地物光譜儀：長江口鹽沼植被的光譜特征研究

引言

長江口鹽沼群落的區(qū)域或景觀生態(tài)研究需要擁有大尺度上而且準確的數(shù)據(jù)源 。高空間分辨率和高光譜分辨率的遙感數(shù)據(jù)不僅可以在空間分辨率上滿足研究需要，而且在光譜信息上可以對群落的生物物理化學性狀作出響應 。長江口的鹽沼植被群落之間的光譜特征差異 ，尤其是植物特征相似的本土蘆葦群落與外來的互花米草群落 、海三棱蕉草或者蕉草群落與糙葉苔草群落之間的光譜差異能作出準確識別，則可以推動長江口鹽沼植被群落在較大尺度上的生態(tài)研究，能夠準確監(jiān)測外來物種互花米草與本土植被之間的時空動態(tài)分布變化。

研究概況

研究選擇長江口崇明東灘候鳥自然保護區(qū)為研究區(qū)域，研究對象為長江口的主要五種群落 : 蘆葦 、互花米草 、 海三棱蔗草 、蔗草和 糙葉苔草 。運用便攜式地物光譜儀測定了436個群落樣方，除采集群落冠層光譜數(shù)據(jù)外，還測定了樣方的生態(tài)與環(huán)境因子 : 樣方物種組成 、群落蓋度 、高度 、葉面積指數(shù) 、枯枝落葉蓋度 、GPS定位 、樣方高程 、樣方土壤的含水量 、pH值 、電導率等 。選取部分時相的數(shù)據(jù)建立了長江口鹽沼植被群落以蓋度為梯度的光譜庫，同時配套其生態(tài)與環(huán)境因子屬性特征 。在分析了光譜庫中群落之間光譜特征的基本差異后，選擇了夏季的數(shù)據(jù)進行了植被群落光譜特征 的間接排序，選擇了春夏秋三個季節(jié)的數(shù)據(jù)結(jié)合群落物候期特征進行了多時相的光譜特征差異分析。

鹽沼植被的多季相光譜特征分析

3.1 同一季度不同群落間的反射光譜曲線特征比較

圖1包括了初夏秋三個季相的鹽沼植被物候特征 。圖2顯示了同一季節(jié)不同鹽沼群落反射光譜特征比較的結(jié)果 。春季的蘆葦和互花米草相比較，蘆葦開始生長較早， 蓋度相對較大 ( 圖1- a ) 。圖2一 a 是 4 月下旬 (春季 ) 蘆葦群落 、互花米草群落 、海三棱蕉草群落和糙葉苔草群落反射光譜曲線 圖 。在近紅外波段蘆葦群落的反射率最高，其次為互花米草群落，二者之間相差約10 % 左右 。海三棱蔗草群落和糙葉苔草群落的反射率在可見光波段相差不大，而到近紅外波段時則幾乎相同 。這四類群落一階導數(shù)曲線 ( 圖2一 b ) 表明，蘆葦群落在波長550nm左右的“ 綠峰 ”明顯，而其他群落一階導數(shù) 曲線在此波長上均沒有凸起特征 。蘆葦群落和互花米草群落的“ 紅邊 ”特征明顯，蘆葦群落光譜曲線在波長 7720nm左右的斜率峰值高達0.637，互花米草群落的為0.41，而糙葉苔草群落和海三棱蕉草群落的斜率峰值分別為0.116和0.106 。

