基于無人機高光譜遙感的淇澳島紅樹林冠層葉片功能性狀反演

引言

葉片功能性狀及其在冠層尺度所展現(xiàn)出的功能特性是陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物生理生態(tài)過程和生物地球化學循環(huán)過程的主要決定因素。開展葉片功能性狀的定量化研究，有助于理解植物對環(huán)境的適應性進化策略以及生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能間的內(nèi)在關聯(lián)。在高光譜遙感技術出現(xiàn)前，有關葉片功能性狀的研究多集中在葉片尺度，地面調(diào)查是其主要的數(shù)據(jù)獲取方式。目前系統(tǒng)性的野外調(diào)查已累積了豐富的植物葉片功能性狀數(shù)據(jù)，但野外調(diào)查數(shù)據(jù)獲取過程耗時耗力，且存在一定局限性，如數(shù)據(jù)的時空覆蓋度不均衡，涉及的物種多為群落優(yōu)勢物種，難以在群落和生態(tài)系統(tǒng)尺度應用，部分關鍵生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)嚴重不足等。高光譜遙感，特別是成像光譜儀技術的成熟，為冠層尺度葉片功能性狀的估算提供了新的方法。

研究方法

2.1 研究地概述

研究區(qū)（22°25′40.8″ N、113°37′48.2″ E）位于淇澳紅樹林自然保護區(qū)內(nèi)（圖1）。淇澳紅樹林自然保護區(qū)地處淇澳島西北部，與中山、深圳、香港隔海相望，屬于濕地型的自然保護區(qū)，濕地總面積約5103.77hm2，其中紅樹林面積約500hm2，主要 保護對象為紅樹林生態(tài)系統(tǒng)和鳥類。

圖1研究區(qū)地理位置

（a. 可見光影像覆蓋區(qū)域；b. 高光譜影像覆蓋區(qū)域）

以淇澳島紅樹林自然保護區(qū)內(nèi)的原生紅樹林群落為研究對象，選取400m×120m范圍作為核心研究區(qū)域（圖1-b），區(qū)域內(nèi)主要分布以秋茄、桐花樹、老鼠簕、鹵蕨和蒲葦組成的原生紅樹林群落，群落周圍另存一些人工種植的紅樹物種，如海濱貓尾木、黃槿）、銀葉樹和海杧果等集群分布。本研究通過無人機攜帶可見光相機和高光譜成像儀獲取林冠影像數(shù)據(jù)。

2.2 葉片功能性狀測量

使用高枝剪共采 集 47株個體的陽葉枝條，涵蓋27個紅樹物種及伴生物種，具體為桐花樹3株，白骨壤3株，黃槿3株，楊葉肖槿3株，無瓣海桑3株，木欖3株，秋茄3株，海杧果2株，銀葉樹2株，魚藤2株，蒲葦2株，海漆2株，老鼠簕2株，鹵蕨1株，尖葉蕨1株，苦郎樹1株，厚藤1株，草海桐1株，榿果木1株 ，玉蕊1 株，海濱貓尾木1株，欖李1株，苦檻藍1株，海葡萄1株，木果楝1株，紅海欖1株，水椰1株。每個葉片樣本包括20~30個，獲取后立即測量鮮葉重量，掃描葉面積，葉片打孔后放入液氮速凍。之后將葉片樣本置于烘箱于65℃烘至恒重，稱取干葉重量，用以計算比葉重LMA（干重/葉面積，g/m2）。干葉經(jīng)過化學分析得到葉片養(yǎng)分含量 Nmass、Pmass和Kmass（mg/g），通過比葉重計算基于面積的含量Nmass、Pmass和Kmas（g/m2），冷凍的葉片利用液氮搗碎，放入95%乙醇溶解，再利用紫外可見光分光光度計測量，根據(jù)的公式計算得到葉綠素Cab和類胡蘿卜素含量Cxc（μg/cm2）。

結果分析

3.1 淇澳島紅樹林葉片功能性狀實測結果

本研究共采集了47株個體的葉片進行葉片功能性狀測定，共涉及27個紅樹及其伴生物種。用于功能性狀測定的有效樣本數(shù)為 44~47個不等（表 1）。變異系數(shù)方面，Parea的變異系數(shù)最大，達到0.54；Cab的變異系數(shù)最小，為0.27。

