靳瑰麗，何龍，安沙舟，范燕敏，武鵬飛

(1.新疆農業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院新疆草地資源與生態(tài)重點實驗室，新疆烏魯木齊830052;2.烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆烏魯木齊830011)

我國僅分布于新疆的伊犁絹蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地屬于中亞氣候型荒漠，是新疆主要的春秋放牧場［1］。但近年來，該類草地因氣候變化和超載過牧而嚴重退化。針對該類草地，已有從退化程度［2］、種子和幼苗［3］、植物生理［1］、牧草營養(yǎng)［4］、植物多樣性［5］、群落演替特征［6］、種群生態(tài)位［7］、載畜力［8］等角度的研究。從遙感應用角度來看，已有很多以遙感目視解譯結合地面調查對退化草地的研究［9-10］。然而，在利用植被指數對退化草地進行等級劃分時，時間段較窄，僅限于7―8月，而利用高光譜數據進行模式識別分析，不僅在不同季節(jié)鑒別精度可超過90%［10］，而且高光譜數據還可反映植物的蓋度、生物量，并提供荒漠化監(jiān)測中所需的特征植物指標［11］以及改善對特征植物的識別與分類精度［12］，在退化草地的監(jiān)測、評價及特征植物的識別與分類中有其他遙感信息源不可比擬的優(yōu)勢。而對草地單物種進行高光譜特征的分析可為利用高光譜遙感數據進行大面積草地物種識別與動態(tài)監(jiān)測提供借鑒。本研究從光譜角度分別對該類退化草地8種特征植物(包括減少種、增加種、侵入種)長勢較好時期的原始光譜、包絡線去除后光譜及一階微分光譜曲線特征進行對比分析，以期為實現(xiàn)該類退化草地高光譜遙感所需特征植物地面高光譜特征的提取與分析提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于天山北坡中段昌吉市三工鎮(zhèn)以南2 km處的山前傾斜沖積－洪積扇，地處87.136 02°―87.142 16°E，43.858 31°― 43.870 11°N，海拔825 ～897 m。具有中亞荒漠氣候的特征，年降水量為180～190 mm，年均溫為6.5℃。土壤是灰漠土，成土母質為黃土狀物質，土層較厚。該研究區(qū)是伊犁絹蒿荒漠草地的典型分布區(qū)，由于放牧過度而退化［13］。

1.2 測定方法

基于Dykterhuis關于物種劃分的草原生態(tài)學評價方法［14］，從光譜角度分別對該類退化草地中減少種、增加種、侵入種的原始、包絡線去除及一階微分變換后光譜特征進行對比分析。2011年4、5月下旬，通過使用美國SVC HR-768便攜式光譜儀(光譜范圍350－2 500 nm)對伊犁絹蒿荒漠草地退化過程中的減少種伊犁絹蒿，侵入種萹蓄(Polygonum aviculare)和駱駝蓬(Peganum harmala)，增加種叉毛蓬(Petrosimonia sibirica)、角果藜(Ceratocarpus arenarius)、畫眉草(Eragrostis pilosa)、地膚(Kochia scoparia)、彎果胡盧巴(Trigonella arcuata)共8種特征植物冠層的地面高光譜反射率進行測定。選擇在晴朗無云的天氣采集光譜，同時為減少不同太陽高度角對反射率的影響，測定時間為北京時間12:00―14:00。在測定光譜反射率時，探頭與地面始終保持垂直，高度1 m，在每個退化梯度選取各個典型特征植物群落分布最集中部分進行6個重復的測定，以確保所測光譜為單一植物，每個重復有10條光譜反射率曲線。

1.3 數據分析

利用白色參照板獲取絕對反射率，計算出8種特征植物相對反射特征值，并將每個重復測定的10條光譜反射率曲線作異常曲線去除后，取平均作為特征植物的光譜反射率曲線;光譜反射率數據分別以原始、包絡線去除以及一階微分變換后光譜曲線3種方法進行處理;利用包絡線去除法對(350－1 800 nm)原始高光譜數據去噪處理，再將原始高光譜反射率數據進行一階微分的數學變換以后加以綜合對比分析;包絡線去除的全過程在ENVI 4.5中進行，分析數據使用Excel 2003，再利用Sigma Plot 10.0軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 退化伊犁絹蒿荒漠草地減少種

伊犁絹蒿是蒿類荒漠草地植物組成中的典型代表種，它作為減少種其群落基本性狀在該類草地退化過程中有偏離頂級的跡象，退化嚴重時甚至會被新的類型替代;以它為代表的半灌木類群在季節(jié)畜牧業(yè)中有極為重要的作用。