圖2一 c顯示了這四類群落6 月 (夏季 ) 的反射光譜曲線 圖,在近紅外波段,互花米草群落的反射率最高,一般都在 4 0 % 以上, 蘆 葦群落的反射率約在35% 左右,但是二者的群落景觀特征差異很小,幾乎難以區(qū)別 ( 圖 1一 b ) 。而糙葉苔草群落與海三棱蕉草群落的反射率基本相同 ,大約在1 6 %左右 。與圖 1一 a和圖1一 b 相 比 ,生長旺季時都出現(xiàn)了在波長550nm左右的“ 綠峰 ”, 而且各群落之間的斜率峰值幾乎重疊出現(xiàn) ( 圖1一 d ) 。同時,這四類群落的“ 綠峰 ” 都很明顯 , 但群落類型之 間的差異也很明顯,互花米草群落和蘆葦群落的斜率峰值明顯高于海三棱蕉草群落和糙葉苔草群落,尤其在波長740nm左右處,互花米草群落和蘆葦群落的斜率峰值分別達到0 . 9 17 和 0 . 6 5 0 ,而糙葉苔草群落和海三棱蕉草群落的斜率峰值分別是0.288和0.196 。

圖 1 崇明東灘鹽沼群落季相。a-一春季的蘆(處，)和花米(近處，稀)b一夏季的蘆和互花米草(難以辨別); C一秋的(綠色)和花(金黃色)d一秋季的蘆(遠處，綠色)、葉(中部，綠色)海三(近處，金黃色)

圖2 同一季節(jié)不同鹽沼群落光譜曲線及其一階導數(shù)曲線特征對比

圖2一 e 顯示了這四類群落10月 (秋季 ) 的反射光譜 曲線圖 ,其明顯特征是蘆葦群落 、互花米草群落 、糙 葉苔草群落和海三棱蔗草群落在近紅外波段的反射率曲線從大到小依次排列,互不重疊,而且在群落的物候特征上 也有明顯的區(qū)別,蘆葦仍然表現(xiàn)為綠色的景觀特征,與其鑲嵌分布的互花米草已經(jīng)表現(xiàn)為金黃色的成熟期特征 ( 圖 1一 c) 海三棱蔗草已經(jīng)枯萎,顯示為枯黃色,而與其鑲嵌分布的糙葉苔草群落仍然 是綠色景觀特征 ( 圖1一 d ) 。圖2一 f 顯示,由于海三棱蕉草此時在野外已枯萎, 因此在波長550nm左右的“ 綠峰 ”己不明顯 。在波長 7 2 0 n m 左右處,蘆葦群落和互花米草群落的 “ 紅邊 ” 特征在一階導數(shù)曲線圖上基本相同,其斜率峰值分別為 0 . 5 3 9 和 0. 4 9 8 (7 3 0 n m ) 糙葉苔草群落和海三棱蔗草群落 的斜率峰值分別為 0.376和0.155。

3.2 同一群落不同季節(jié)的反射光譜特征比較

圖3和圖4分別顯示了崇明東灘鹽沼群落在春、夏、秋三個季相的反射光譜曲線及其一階導數(shù)曲線。通過比較和分析可以發(fā)現(xiàn)，蘆葦群落的斜率峰值出現(xiàn)在波長720~730nm 之間，秋季的“紅邊”斜率峰值最低，春夏兩季基本相似沒有很大的變化。在 850~1000 nm 的波段內(nèi)，春夏兩季的反射率變化很小，而在秋季其反射率約下降2%~5%(圖3-a 和圖4-a)?；セ撞萑郝涞姆瓷涔庾V曲線在季相上變化幅度很大，在近紅外波段的高峰區(qū)，春季的反射率范圍為 20.9%~24.0%，夏季的反射率范圍為40.0%~44.8%，二者相差約 20%左右，秋季的反射率范圍為 23.3%~28.4%，略高與春季(圖5-3b)。不同季節(jié)的“紅邊”斜率峰值位置沒有發(fā)生變化，其斜率峰值分別為 0.3890.917 和0.498，各季節(jié)斜率峰值的差異很大，夏季分別高出春季和秋季 0.5 和0.4以上(圖4-b)。

