其它地物以及區(qū)分彼此之間差異的指標(biāo)參數(shù)，通對(duì)保護(hù)區(qū)五種荒漠植物三邊參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以期更準(zhǔn)確的區(qū)別它們導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)間的差異及變化特征，結(jié)果如表 2 所示。

表 2 保護(hù)區(qū)主要荒漠灌木三邊參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)過(guò)對(duì)表 2 分析，5種主要荒漠灌木紅邊幅值總體差異較大，半日花(0.902)〉蒙古扁桃(0.556)〉霸王(0.468)〉四合木(0.396)〉沙冬青（0.281），其中半日花較其他值最明顯，其余 4 種差異較小。對(duì)于藍(lán)邊幅值Db來(lái)說(shuō)，霸王(0.259)〉半日花(0.159)〉蒙古扁桃(0.112)〉四合木 (0.092)〉沙冬青（0.073），其中霸王的數(shù)值偏大，最大值（霸王）與最小值（沙冬 青）相差約 0.186；5 種植物黃邊幅值總體呈現(xiàn)為：霸王(0.098)〉四合木(0.046)〉沙冬青(0.042)〉蒙 古扁桃(0.038)〉半日花（0.019），五種荒漠植物中，霸王黃邊幅值最大且為正值， 相比較前面兩種參數(shù)，黃邊幅值 Dy 的差異還是很大的，霸王與其他 4 種相比差異較大。對(duì)于三邊面積來(lái)說(shuō)，五種荒漠植物的紅邊面積 SDr 為半日花(38.662)〉霸王 (29.902)〉蒙古扁桃（26.187）〉四合木（17.872）〉沙冬青（12.377），從結(jié)果看區(qū)分較明顯；藍(lán)邊面積 SDb 中，霸王數(shù)值為 7.121，半日花值為 4.430，剩余三種植被均小于 4，霸王和半日花較易與其他三種植物區(qū)分開(kāi)；五種荒漠植物的黃邊面積 SDy 中，其中最大的是半日花為 1.810，最小為四合木 0.480，五種荒漠植物數(shù)值差異不大。在分析植物光譜曲線時(shí)，三邊位置（紅黃藍(lán)）中紅邊為參與討論最多，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出 5 種植物紅邊位置呈現(xiàn)為：沙冬青(720nm)＝霸王（720nm）〉半日花(719nm)〉 四合木(719nm)〉蒙古扁桃(718nm)，五種荒漠植物沙冬青和霸王紅邊位置相近，半日 花和四合木紅邊位置相近。在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果過(guò)程中得知，植物在生長(zhǎng)過(guò)程中由于自身?xiàng)l件、環(huán)境因素、季節(jié)狀況以及病蟲(chóng)害的影響，植物的葉片顏色會(huì)展現(xiàn)不同狀態(tài)，導(dǎo)致 WPr 變現(xiàn)為“藍(lán)移”狀態(tài)；在生長(zhǎng)旺盛期，植物體內(nèi)含量養(yǎng)分充足，葉綠素增大， WPr 會(huì)向近紅外波段移動(dòng)。在 WPr 移動(dòng)的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn) 5 種植物都存在藍(lán)移趨勢(shì)， 猜測(cè)主要是受土壤等環(huán)境因子所導(dǎo)致的，藍(lán)邊位置 WPb 中，5 種植被曲線大致集中 在 550nm 范圍，差異較小，而在黃邊位置中，與藍(lán)邊位置相似，五種荒漠植被霸王 (678nm)、沙冬青(676 nm)、半日花(674nm)、蒙古扁桃（673nm）及四合木（673nm），基本無(wú)差別，區(qū)分不太明顯。

3.1.4.3 主要荒漠植物植被指數(shù)變化特征

表 3保護(hù)區(qū)主要荒漠灌木植被指數(shù)