表1 葉片功能性狀統(tǒng)計數(shù)據(jù)

3.2 淇澳島紅樹林冠層光譜特征及功能性狀的無人機遙感反演結果

淇澳島紅樹林的冠層反射光譜在550nm處存在 一個5%左右的反射峰，紅邊位置位于680~780nm 處，反射峰值約為30%。光譜的變異性主要存在于530~560和750~900nm，在750~900nm的變異性最大（圖2）。

圖2淇澳島紅樹林樹冠光譜特征 （a.不同物種的冠層反射光譜；b.不同物種冠層光譜的平均值及標準差）

對研究區(qū)紅樹林的葉片功能性狀進行高光譜遙感反演，結果表明，2種方法分別適用于不同葉片功能性狀的反演，結果為R2為 0.44，Narea次之，R2為0.42（圖3），Nmass、Kmass、Parea和Karea的反演結果不理想，R2皆小于0.3。

圖3植物葉片功能性狀的實測值與高光譜遙感反演預測值對比

4、結論與討論

本研究以珠海淇澳島紅樹林群落為對象，通過無人機高光譜數(shù)據(jù) 處理方法，反演研究區(qū)內(nèi)紅樹林的10種冠層葉片功能性狀。結果表明，PLSR+NDVI的方法更適用于 紅樹林冠層葉片 LMA、Pmass和Narea的反演，PLSR+CWT的方法更適用于N/P、Cab和Cxc的反演，但以上2 種方法用于反演Nmass、Kmass、Parea和Karea的結果均不理想（R2<0.3）。

此外，淇澳島紅樹林中包含鹵蕨和蒲葦?shù)炔荼局参?，本研究建立的高光譜反演模型是混合了草本和木本2類生活型植物的混合反演模型，其精度可能受此影響較大。從淇澳島紅樹林葉片功能性狀結果看，淇澳島紅樹林的光合固碳能力以及養(yǎng)分含量均優(yōu)于全球紅 樹林的平均水。本研究實測的淇澳島紅樹林葉片LMA均值（118.09 g/m2）小于數(shù)據(jù)庫中紅樹林葉片的LMA均值 （158.00 g/m2）， 而 Nmass均值（22.22mg/g）、Pmass均值 （2.08mg/g）、Narea均值（2.38 g/m2）和Kmass均值 （14.69mg/g）則大于數(shù)據(jù)庫中紅樹林葉片的Nmass均值 （15.00mg/g）、Pmass均值（1.30mg/g）、Narea均值 （2.0 g/m2）和Kmass均值（8mg/g）。這一方面與不同地區(qū)的群落物種組成差異有關，另一方面也可能是中國華南地區(qū)強烈的氮沉降以及人為干擾所導致的。

本研究表明，通過無人機高光 譜數(shù)據(jù)反演得到的紅樹林冠層葉片功能性狀，較好地反映紅樹林群落的水平結構和功能，結合地面調(diào)查數(shù)據(jù)，可深入挖掘物種組成與功能性狀空 間格局以及生態(tài)系統(tǒng)功能和過程的內(nèi)在關系，在群落和生態(tài)系統(tǒng)尺度上實現(xiàn)紅樹林的快速調(diào)查和評估?；跓o人機高光譜遙感的紅樹林冠層葉片功能 性狀反演，為空天地一體化監(jiān)測紅樹林動態(tài)提供了基礎。紅樹林生態(tài)系統(tǒng)是一類便于無人機作業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)，物種組成相對簡單，空曠的潮間帶為無人機提供了優(yōu)越的飛行條件。

推薦：

無人機高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VM100

一款基于小型多旋翼無人機高光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高光譜成像相機、穩(wěn)定云臺、機載控制與數(shù)據(jù)采集模塊、機載供電模塊等部分組成。無人機機載高光譜成像系統(tǒng)通過獨特的內(nèi)置式或外部掃描和穩(wěn)定控制，有效地解決了在微型無人機搭載推掃式高光譜照相機時，由于振動引起的圖像質(zhì)量較差的問題，并具備較高的光譜分辨率和良好的成像性能。

審核編輯 黃宇