圖3 崇明東灘群落不同季相反射光譜特征的比較

圖 4崇明東灘群落不同季相反射光譜-階導數(shù)曲線的比較

海三棱蘑草群落在綠光波段 550 nm 處和紅光波段650 nm 處的春季反射率比夏秋兩季的要高約5%左右，而春、夏兩季在近紅外740~780nm 波段的反射率比秋季約高出2%左右(圖3-c)相對于其他鹽沼群落反射光譜的一階導數(shù)曲線，各季節(jié)的“紅邊”斜率峰值都位于 700~710 nm 波段，并且峰值都不超過0.1(圖3-c)。

糙葉苔草群落春季在可見光波段的反射率沒有出現(xiàn)“綠峰”，夏、秋兩季在波長560nm處出現(xiàn)“綠峰”，反射率分別為4.64%和6.47%，在近紅外波段的高峰區(qū)，春、夏、秋三季的反射率范圍分別為14.2%~17.2%、16.5%~18.7%和22.7%~25.3%，秋季的近紅外波段反射率要比春、夏兩季高約7%左右(圖3-d)?！凹t邊”斜率峰值隨季節(jié)更替，峰值逐漸升高，秋季時斜率峰值在波長720 nm處達到最高，為0.38(圖4-d)。

3.3 鹽沼群落冠層反射光譜特征分析

植物的形態(tài)、生長發(fā)育階段、體內(nèi)水分含量、葉綠素含量和物候現(xiàn)象與它們的反射光譜特征密切相關。崇明東灘鹽沼群落由于其種類組成不同，因而其冠層反射光譜特征表現(xiàn)出一定的差異性。春季時，蘆葦群落開始生長的時間比其他鹽沼群落早，因而在對葉綠素含量敏感的可見光波段 450 nm和670 nm 處，形成吸收低谷。利用具有該波段的傳感器如小型機載成像光譜儀中的441~461 nm 和666~674 nm 兩個波段，即可識別出蘆葦群落。

在5月至9 月的夏季生長旺季，由于五花米草的凈光合效率高于蘆葦,互花米草群落的地上生物量隨著季節(jié)呈直線上升,因而其反射光譜的“紅邊”特征比蘆葦群落更加明顯。以前的研究表明，崇明東灘鹽沼群落的高度和蓋度對近紅外波段的光譜反射率影響最大，高度與蓋度越大，其生物量越高，近紅外波段的光譜反射率也就越高。在生長季節(jié)，互花米草群落和蘆葦群落的高度與蓋度一般都比海三棱燕草群落和糙葉苔草群落要高，因此蘆葦群落和互花米草群落的“紅邊”斜率峰值與近紅外波段反射率都明顯高于海三棱草群落和糙葉苔草群落(圖2-c和圖2-d)。

互花米草群落的生物量在9月份達到最大，10月份則進入生后期，其光合作用效率大大降低，而且部分葉片或者植株開始枯黃，因此其群落冠層反射光譜的“紅邊”斜率峰值下降，坡降趨緩，然而在近紅外波段的反射率仍比糙葉苔草群落和海三棱草群落高。蘆葦群落在 10月份仍處于生長期其冠層仍呈深綠色，因而此時蘆葦群落的“紅邊”斜率峰值和近紅外波段的反射率高于互花米草群落。糙葉苔草群落在10月份仍處于生長期，然而由于在高度和蓋度上低于蘆葦群落和互花米草群落，因此糙葉苔草群落的“紅邊”斜率峰值仍然低于蘆葦群落和互花米草群落。此時海三棱草群落生長期已基本結(jié)束，其群落冠層反射光譜的“紅邊”斜率峰值和近紅外波段的反射率明顯低于其他群落(圖2-e 和圖2-f)。

