牛亞龍,劉廷璽,段利民,王冠麗,羅艷云

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

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科爾沁沙地典型沙丘植被光譜特性

牛亞龍,劉廷璽,段利民,王冠麗,羅艷云

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

采用Field Spec4(美國ASD)的便攜式光譜儀對(duì)科爾沁5種典型沙丘植被的光譜曲線進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)其特征進(jìn)行提取分析。結(jié)果表明，1)5種典型沙丘植被黃柳(Salixgordejevii)、冷蒿(Artemisiafrigida)、麻黃(Herbalephedrae)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)和小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)的光譜形態(tài)大致相同。根據(jù)原始光譜差異和多個(gè)光譜特征參數(shù)可以區(qū)分植被類型?！凹t邊斜率”由高到低依次為冷蒿(0.99%)>小葉錦雞兒(0.68%)>黃柳(0.59%)>麻黃(0.58%)>差巴嘎蒿(0.56%)。2)對(duì)差巴嘎蒿不同季節(jié)光譜反射率特性進(jìn)行比較分析得知，隨植被生長(zhǎng)期推移，差巴嘎蒿呈現(xiàn)出“雙峰”和“紅移”現(xiàn)象，但該現(xiàn)象并不明顯。由于研究區(qū)在7月份出現(xiàn)持續(xù)干旱，植被缺水嚴(yán)重，導(dǎo)致差巴嘎蒿的“紅邊位置”在7月6日出現(xiàn)微小浮動(dòng)，顯現(xiàn)兩個(gè)“紅邊平臺(tái)”。3)分析不同覆蓋度下差巴嘎蒿的光譜特性，差巴嘎蒿的導(dǎo)數(shù)光譜呈現(xiàn)“雙峰”特性，且當(dāng)覆蓋度大于40%時(shí)，“紅邊位置”與覆蓋度并無直接聯(lián)系，但“紅邊斜率”與覆蓋度呈正比關(guān)系。對(duì)不同覆蓋度下差巴嘎蒿光譜可見光波段的連續(xù)統(tǒng)去除，得到吸收深度隨覆蓋度的增加而增大，吸收峰面積隨覆蓋度的增加而減小，對(duì)覆蓋度敏感性參數(shù)比較可知，研究該地區(qū)差巴嘎蒿覆蓋度變化優(yōu)先考慮吸收峰面積。因此，基于植被高光譜特性的分析，對(duì)于今后利用遙感監(jiān)測(cè)沙丘植被長(zhǎng)勢(shì)、植被分類識(shí)別及反演植被覆蓋度等的應(yīng)用提供重要的參考價(jià)值。

光譜特性；紅邊；綠峰；植被覆蓋度；沙丘植被；差巴嘎蒿；科爾沁沙地

對(duì)地物進(jìn)行光譜測(cè)定及研究不僅是遙感分析和應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是研究遙感理論的重要內(nèi)容。由于實(shí)測(cè)的地面光譜數(shù)據(jù)的分辨率較高，因此能夠更加準(zhǔn)確地反映地物的光譜特性[18]。本研究采用Field Spec4(美國ASD)的便攜式光譜儀對(duì)科爾沁5種典型沙丘植被的光譜進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)其特征進(jìn)行提取分析，并同時(shí)對(duì)求導(dǎo)及去包絡(luò)線的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比較它們之間的相似度和差異性，為該區(qū)域不同植被分類識(shí)別建模提供依據(jù)。由于差巴嘎蒿為半流動(dòng)、半固定沙丘的建群物種，是科爾沁沙地主要的固沙先鋒物種之一，且具有抗寒、耐旱、繁殖快等特性，被廣泛用于沙漠化防治和沙地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[19]，因此研究不同生長(zhǎng)時(shí)期和不同覆蓋度下的差巴嘎蒿光譜特性，對(duì)植被變化監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境調(diào)查與綜合評(píng)價(jià)等方面具有重要意義，也為今后該區(qū)域植被特性的反演及驗(yàn)證和光譜數(shù)據(jù)庫的建立提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于蒙古高原(內(nèi)蒙古通遼市科爾沁左翼后旗阿古拉鎮(zhèn))，地處科爾沁沙地的東南緣，地理坐標(biāo)為43°18′48″-43°21′24″ N，122°33′00″-122°41′00″ E，面積55 km2(圖1)。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.6 ℃，多年平均降水量389 mm，且主要集中在6月-9月，直徑20 cm蒸發(fā)皿年平均水面蒸發(fā)量1 412 mm，年平均相對(duì)濕度55.8%，屬典型的半干旱荒漠化農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)，地貌特點(diǎn)為流動(dòng)、半流動(dòng)半固定與固定沙丘和草甸、農(nóng)田相間分布，地勢(shì)為南北高翹，中間低平。區(qū)內(nèi)植被種類繁多，而天然植被大體分為沙丘植被、草甸植被和林地喬木三大類，其中沙丘植被主要有黃柳(Salixgordejevii)、冷蒿(Artemisiafrigida)、麻黃(Herbalephedrae)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)和小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)等。