伊犁絹蒿的光譜特征曲線有明顯的“紅邊”效應，紅邊位置在678－760 nm(圖1A)。在可見光波段(350－760 nm)，伊犁絹蒿的反射率較弱。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，502－580 nm波段為伊犁絹蒿的一個明顯葉綠素吸收峰。在近紅外波段(760－926 nm)，呈現(xiàn)出連續(xù)的強反射率(58% ～61%);在700－1 300 nm植被強烈反射帶波段的930－1 300 nm波段，伊犁絹蒿的光譜特征曲線都有兩個明顯的波峰和波谷，而且呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，兩峰中第1個波峰在1 083 nm處反射率為65.71%，比1 273 nm處的第2峰高3.3百分點。在1 300－1 400 nm波段附近為伊犁絹蒿的水吸收帶，在1 448 nm處反射率為30.52%。

經過包絡線去除處理后伊犁絹蒿的紅邊位置顯示為681－751 nm波段，包絡線去除后的光譜反射曲線峰谷特點較為明顯(圖1B)。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，伊犁絹蒿葉綠素吸收峰顯示在536 nm且峰值為0.666 8。

經過一階微分變換后在400－760 nm波段間曲線的差異明顯變大，900－1 000 nm波段附近波動劇烈，723 nm達到光譜一階微分最大值即伊犁絹蒿的紅邊所在位置為718 nm，紅邊幅值為0.925 4(圖1C)。伊犁絹蒿原始光譜經過一階微分變換后的葉綠素吸收峰峰值出現(xiàn)在524 nm，峰值為0.191 6。

2.2 退化伊犁絹蒿荒漠草地侵入種

一年生草本植物萹蓄與多年生草本植物駱駝蓬是伊犁絹蒿荒漠草地的侵入種。隨著該類草地長期處于退化狀態(tài)，萹蓄、駱駝蓬逐漸成為該類草地常見的植物。

圖1 伊犁絹蒿高光譜特征Fig.1 Spectral features of Seriphidium transiliens

2.2.1 萹蓄高光譜特征分析 萹蓄的光譜特征曲線有明顯的“紅邊”效應，紅邊位置在680－760 nm之間(圖2A)。在可見光波段(350－770 nm)，萹蓄的反射率較弱。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，506－580 nm波段有萹蓄的一個明顯葉綠素吸收峰。在近紅外波段(760－960 nm)，呈現(xiàn)出強反射;在700－1 300 nm植被強烈反射帶波段的960－1 300 nm波段，萹蓄的光譜特征曲線都有兩個明顯的波峰和波谷，而且呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，第1個波峰在1 078.68 nm處達到45.97%的反射率最大值。在1 300－1 400 nm波段附近為萹蓄的水吸收帶，在1 445 nm處反射率為17.53%。

經過包絡線去除后的光譜反射曲線具有峰谷的特點明顯，經過包絡線去除處理后萹蓄的紅邊位置顯示為更為清晰的680－760 nm波段(圖2B)。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，萹蓄葉綠素吸收峰顯示的更為清楚在543 nm。

經過一階微分變換后在400－760 nm波段間曲線的差異明顯變大，900－1 000 nm波段附近波動劇烈，708 nm達到光譜一階微分最大值即萹蓄的紅邊所在位置為708 nm，紅邊幅值為0.685 4(圖2C)。萹蓄原始光譜經過一階微分變換后的葉綠素吸收峰峰值出現(xiàn)在521 nm，峰值為0.142 0。

圖2 萹蓄高光譜特征Fig.2 Spectral features of Polygonum aviculare

2.2.2 駱駝蓬高光譜特征分析 駱駝蓬的光譜特征曲線有明顯的“紅邊”效應，紅邊位置在680－760 nm(圖3A)。在可見光波段(350－760 nm)，駱駝蓬的反射率較弱。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，512－588 nm波段為駱駝蓬的1個明顯葉綠素吸收峰。在近紅外波段(760－926 nm)呈現(xiàn)出連續(xù)的強反射率;在700－1 300 nm植被強烈反射帶波段的930－1 300 nm波段，駱駝蓬的光譜特征曲線都有兩個明顯的波峰和波谷，而且呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，兩峰中第1個波峰在1 073 nm處反射率為35.56%，比1 261 nm處的第2峰高10個百分點。在1 300－1 400 nm波段附近為駱駝蓬的水吸收帶，在1 448 nm處反射率為3.72%。

