地物光譜儀：沙柳沙障固沙地迎風(fēng)坡地物光譜特性研究

引言

生物結(jié)皮又稱微生物結(jié)皮，是苔類、葉苔、藍綠藻、地衣類、真菌和細(xì)菌以及許多景觀中常見的非維管植物成分形成的十分復(fù)雜的聚合體。生物結(jié)皮在干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，它能在干旱、瘠薄、高溫等惡劣的環(huán)境中生存繁殖，在熱帶和寒帶的干旱及半干旱地區(qū)分布廣泛，在某些地區(qū)其覆蓋度在70%以上，是干旱和半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演替中的重要環(huán)節(jié)。20世紀(jì)80年代以來，伴隨著沙漠化威脅的日益加重，生物結(jié)皮在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的作用愈發(fā)突出，生物結(jié)皮所具有的生態(tài)功能亦引起了學(xué)者的普遍重視，并逐漸成為荒漠地區(qū)生態(tài)研究的熱點。研究者分別從地表生物結(jié)皮的發(fā)育、生物結(jié)皮細(xì)菌的分離、生物結(jié)皮的人工促進技術(shù)以及生物結(jié)皮對土壤入滲、植物生長、土壤抗沖性、土壤微生物的影響等方面進行了研究與探討，而對沙丘表面生物結(jié)皮的光譜特性研究較少。本文以庫布齊沙漠中段七里明沙區(qū)沙柳沙障固沙地迎風(fēng)坡不同部位沙粒、黑色和綠色生物結(jié)皮為研究對象，采集了迎風(fēng)坡不同部位裸沙粒、黑色和綠色生物結(jié)皮地物光譜數(shù)據(jù)，對比分析了其光譜特性，找出其變異規(guī)律，不僅是建立地面光譜數(shù)據(jù)與遙感圖像空間光譜數(shù)據(jù)之間的橋梁，也是提高地物識別精度和信息定量反演精度的基礎(chǔ)，其理論成果將為利用生物結(jié)皮進行沙漠沙地治理提供積極的指導(dǎo)作用。

研究區(qū)概況

研究區(qū)位于庫布齊沙漠中段七里明沙區(qū)，區(qū)域范圍界于：N40°10'~40°20'，E109°48'~110°48'。研究區(qū)位于內(nèi)蒙古高原向黃土高原的過渡帶，屬于溫帶大陸性氣候。年平均溫度為6.1℃，極端最高溫度為40.2℃，最低為-34.5℃。多年平均降雨量為310mm，7~9月降水量占全年的70%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，蒸發(fā)量2500mm。大風(fēng)日數(shù)最多達48d/a，主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)。研究區(qū)總面積400km2，區(qū)內(nèi)地貌類型主要由流動沙丘、半固定沙丘、風(fēng)蝕殘丘等構(gòu)成，其中流動沙地面積1.13x104hm2，占本區(qū)總面積的28.3%。

研究方法及數(shù)據(jù)處理

3.1 光譜數(shù)據(jù)

采集點選擇以設(shè)有10年沙柳沙障的典型固定沙丘為研究區(qū)，選擇迎風(fēng)坡丘間地、沙丘底部、沙丘中部及沙丘上部作為光譜數(shù)據(jù)采集點，分別采集迎風(fēng)坡不同部位裸沙、黑色和綠色生物結(jié)皮的地物光譜數(shù)據(jù)。為使數(shù)據(jù)具有可比性，生物結(jié)皮光譜數(shù)據(jù)采集點處的生物結(jié)皮蓋度均為45~55%。

3.2 光譜數(shù)據(jù)采集及處理

3.2.1 光譜數(shù)據(jù)采集

本研究可采用萊森光學(xué)生產(chǎn)的iSpecField-WNIR便攜式地物光譜儀，有效光譜范圍在300~2500nm。野外地物光譜特性測量受太陽高度角和天氣狀況的影響較大。為了克服太陽高度角變化對測量結(jié)果的影響，選擇每天10：00~14：00為野外測量時間。在2012年8月4日~8月5日天氣晴朗無風(fēng)的時段進行了研究區(qū)地物光譜測量。每個全光譜數(shù)據(jù)測量時間設(shè)定為5s，地物光譜測量前首先對光譜儀進行暗電流采集和白板標(biāo)定，以后每更換一次地點，進行一次白板標(biāo)定。測量高度即探頭距離地物60cm，每類地物測量均在10min內(nèi)完成10次測量，取其平均值作為該類地物的反射率。

