摘 要：遙感技術(shù)在生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查與研究中具有廣闊的應(yīng)用潛力，但是傳統(tǒng)的多光譜遙感主要側(cè)重在面上的普查，很難對生態(tài)系統(tǒng)中各種復(fù)雜地物屬性和生化參量進行精確反演。高光譜遙感突破了光譜分辨率的限制，大大提高了人們獲取多種生態(tài)系統(tǒng)模型輸入?yún)?shù)的類型和精度。

關(guān)鍵詞：高光譜遙感；生態(tài)系統(tǒng)過程；植被

傳統(tǒng)的多光譜遙感由于受到波譜分辨率的限制，難以區(qū)分地物獨特的波譜信息，高光譜遙感技術(shù)突破了這一局限，能獲得整個可見光、近紅外、短波紅外、熱紅外波段的連續(xù)光譜，波段數(shù)多至幾十甚至數(shù)百個，光譜分辨率達到納米級，可獲得影像中每個像元的精細光譜。

本文主要評述高光譜遙感在生態(tài)系統(tǒng)過程與屬性研究中的應(yīng)用，使高光譜遙感技術(shù)更好的應(yīng)用于生態(tài)學(xué)研究。

高光譜遙感在生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用：

近年來，人類活動的干擾和氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)過程及其功能產(chǎn)生了很大影響，然而，由于空間信息獲取困難，加上生態(tài)系統(tǒng)又具有復(fù)雜的特性，嚴重制約了這些生態(tài)環(huán)境問題的解決。傳統(tǒng)地面調(diào)查方法由于耗時耗力，很難滿足大尺度生態(tài)系統(tǒng)過程與屬性研究的需要，迫切需要通過不同時空尺度信息的挖掘來分析人類活動及氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)演替過程中生物量、生物多樣性、穩(wěn)定性以及碳、氮、水養(yǎng)分循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng)過程及其屬性的影響。衛(wèi)星遙感觀測是唯一實用的獲取地球生態(tài)系統(tǒng)空間分布及其動態(tài)演替的概要信息的方法。

一、生態(tài)環(huán)境梯度制圖

生態(tài)學(xué)研究中的生物地球化學(xué)背景信息制圖的目的主要是為了獲取生態(tài)系統(tǒng)中的生境狀況，特別是環(huán)境脅迫的主要區(qū)域范圍及其類型。植被的分布與其生境條件有密切關(guān)系，植被種類可以作為生境條件的反應(yīng)或指示。植物功能型是對環(huán)境條件做出相似的反應(yīng)和對關(guān)鍵生態(tài)學(xué)過程具有相似影響的植物組合。不同功能型植物對生態(tài)系統(tǒng)過程的作用不同，通過植物功能型的分析對揭示生態(tài)系統(tǒng)功能至關(guān)重要。由于沿環(huán)境梯度植被的分布是連續(xù)的，而一般的傳統(tǒng)多光譜遙感植被分類制圖方法常常將植被簡單地分為幾大類，破壞了植被實際分布的連續(xù)性。

二、光合作用色素含量提取

植被光合作用色素含量決定著植被光合作用能力的強弱，也是生態(tài)系統(tǒng)活力的重要體現(xiàn)。植被的光譜特征可以用來探測植被主要色素的相對含量水平，包括葉綠素（綠色素）、胡蘿卜素（黃—橘色素）和花色素（紅—紫色素），這些色素的含量水平可以反映植被生長脅迫狀況、評價光合作用能力強弱，并可用來進行植被分布制圖。葉綠素含量的減少會造成“紅邊”向短波方向位移，稱為“藍移”，引起光譜吸收深度的減少，往往代表了植被光合作用的減弱。Rock等研究發(fā)現(xiàn)處于大氣污染狀況下的云杉和冷杉光譜特征存在“藍移”，這主要是由于其葉片內(nèi)的葉綠素b和總的葉綠素含量減少造成的；同時發(fā)現(xiàn)移動的波長位置在25nm以內(nèi)，建議測量光譜使用的光譜儀的分辨率應(yīng)在1～5nm之間。盧霞等分析了銅礦區(qū)受到重金屬脅迫的植被光譜特征，植被紅邊發(fā)生“藍移”，最大“藍移”達11nm，斷定礦區(qū)植被主要受到重金屬脅迫而且脅迫程度與植被冠層重金屬含量也呈正相關(guān)關(guān)系。

三、植被干物質(zhì)信息提取

植被干物質(zhì)是衡量生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的一個重要指標，估算地上碳儲量可以改進對生態(tài)系統(tǒng)過程的預(yù)測，如在半干旱的稀疏林地，可以直接通過對植被干物質(zhì)的探測來評價立地條件、干擾情況、生理狀況及生物地球化學(xué)過程；在半干旱灌叢和稀樹草地，可以通過估算植被凋落物的分布面積來預(yù)測發(fā)生火災(zāi)的可能性。Asner等研究發(fā)現(xiàn)地上生物量的累積與土壤的有機碳含量密切相關(guān)，這主要是因為地表植被凋落物的分解在時間上和空間上與土壤的分解和呼吸作用有一定的關(guān)聯(lián)，計算植被干物質(zhì)量的變化有助于衡量生態(tài)系統(tǒng)中碳的流失。