經過包絡線去除后的光譜反射曲線峰谷特點較為明顯，經過包絡線去除處理后駱駝蓬的紅邊位置顯示為681－758 nm波段(圖3B)。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，駱駝蓬葉綠素吸收峰顯示的更為清楚，在549 nm處峰值為0.303 7。

經過一階微分變換后在400－760 nm波段間曲線的差異明顯變大，900－1 000 nm波段附近波動劇烈，724 nm達到光譜一階微分最大值即駱駝蓬的紅邊所在位置為718 nm，紅邊幅值為 0.799 8(圖3C)。駱駝蓬原始光譜經過一階微分變換后的葉綠素吸收峰峰值出現(xiàn)在524 nm，峰值為0.111 9。

圖3 駱駝蓬高光譜特征Fig.3 Spectral features Peganum harmala

2.3 退化伊犁絹蒿荒漠草地增加種

一年生長期營養(yǎng)期草本類群中禾草亞類的畫眉草，雜草亞類的地膚、叉毛蓬、角果藜，短生、類短生中生植物彎果胡盧巴是退化伊犁絹蒿荒漠草地的增加種。這兩類植物類群對于荒漠草地而言都有重要的飼用價值，對指示草地的退化也有重要作用。

2.3.1 叉毛蓬高光譜特征分析 叉毛蓬的光譜特征曲線有明顯的“紅邊”效應，紅邊位置在690－750 nm(圖4A)。在可見光波段(350－760 nm)，叉毛蓬的反射率較弱。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，叉毛蓬未見明顯葉綠素吸收峰。在近紅外波段(760－1 276 nm)，保持了較高的反射強度;在700－1 300 nm植被強烈反射帶波段的960－1 300 nm波段，叉毛蓬的光譜特征曲線出現(xiàn)了一個明顯的波谷，而且除一個波谷外呈現(xiàn)持續(xù)升高最后下降的趨勢。在1 300－1 400 nm波段附近為叉毛蓬的水吸收帶，在1 430 nm處反射率為18.89%。

經過包絡線去除后的光譜反射曲線峰谷特點明顯，經過包絡線去除處理后叉毛蓬的紅邊位置顯示為更為清晰的681－751 nm波段(圖4B)。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，叉毛蓬葉綠素吸收峰顯示的更為清楚，在546 nm處峰值為0.884 9。

經過一階微分變換后在400－760 nm波段間曲線的差異明顯變大，900－1 000 nm波段附近波動劇烈，718 nm達到光譜一階微分最大值即萹蓄的紅邊所在位置為718 nm，紅邊幅值為0.188 5(圖4C)。叉毛蓬原始光譜經過一階微分變換后的葉綠素吸收峰峰值出現(xiàn)在518 nm，峰值為0.057 7。

2.3.2 角果藜高光譜特征分析 角果藜的光譜特征曲線有明顯的“紅邊”效應，紅邊位置在680－761 nm(圖5A)。在可見光波段(350－761 nm)，角果藜的反射率較弱。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，537－580 nm、580－615 nm波段有角果藜4個明顯的葉綠素吸收峰。在近紅外波段(761－1 300 nm)，呈現(xiàn)出強反射;在700－1 300 nm植被強烈反射帶波段的960－1 300 nm波段，角果藜的光譜特征曲線有一個不太明顯的波谷，而且呈現(xiàn)出先下降后升高的趨勢，在1 300 nm處達到29.19%的反射率值。在1 300－1 400 nm波段附近為角果藜的水吸收帶，在1 445 nm處反射率為24.43%。角果藜的反射率最大值出現(xiàn)在1 651 nm，為29.80%。

圖4 叉毛蓬高光譜特征Fig.4 Spectral features of Petrosimonia sibirica

經過包絡線去除后的光譜反射曲線峰谷特點較不明顯，經過包絡線去除處理后角果藜的紅邊位置顯示為684－751 nm波段(圖5B)。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，角果藜葉綠素吸收峰顯示在558 nm。

經過一階微分變換后在400－760 nm波段間曲線的差異明顯變大，900－1 000 nm波段附近波動劇烈，718 nm達到光譜一階微分最大值即角果藜的紅邊所在位置為718 nm，紅邊幅值為0.132 7(圖5C)。角果藜原始光譜經過一階微分變換后的葉綠素吸收峰谷變化差異變大，4個峰分別出現(xiàn)在515、549、586 和 626 nm，峰值分別為 0.077 9、0.129 1、0.125 6和0.122 0。