3.2.2光譜數(shù)據(jù)融合

首先利用地物光譜儀SpecAnalysis軟件對研究區(qū)變異較大的地物光譜曲線進行剔除，然后對數(shù)據(jù)重疊部分進行匹配，再對地物光譜數(shù)據(jù)進行融合。

3.2.3光譜數(shù)據(jù)平滑

由于光譜儀波段間對能量相應(yīng)上的差異，使光譜曲線總存在一些噪聲，為得到平衡與概略的變化，需平滑波形，以去除包含在信號內(nèi)的少量噪聲。實踐表明：如果噪聲頻率較高，其量值也不大，用平滑法可在一定程度上降低噪聲。常用的平滑方法有移動平均法、靜態(tài)平均法、傅立葉級數(shù)近似等，其大部分方法是基于低通濾波，使用低通濾波保留低頻部分的同時消除高頻部分，以達到平滑和去噪的作用。本文采用9點移動平滑法對采集的地物光譜數(shù)據(jù)進行平滑處理。數(shù)據(jù)平滑在遙感影像處理軟件ENVI/IDL支持下完成。利用IDL中的Smooth函數(shù)編寫9點平滑代碼，在ENVI中通過"Spectral"菜單下的"SpectralMath"，調(diào)用9點平滑函數(shù)對實測光譜數(shù)據(jù)進行平滑處理。平滑處理前后效果見圖1。

圖1光譜平滑處理效果對比圖

3.2.4剔除水汽吸收波段

由于大氣中水汽的強烈吸收，地面光譜和空中遙感數(shù)據(jù)在水汽吸收波段基本都是噪聲。為使野外地面測量結(jié)果與今后遙感數(shù)據(jù)相匹配，需剔除水汽吸收峰影響嚴(yán)重的波段區(qū)域，去除明顯錯誤波段數(shù)值。剔除水汽吸收前后光譜曲線比較見圖2。

（a）剔除水汽吸收波段前光譜曲線；（b）剔除水汽吸收波段后光譜曲線

圖2剔除水汽吸收波段前后光譜曲線對比圖

結(jié)果與分析

4.1 沙丘迎風(fēng)坡不同部位沙粒光譜特性

分析沙丘迎風(fēng)坡不同部位沙粒光譜反射特性對比見圖3。由圖3分析可知，在全波段范圍內(nèi)，沙柳沙障固定沙丘不同部位沙粒光譜曲線總體變化比較平緩。350nm處不同部位光譜反射率非常接近，350~600nm范圍內(nèi)，光譜反射率快速增加，由6.7%增加到41%，600nm以后迎風(fēng)坡3個部位光譜反射率變化規(guī)律基本相同，其反射率大小排序為：迎風(fēng)坡中部>迎風(fēng)坡上部>迎風(fēng)坡丘間地。設(shè)置沙障的沙丘與流動沙丘相比，粉粒和黏粒含量均有所增加，且其變化規(guī)律呈現(xiàn)出沙丘中部<沙丘上部<沙丘下部的趨勢。粉粒和黏粒含量較多的沙地，其土壤顆粒細(xì)，土中微生物含量高，且水分條件好，地表對光的吸收率高。600~1350nm是判定土壤顆粒粉粒和黏粒含量理想的波段范圍。

圖3沙丘迎風(fēng)坡不同部位沙粒光譜反射曲線圖

4.2 沙丘迎風(fēng)坡不同部位黑色結(jié)皮光譜特性分析

沙丘迎風(fēng)坡不同部位黑色結(jié)皮光譜反射特性對比見圖4。由圖4分析可知，沙柳沙障固定沙地迎風(fēng)坡中部和上部黑色結(jié)皮光譜反射率在350~2280nm波段范圍內(nèi)變化規(guī)律基本相同，且2條光譜反射率曲線非常接近，說明黑色結(jié)皮及地表狀況在這2個部位較為相似。迎風(fēng)坡丘間地黑色結(jié)皮光譜反射率與迎風(fēng)坡中部和上部相比，光譜反射率明顯偏低，主要是由于丘間低地水分狀況好，地表水分對光的吸收能力強。