3.4 鹽沼群落多季相光譜特征分析

在同一季節(jié)中，不同植物群落之間的反射光譜特征存在差異，而且同一類型的植物群落，不同季節(jié)的反射光譜特征也不相同。本項研究顯示，蘆葦群落在春季和夏季的反射光譜特征變化不大，而在秋季時由于蘆葦花序的出現(xiàn)，其冠層光譜反射率在近紅外波段 730~850 nm 范圍內(nèi)有所下降。瓦花米草群落反射光譜曲線在季節(jié)上的變化較大，隨著群落蓋度和高度以及生物量從春季到夏季的上升，近紅外波段的反射率也相應升高。9 月份以后，隨著互花米草生物量開始下降和花序的出現(xiàn)，其群落的光譜反射率在近紅外波段大幅度下降。此時，糙葉苔草群落的光譜反射率在近紅外波段相對于春夏兩季大幅增加。海三棱蔗草群落由于春季時蓋度較低，其可見光波段的光譜反射率相對較高，到夏秋季節(jié)，其可見光波段的反射率下降，而在近紅外波段的反射率則由夏季到秋季逐漸下降。本項研究結(jié)果表明，崇明東灘這四類主要鹽沼群落的冠層反射光譜在季相上具有各自的變化特征，同時，同一季節(jié)不同群落之間也存在一定的差異。

3.5 鹽沼群落光譜特征識別與分類的適宜季相

我們以前對崇明東灘鹽沼群落夏季的反射光譜排序結(jié)果顯示，近紅外波段可以識別高蓋度的蘆葦群落和互花米草群落，而可見光波段可以識別低蓋度的海三棱蔗草群落和糙葉苔草群落，雖然TM 影像的可見光波段和近紅外波段較寬，由于這四類主要鹽沼群落的蓋度和高度有較大差異，可以利用表示其亮度的像元值，應用監(jiān)督分類法基本可以識別解譯蘆葦群落、互花米草群落、海三棱蕉草群落和糙葉苔草群落，其初步分類影像精度在 65%左右。說明單季相的感影像解譯仍存在一定的“同譜異物”或“同物”。

現(xiàn)遙感技術已成為大尺度植被分類的重要手段，而地面植物群落特征及其反射光譜特征之間的關系是解譯遙感影像的關鍵。本項鹽沼群落多季相光譜反射特征研究可以提高利用遙感影像進行鹽沼群落解譯和分類的精度，解決“同譜異物”或“同物異譜”的現(xiàn)象。春季蘆葦群落的“綠峰”特征可以作為其識別標識之一,還可以利用其“紅邊”斜率峰值和近紅外波段的高反射率作為識別根據(jù)。夏季可以把蘆葦群落和互花米草群落與海三棱蔗草群落和糙葉苔草群落識別為兩類不同高度和蓋度的植被。秋季的糙葉苔草群落和海三棱蔗草群落在“紅邊”斜率和近紅外波段反射率上有明顯的區(qū)別，而且蘆葦群落與五花米草群落的反射光譜特征也有明顯的區(qū)別，因此秋季 10 月份是進行長江口地區(qū)鹽沼植被遙感解譯與分類的適宜季相。

4、結(jié)論

本項研究應用便攜式光譜分析儀測定了崇明東灘鹽沼群落春、夏、秋三季的地面近距反射光譜，分析了同季相各群落和同類群落不同季相的反射光譜特征及其一階導數(shù)，得出以下主要結(jié)論:

(1)各類鹽沼群落在不同季節(jié)具有獨特的反射光譜特征。在春夏秋各季節(jié)中，鹽沼群落之間的光譜特征差異不同。

(2)鹽沼群落各季相的反射光譜特征各不相同。同一群落類型在不同季節(jié)的光譜反射變化特征各異。

(3)長江口地區(qū)主要四類鹽沼植被的遙感分類的最佳策略是采用多季相的組合形式，即利用群落與對應生長季的遙感影像結(jié)合進行解譯和分類

長江口地區(qū)各類主要鹽沼群落的多季相反射光譜具有其獨特的特征，這些特征的相互組合為遙感影像判讀和用于植被制圖的影像分類提供了一定的基礎，可以提高對鹽沼群落解譯和分類的精度。

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審核編輯 黃宇