2.3.3 地膚高光譜特征分析 地膚的光譜特征曲線有明顯的“紅邊”效應，紅邊位置在687－751 nm(圖6A)。在可見光波段(350－760 nm)，地膚的反射率較弱。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，地膚未見明顯葉綠素吸收峰。在近紅外波段(751－1 350 nm)，保持了較高的反射強度;在700－1 300 nm 植被強烈反射帶波段的1 114－1 255 nm波段，地膚的光譜特征曲線出現(xiàn)了一個明顯的波谷，而且除一個波谷外呈現(xiàn)持續(xù)升高最后下降的趨勢。在1 350－1 400 nm波段附近為地膚的水吸收帶，在1 430 nm處反射率為29.11%。

經過包絡線去除后的光譜反射曲線峰谷特點明顯，經過包絡線去除處理后地膚的紅邊位置在687－751 nm波段顯示的更為清晰(圖6B)。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，地膚葉綠素吸收峰顯示的更為清楚，在564 nm處峰值為0.999 5。

經過一階微分變換后在400－760 nm波段間曲線的差異明顯變大，900－1 000 nm波段附近波動劇烈，718 nm達到光譜一階微分最大值即地膚的紅邊所在位置為718 nm，紅邊幅值為0.183 9(圖6C)。地膚原始光譜經過一階微分變換后的葉綠素吸收峰峰值出現(xiàn)在515 nm處，峰值為0.096 7。

2.3.4 彎果胡盧巴高光譜特征分析 彎果胡盧巴的光譜特征曲線有明顯的“紅邊”效應，紅邊位置在680－760 nm(圖7A)。在可見光波段(350－770 nm)，彎果胡盧巴的反射率較弱。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，500－580 nm波段有彎果胡盧巴的1個明顯葉綠素吸收峰。在近紅外波段(760－930 nm)，呈現(xiàn)出強反射;在700－1 300 nm植被強烈反射帶波段的930－1 300 nm波段，彎果胡盧巴的光譜特征曲線都有兩個明顯的波峰和波谷，而且呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，第1個波峰在1 073 nm處達到 31.5%的反射率最大值。在1 300－1 400 nm波段附近為彎果胡盧巴的水吸收帶，在1 448 nm處反射率為11.24%。

圖5 角果藜高光譜特征Fig.5 Spectral features of Ceratocarpus arenariuse

圖6 地膚高光譜特征Fig.6 Spectral features of Kochia prostrate

經過包絡線去除后的光譜反射曲線峰谷特點明顯，經過包絡線去除處理后彎果胡盧巴的紅邊位置顯示為更為清晰的678－748 nm波段(圖7B)。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，彎果胡盧巴葉綠素吸收峰顯示的更為清楚，在540 nm處峰值為0.584 0。

經過一階微分變換后在400－760 nm波段間曲線的差異明顯變大，900－1 000 nm波段附近波動劇烈，718 nm達到光譜一階微分最大值即彎果胡盧巴的紅邊所在位置為718 nm，紅邊幅值為0.538 7(圖7C)。彎果胡盧巴原始光譜經過一階微分變換后的葉綠素吸收峰峰值出現(xiàn)在524 nm，峰值為0.109 2。

圖7 彎果胡盧巴高光譜特征Fig.7 Spectral features of Trigonella arcuata

2.3.5 畫眉草高光譜特征分析 畫眉草的光譜特征曲線有明顯的“紅邊”效應，紅邊位置在681－761 nm(圖8A)。在可見光波段(350－761 nm)，畫眉草的反射率較弱。在葉綠素強吸收的450－681 nm波段內，畫眉草有一個明顯葉綠素吸收峰位于558 nm處達到12.85%的反射率。在近紅外波段(761－1 350 nm)，保持了較高的反射強度;在700－1 350 nm植被強烈反射帶波段的936－1 350 nm波段，畫眉草的光譜特征曲線出現(xiàn)了兩個明顯的波峰－波谷，而且呈現(xiàn)先升高最后下降的趨勢。在1 350－1 400 nm波段附近為畫眉草的水吸收帶，在1 454 nm處反射率為22.61%。

經過包絡線去除后的光譜反射曲線峰谷特點明顯，經過包絡線去除處理后畫眉草的紅邊位置顯示為更為清晰的678－751 nm波段(圖8B)。在葉綠素強吸收的450－670 nm波段內，畫眉草葉綠素吸收峰顯示的更為清楚在546 nm，且峰值為0.747 5。

經過一階微分變換后在400－760 nm波段間曲線的差異明顯變大，900－1 000 nm波段附近波動劇烈，718 nm達到光譜一階微分最大值即畫眉草的紅邊所在位置為718 nm，紅邊幅值為 0.441 6(圖8C)。畫眉草原始光譜經過一階微分變換后的葉綠素吸收峰峰值出現(xiàn)在515 nm處，峰值為0.159 4。