由表 3 可以看出 5 種荒漠灌木DVI值明顯高于其它指數(shù)，且在 10~40之間；NDVI值在0.1~0.8之間；SAVI值0.1~0.6 之間；RVI 值 1~3；RDVI 值 2.3~7.6。NDVI 值最 大值為半日花，其次為蒙古扁桃、霸王、四合木、沙冬青；DVI 值最大為半日花，接 著依次為霸王、蒙古扁桃、四合木、沙冬青；RVI 值半日花最大，蒙古扁桃、霸王、 四合木、沙冬青次之；DVI 值中半日花最大，最易區(qū)分，蒙古扁桃、霸王、四合木、 沙冬青依次排列；SAVI 值從大到小順序?yàn)榘肴栈ā得晒疟馓摇蛋酝酢邓暮夏旧扯啵ū?3）。在荒漠植被中 5 種荒漠植物指數(shù)值都最大的是半日花，其次是蒙古扁桃、霸王、 四合木，沙冬青值最小。

3.1.5 荒漠灌木倒數(shù)對(duì)數(shù)光譜特征分析

將 5 種荒漠植物原始光譜曲線經(jīng)過(guò)計(jì)算變換得到植物的倒數(shù)對(duì)數(shù)光譜曲線，如圖 7 所示，經(jīng)分析可得出植物導(dǎo)數(shù)曲線較原始光譜比較，各波段差異性更加明顯。在可見(jiàn)光 400~780nm 波長(zhǎng)范圍，由原始光譜“兩谷一峰”倒置為現(xiàn)在的“兩峰一谷”狀態(tài)。在 此波段區(qū)域中，半日花的倒數(shù)值最大，四合木值最小，根據(jù)光譜值差異性可以區(qū)分兩者。當(dāng)?shù)箶?shù)光譜處于“紅邊”狀態(tài)時(shí)，光譜曲線與原始光譜相比也呈現(xiàn)相反狀態(tài)，之前上升與下降趨勢(shì)倒置，此波段變換后光譜較難辨別5種植物。在近紅外波段1450~1750nm 范圍內(nèi)，依舊出現(xiàn)曲線倒置現(xiàn)象，此波段主要受植物葉片對(duì)水分吸收的 影響致使反射率降低，在此波段范圍內(nèi)四合木和半日花差異較大不易區(qū)分，而蒙古扁桃、沙冬青、霸王光譜曲線差異較小不易分別。

圖 7荒漠灌木倒數(shù)對(duì)數(shù)光譜圖

為了找出5種荒漠植物之間的差異性，更好的辨別其特征，將 5 種植物光譜曲線差異較大范圍值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算結(jié)果如圖 8。分析曲線值可得5種植物在“峰谷最值”差異性較大。當(dāng)曲線在藍(lán)峰 max值中，沙冬青與霸王值與其他差別較大，半日花、 四合木較接近不易分辨，蒙扁的值最小。而紅峰 max 值中，半日花值相對(duì)高，剩余4種植物依次為沙冬青、蒙扁、霸王四合木。對(duì)于綠谷 min值來(lái)說(shuō)蒙古扁桃、半日花和四合木值較容易辨別，霸王值表現(xiàn)為最大，蒙扁最小，其余差異較小。

圖 8主要荒漠灌木“兩峰一谷”最值圖

3.1.6 荒漠灌木去包絡(luò)線光譜特征分析

如圖9所示，植物光譜曲線的包絡(luò)線去除通過(guò)遙感處理軟件完成，通過(guò)軟件處理將5種植被曲線統(tǒng)一到同一個(gè)背景下進(jìn)行歸一化處理突出植物的典型特征，為提取荒漠植物光譜敏感波段提供基礎(chǔ)依據(jù)。通過(guò)圖7與圖9比較可得包絡(luò)線去除后，450nm-650nm附近的葉綠素吸收谷和 980nm,1180nm,1455nm 附近水分吸收谷位置并未表現(xiàn)出明顯的變化；對(duì)比未處理前光譜曲線，其水分吸收谷趨勢(shì)更加明顯；處于 550~730nm 波長(zhǎng)范圍中，植物對(duì)水分的 吸收達(dá)到最大；920~1080nm 范圍內(nèi)，植物對(duì)水分的吸收減弱。分吸收強(qiáng)度大小序?yàn)椋?/p>