圖4沙丘迎風(fēng)坡不同部位黑色結(jié)皮光譜反射曲線圖

4.3 沙丘迎風(fēng)坡不同部位綠色結(jié)皮光譜特性分析

圖5為沙丘迎風(fēng)坡不同部位綠色結(jié)皮光譜反射特性對比。據(jù)相關(guān)研究表明，健康維管植物的光譜曲線有著明顯的特點：在可見光的550nm附近，有一個反射率為10%~20%的小反射峰；波長在450~650nm附近，有兩個明顯的吸收谷；波長在700~800nm之間是一個陡坡，在高光譜研究中它被稱為植被“紅邊”；波長在800~1300nm之間是一個相對平坦的較高反射率區(qū)域；在1450nm、1950nm、2600~2700nm處一個吸收谷。由圖5分析可知，沙丘迎風(fēng)坡丘間地、中部及上部綠色結(jié)皮均表現(xiàn)出綠色植物所具有的光譜曲線變化特點。350~500nm范圍內(nèi)，光譜曲線變化平緩，綠色結(jié)皮在綠光波段560nm處有一反射峰。由于葉綠素的吸收作用，在680nm處有一吸收峰。680~740nm范圍內(nèi)，反射率急劇增高，在高光譜研究中它被稱為植被“紅邊”，是植被具有診斷性的光譜特征，“紅邊”的位置、高度和斜率會因植被的不同及同一植被不同生長狀況而存在差異。波長在740~1330nm之間是一個相對平坦的較高反射率區(qū)域，它主要由綠色結(jié)皮的細(xì)胞構(gòu)造所決定。通過以上分析可以看出，沙柳沙障固沙地迎風(fēng)坡不同部位綠色結(jié)皮的光譜反射特性與維管植物非常相似。當(dāng)生物結(jié)皮的植物體干燥時呈黑色或灰黑色，濕潤時呈綠色或黃綠色，根據(jù)實地勘察，由于2012年該研究區(qū)降水量豐沛，土壤含水量高，測定的綠色結(jié)皮更為鮮綠和健康，因此與普通維管植物較為相似。

圖5沙丘迎風(fēng)坡不同部位綠色結(jié)皮光譜反射曲線圖

4.4 沙丘迎風(fēng)坡黑色與綠色結(jié)皮光譜特性分析

圖6為沙丘迎風(fēng)坡黑色與綠色結(jié)皮光譜特性對比圖。由圖6分析可知，迎風(fēng)坡底部和中部黑色結(jié)皮光譜反射率曲線總體變化比綠色結(jié)皮平緩。綠色結(jié)皮在680~740nm范圍內(nèi)反射率急劇增加，有明顯的“紅邊”，而黑色結(jié)皮“紅邊”基本不存在，說明隨著土壤含水量的增加，生物結(jié)皮從外表顏色及細(xì)胞特性等方面逐漸接近于通綠色植物。

圖6沙丘迎風(fēng)坡黑色與綠色結(jié)皮光譜反射曲線圖

結(jié)論與討論

生物結(jié)皮作為固定、半固定沙漠中重要的地表覆蓋類型，在防風(fēng)固沙、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著極其重要的作用。論文以庫布齊沙漠中段七里明沙區(qū)沙柳沙障固沙地迎風(fēng)坡不同部位沙粒、黑色結(jié)皮及綠色結(jié)皮為研究對象，實地采集研究對象的地物光譜數(shù)據(jù)，并進行了對比分析。研究結(jié)果表明：隨著土壤中粉粒與黏粒含量的增加，地表土壤反射率呈下降趨勢；沙丘迎風(fēng)坡不同部位黑色生物結(jié)皮的光譜反射率曲線變化比較平緩，與綠色結(jié)皮相比，“紅邊”基本不存在，更接近于普通壤土；沙丘迎風(fēng)坡綠色結(jié)皮均表現(xiàn)出綠色植物所具有的光譜曲線變化特點。研究結(jié)果將對于評價生物結(jié)皮治理沙漠沙地效果具有重要意義。但從目前研究結(jié)果看，荒漠藻生物結(jié)皮的光譜特性研究還鮮見報道，因此在后期研究中應(yīng)加強以下幾方面研究：

（1）生物結(jié)皮顏色隨著地表水分的變化而變化，表現(xiàn)出的規(guī)律是：地表干燥時，結(jié)皮表現(xiàn)為黑色或灰黑色；地表濕潤時，結(jié)皮表現(xiàn)為綠色。其光譜特性上亦存在著較大的差異性，因此保持同一土壤水分條件下測定黑色與綠色結(jié)皮光譜特性，將會使研究結(jié)果更具有代表性。

（2）結(jié)合光譜測定技術(shù)，評價高立式、低立式、隱蔽式、平鋪式等類型沙障內(nèi)的生物結(jié)皮生長狀況及防沙治沙效果。

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審核編輯 黃宇