2.4 伊犁絹蒿荒漠草地特征植物高光譜曲線綜合分析

350－1 800 nm波段間伊犁絹蒿荒漠草地8種特征植物都呈現(xiàn)出綠色植物高光譜曲線所具備的明顯特征(圖9)。伊犁絹蒿、萹蓄、彎果胡盧巴、駱駝蓬在500－600 nm波段間比其他植物表現(xiàn)出更明顯的葉綠素吸收峰，峰值從大到小依次為伊犁絹蒿＞萹蓄＞彎果胡盧巴＞駱駝蓬。植被強烈反射帶中的760－930 nm波段間8種特征植物的反射率值最大達60%，最小約為20%，反射率從大到小依次為伊犁絹蒿＞萹蓄＞駱駝蓬＞畫眉草＞地膚＞彎果胡盧巴＞角果藜＞叉毛蓬。1 400 nm附近水分吸收帶光譜反射率值最大30.52%最小3.72%，從大到小依次為伊犁絹蒿＞地膚＞角果藜＞畫眉草＞叉毛蓬＞萹蓄＞彎果胡盧巴＞駱駝蓬。

圖8 畫眉草高光譜特征Fig.8 Spectral features of Eragrostis pilosa

圖9 8種特征植物原始高光譜曲線綜合分析圖Fig.9 Original spectral features of 8 characteristic species

3 討論與結論

綠色植物光譜曲線一般都會呈現(xiàn)明顯的“峰和谷”特征［15-16］，而其反射光譜特征規(guī)律性都比較明顯、獨特，本研究結果與之一致。綠色植物光譜曲線在(400－760 nm)的可見光波段有一個小的反射峰，兩側有兩個吸收帶，即在450 nm(藍)與670 nm(紅)波段為低谷，原因是葉綠素對藍光和紅光吸收作用強，而對綠光的反射作用強［17］，這與本研究中特征植物所具有的葉綠素反射峰的特征相吻合。植被光譜反射率曲線在680－760 nm波段間，近紅外波段有一反射的“陡坡”稱為紅邊［18］，再至1 100 nm附近有一峰值，形成植被的獨有特征，本研究中特征植物所具備的紅邊位置所在范圍與其基本一致。植被的“紅邊”效應可以用于估測植被生物參數［19-23］和反映植被生長狀況［24-25］。由于葉子內部液態(tài)水分的強烈吸收作用，在1 400 nm附近有明顯的低谷，在1 600 nm處有反射峰。

本研究分析結果所選對應光譜數據的時間是在特征植物長勢較好時期，并不能絕對代表特征植物各個生長期的光譜特征。對8種特征植物原始光譜的采集是在自然條件下進行的，由于自然因素的影響，光譜數據不可避免的會有一些噪聲，所以需要對原始光譜數據進行去噪處理。光譜數據噪音消除的方法有很多，包括有中值、移動平均法、靜態(tài)平均、傅立葉級數近似、Savitzky Golay、低通濾波、小波去噪、Gaussian濾波、去包絡線等［26］。本研究去除包絡線后的光譜曲線能有效地抑制噪音，更加突出特征植物光譜的特征信息。定量描述植被光譜紅邊特征的紅邊參數包括，1)紅邊幅值:紅光范圍(680－760 nm)內一階導數光譜的最大值;2)紅邊位置:紅光范圍(680－760 nm)內反射光譜一階導數(即一階導數光譜)最大值所對應的波長。本研究還用光譜歸一化微分分析技術，對反射光譜進行一階微分［27］。從一階微分光譜數值中精確提取了8種特征植物的光譜曲線中的紅邊幅值以及紅邊位置［28］等有效信息。有研究表明［29］，結合地面光譜測定和對退化草地物種特征微弱光譜差異的定量分析，可為草地退化監(jiān)測及其治理提供群落演替過程及其態(tài)勢的重要指標，為草地退化監(jiān)測提供新的遙感技術方法。

通過分析包絡線去除后的光譜曲線，發(fā)現(xiàn)包絡線去除后的光譜紅邊特征與原始光譜曲線相比顯得更為清晰，原始光譜曲線中一些不明顯的峰谷特征變得明顯化。對于經過一階微分變換后的光譜曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)一階微分對于精確提取該類草地植物光譜特征的紅邊參數特征值有著重要作用。這兩種對原始光譜曲線的處理，都為該類退化草地上8種特征植物光譜曲線特征的微弱光譜差異定量分析奠定了基礎。

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