木質(zhì)素含量制圖一直是生物地球化學(xué)研究的主要內(nèi)容。然而，由于木質(zhì)素的波譜響應(yīng)特征與纖維素及其它細胞壁物質(zhì)的波譜響應(yīng)特征很相似，很難從高光譜成像數(shù)據(jù)中提取植被冠層木質(zhì)素的含量。但是，當(dāng)基于地面干植物葉片估算了植被干物質(zhì)中纖維素和木質(zhì)素的含量時，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素的估算誤差要比纖維素小。其它研究也得出了類似的結(jié)論，如Fourty和Baret發(fā)現(xiàn)基于鮮植物葉片和干植物葉片很難單獨反演木質(zhì)素和纖維素的含量，但是對總的植被干物質(zhì)的反演結(jié)果較好，精度達到70%以上。這些研究表明基于高光譜成像數(shù)據(jù)提取植被木質(zhì)素含量是可行的。

對于植被覆蓋度比較低且植被分布不連續(xù)的地區(qū)，微波及傳統(tǒng)寬波段遙感數(shù)據(jù)的各種植被指數(shù)對這些低生物量地區(qū)的探測很不敏感，很難應(yīng)用于干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)過程及其特性的研究。高光譜遙感的發(fā)展很好地解決了這些問題。研究表明，2.0～2.3um是植被干物質(zhì)的主要響應(yīng)特征波段范圍，能夠很好地將植被干物質(zhì)、裸土及綠色植被區(qū)分開來?；诔上窆庾V數(shù)據(jù)的植被干物質(zhì)信息提取及其空間分布已經(jīng)被用來作為氣候變化、土地退化及土地荒漠化評價的指示指標。

四、植被生物多樣性監(jiān)測

生物多樣性在維持生態(tài)系統(tǒng)的健康和功能方面具有重要作用，了解植被物種的分布及分布隨時間變化的信息是保護生物多樣性所必需的。而主要依靠野外調(diào)查來估計和獲取生物多樣性信息是可能的，但也是非常困難的。遙感作為快速、大范圍獲取地物信息的主要工具，在生物多樣性監(jiān)測研究中有廣闊的應(yīng)用前景，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)做了許多嘗試。

然而，隨著生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性的增強，物種多樣性增加，直接利用傳統(tǒng)多光譜遙感數(shù)據(jù)進行植被生物多樣性監(jiān)測比較困難。遙感圖像上的每個像元覆蓋了不同的植被個體種、植被群落結(jié)構(gòu)及不同的土壤類型等，這些不同的生態(tài)系統(tǒng)屬性或要素的亮度值變化很大，從而影響到整個像元的光譜反射率。即便是利用時間和空間分辨率都很高的遙感數(shù)據(jù)進行植被識別與分類時也是很困難的。高光譜遙感數(shù)據(jù)能夠提供很多很窄的波段，使對植被生物多樣性的精確監(jiān)測成為可能。由于光譜異質(zhì)性與生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性有關(guān)，即光譜變化假設(shè)，使通過對光譜異質(zhì)性的分析來進行相關(guān)生物多樣性研究成為可能，如生物保護計劃的制定、熱帶雨林木本維管植物物種豐度估測、熱帶雨林樹種分布精細制圖等。基于光譜異質(zhì)性進行植被生物多樣性監(jiān)測有巨大的應(yīng)用潛力，對于生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性較低、物種相對比較單一、植被間的光譜特征差異比較明顯的地區(qū)，單單利用高光譜遙感數(shù)據(jù)就能很好地提取植被物種豐度信息；但對于植被分布比較少、空間分布特征比較明顯的地區(qū)，由于植被生長背景信息如土壤等的影響比較大，生物多樣性信息的準確提取不但要依靠高光譜數(shù)據(jù)，還要借助于高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)。

參考文獻

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[2] 鄒卓陽，楊武年，陳穎.高光譜遙感技術(shù)在植被信息提取中的應(yīng)用[J].測繪，2010（4）.

作者簡介：畢孟杰（1989.11- ），男，山東威海人，成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，碩士研究生在讀，研究方向：生態(tài)地理信息系統(tǒng)；沈夢偉（1990.10- ），男，江蘇蘇州人，成都理工大學(xué)旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，碩士研究生在讀，研究方向：生態(tài)環(huán)境與景觀修復(fù)；彭揚（1992.11- ），男，山東諸城人，成都理工大學(xué)旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，碩士研究生在讀，研究方向：生態(tài)環(huán)境與景觀修復(fù)；王永光（1987.06- ），男，山東濰坊人，研究生，北京地星規(guī)劃設(shè)計院，研究方向：土地利用與國土整治。