1280nm~1650nm>1070nm~1275nm>920nm~1080nm。當(dāng)曲線處于980nm左右 時(shí)，5種植被對(duì)水分吸收的多少表現(xiàn)為：沙冬青最大，霸王、蒙古扁桃、半日花和四合木次之。當(dāng)光譜曲線在1180nm波長(zhǎng)范圍中，5種植物吸收谷狀態(tài)變現(xiàn)為：沙冬青 最明顯，其次為蒙古扁桃、霸王、半日花以及四合木。光譜曲線處于1455nm左右時(shí)5種植被水分吸收谷的狀態(tài)表現(xiàn)為：沙冬青較四合木、霸王、蒙古扁桃、半日花明顯， 進(jìn)而分析得出荒漠植物光譜曲線與含水率增大呈現(xiàn)一致趨勢(shì)，表現(xiàn)出明顯的響應(yīng)規(guī)律性。

圖 9 主要荒漠灌木去包絡(luò)線光譜圖

3.1.7 討論

通過(guò)保護(hù)區(qū)內(nèi) 5 種主要荒漠植物光譜曲線及微分變換曲線分析得知：（1）保護(hù)區(qū)中5種主要荒漠植物與一般綠色植物光譜曲線相比，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的荒漠植物曲線在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)仍具有一般植被的光譜曲線趨勢(shì)，但在可見(jiàn)光波長(zhǎng) 范圍里表現(xiàn)較強(qiáng)的差異性?；哪参锏墓庾V反射率表現(xiàn)出較一般植物高的特征。

（2）將光譜曲線分析發(fā)現(xiàn)5種植物光譜曲線差異較明顯區(qū)域位于可見(jiàn)光及近紅 外波長(zhǎng)范圍，具體表現(xiàn)為：550~654nm，反射率為霸王值最大，接著為四合木、沙冬青、蒙古扁桃以及半日花；750nm~1070nm，光譜反射率大小順序?yàn)榘肴栈ā蛋酝酢?蒙古扁桃〉沙冬青〉四合木；1180nm~1270nm 區(qū)段，順序?yàn)榘肴栈ā得晒疟馓摇瞪?冬青〉霸王〉四合木；1650nm~1790nm 區(qū)段，光譜反射順序?yàn)樯扯唷得晒疟馓摇?半日花〉霸王〉四合木。

（3）5 種主要荒漠植物經(jīng)過(guò)一二階光譜曲線求導(dǎo)變換，經(jīng)分析可看出可見(jiàn)光波段，霸王和半日花對(duì)葉綠素吸收較弱，呈現(xiàn)較強(qiáng)的反射能力，沙冬青和四合木則表現(xiàn) 出較弱的反射性。光譜曲線在“紅邊”波段內(nèi)霸王、半日花和蒙古扁桃反射率呈現(xiàn)出 較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)，沙冬青、四合木較弱。在 1100 和 1350nm 的近紅外波段范圍，植 物光譜反射曲線出現(xiàn)下降趨勢(shì)，幅度較??；1100nm 范圍附近半日花和四合木下降趨 勢(shì)較大，1350nm 左右半日花和霸王出現(xiàn)較大下降趨勢(shì)。（4）通過(guò)三邊參數(shù)特征分析得出：5 種荒漠植物三邊位置（藍(lán)、黃、紅）曲線 大致相同，紅谷與綠峰的值基本一致差異不大，而植物三邊斜率以及面積值則表現(xiàn)出 較大的差別；在植被指數(shù)計(jì)算中發(fā)現(xiàn) 5 種植物 DVI 值較其他指數(shù)差異較大，易于區(qū) 分。但總體差異穩(wěn)定在 10~40 的區(qū)間范圍內(nèi)；NDVI 值在 0.1~0.8 之間；SAVI 值 0.1~0.6 之間；RVI 值 1~3；RDVI 值 2.3~7.6。在荒漠植被中 5 種荒漠植物指數(shù)值都最大的是 半日花，其次是蒙古扁桃、霸王、四合木，沙冬青值最小，可用于區(qū)分不同植被。

（5）通過(guò)對(duì)植物的倒數(shù)對(duì)數(shù)光譜曲線分析得出：植物導(dǎo)數(shù)曲線比原始光譜各波 段差異性更加明顯。在可見(jiàn)光 400~780nm 波長(zhǎng)范圍，由原始光譜“兩谷一峰”倒置為 現(xiàn)在的“兩峰一谷”狀態(tài)。在此波段區(qū)域中，半日花與四合木的值根據(jù)光譜值差異性較 易區(qū)分。當(dāng)?shù)箶?shù)光譜處于“紅邊”狀態(tài)時(shí)，光譜曲線與原始光譜相比也呈現(xiàn)相反狀態(tài)， 但此波段變換后光譜較難辨別5種植物。在近紅外波段 1450~1750nm 范圍內(nèi)，依舊 出現(xiàn)曲線倒置現(xiàn)象，四合木和半日花差異較大不易區(qū)分，而蒙古扁桃、沙冬青、霸王 光譜曲線差異較小不易分別。（6）為了找出5種荒漠植物之間的差異性，更好的辨別其特征，將5種植物光 譜曲線差異較大范圍值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析曲線值可得 5種植物在“峰谷最值”差異性較大。當(dāng)曲線在藍(lán)峰 max 值中，沙冬青與霸王值與其他差別較大，半日花、四合木較 接近不易分辨，蒙扁的值最小。而紅峰 max 值中，半日花值相對(duì)高，剩余 4 種植物依次為沙冬青、蒙扁、霸王四合木。對(duì)于綠谷 min 值來(lái)說(shuō)蒙古扁桃、半日花和四合木值較容易辨別，霸王值表現(xiàn)為最大，蒙扁最小，其余差異較小不易區(qū)分。

（7）將荒漠植物進(jìn)行包絡(luò)線去除后，450nm-650nm附近的葉綠素吸收谷和980nm,1180nm,1455nm 附近水分吸收谷位置差異性較小，總體呈現(xiàn)相近趨勢(shì)；但對(duì)比 未處理前光譜曲線，其水分吸收谷趨勢(shì)更加明顯；550~730nm 波長(zhǎng)范圍中，植物對(duì)水 分的吸收達(dá)到最大；9920~1080nm 范圍內(nèi)，植物對(duì)水分的吸收減弱。水分吸收強(qiáng)度大 小順序?yàn)椋?280nm~1650nm>1070nm~1275nm>920nm~1080nm。光譜曲線處于 1455nm 左右時(shí) 5 種植被水分吸收谷的狀態(tài)表現(xiàn)為：沙冬青值最大，四合木、霸王、蒙古扁桃、 半日花次之，進(jìn)一步分析得出荒漠植物光譜曲線與植物含水率增大呈現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，具有明顯響應(yīng)規(guī)律性。

結(jié)論

（1）荒漠植物作為荒漠生境中不可或缺的部分，了解其光譜特征不僅對(duì)荒漠區(qū) 植物多樣性保護(hù)及區(qū)域內(nèi)荒漠植物生長(zhǎng)及恢復(fù)具有重要的作用，還能對(duì)而且荒漠植物 的高光譜遙感識(shí)別提供基礎(chǔ)支撐。

（2）目前，高光譜遙感具備在不破壞植物的前提下能夠精準(zhǔn)提取波段信息技術(shù)，被高 度應(yīng)用于植物技術(shù)識(shí)別研究。近年來(lái)高光譜遙感技術(shù)被應(yīng)用于林業(yè)研究中，與其他技 術(shù)相比較而言，高光譜數(shù)據(jù)具有分辨率高、較準(zhǔn)確的特點(diǎn)。它對(duì)于各個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域有著 不可或缺的幫助。因此，將實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)與遙感高光譜勢(shì)在必得。

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審核編輯黃宇