1.2 典型植被地物光譜數(shù)據(jù)的采集

采用Field Spec4(美國ASD)的便攜式光譜儀，波長(zhǎng)范圍為350-2 500 nm，其中，350-1 000和1 000-2 500 nm處的波段寬分別為1.4和2.0 nm，光譜分辨率分別為3和2 nm。研究區(qū)沿著122°34′48″ E、122°37′36″E、122°39′00″ E3條經(jīng)度帶，緯度自43°18′54″ N開始，大體每隔12″將3條帶劃分生態(tài)點(diǎn)，綜合考慮每個(gè)生態(tài)點(diǎn)地形地貌、土壤質(zhì)地及植被狀況的情況下，選取22個(gè)點(diǎn)作為光譜測(cè)試點(diǎn)(圖1)。2015年5月中旬到9月下旬進(jìn)行測(cè)量，涵蓋了沙丘植被的生長(zhǎng)初期(5月中旬-6月末)、成熟期(7月初-8月末)和衰落期(9月初-9月末)3個(gè)時(shí)期，測(cè)量選擇天氣晴朗無風(fēng)，能見度>10 km，于10:30-14:00進(jìn)行，共實(shí)施8次，且測(cè)量的同時(shí)對(duì)植被拍照。數(shù)據(jù)采集時(shí)先去除暗電流，然后再進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化與白板的標(biāo)定；測(cè)量時(shí)光譜儀視場(chǎng)角為25°，采集器距植被冠層頂垂直高度約1 m。為了使測(cè)量數(shù)據(jù)具有代表性，每個(gè)生態(tài)點(diǎn)同種植被選擇5個(gè)固定位置，每次測(cè)量均對(duì)同一生態(tài)點(diǎn)的同種地物重復(fù)測(cè)量5次，剔除25次測(cè)量中的異常值，對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理后作為該生態(tài)點(diǎn)同種植被的光譜反射率值，測(cè)量前后及時(shí)利用白板進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 研究區(qū)地理位置、地貌特征與光譜測(cè)點(diǎn)Fig. 1 The geographic location, landscape features and layout of spectral measuring point in the study area

1.3 光譜數(shù)據(jù)處理方法

首先利用儀器自帶的處理軟件ViewSpec Pro Version 6.0將所測(cè)樣地平均后的光譜反射率選用ASCII格式輸出。使用數(shù)據(jù)時(shí)為消除水汽的影響，要去除影響嚴(yán)重的中紅外波段1 350-2 500 nm。為更好地凸顯植被光譜的差異，本研究要將高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，選取的方法如下。

1.3.1 微分法 對(duì)于植被，微分后的光譜不僅可以部分消除系統(tǒng)誤差、土壤背景、凋落物等低頻光譜成分，而且還可以削弱大氣背景的噪聲，植被光譜曲線在坡度上的微小變化也會(huì)被放大，從而有效提取出沙丘植被的波長(zhǎng)位置、深度、寬度等多種吸收參量，更好地反映了沙丘植被不同生長(zhǎng)期的本質(zhì)特性。一階微分法的計(jì)算公式為[20]：

(1)

1.3.2 連續(xù)統(tǒng)去除法(CR) 連續(xù)統(tǒng)去除法能很好地消除土壤背景(將植被原始光譜歸一到一致的光譜背景上)和光照條件的影響，有效地突出了植被吸收和反射率光譜的個(gè)性和共性，放大了植被光譜在可見光處的兩個(gè)吸收谷，有利于分析植被的吸收特征，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：CR(λi)是波長(zhǎng)λi處的連續(xù)統(tǒng)去除值；RH(λi)為波長(zhǎng)λi處的直線反射率；R(λi)為波長(zhǎng)λi處的原始光譜反射率。

由連續(xù)統(tǒng)去除后的曲線，能夠進(jìn)一步計(jì)算光譜吸收谷處的深度深度[BD(λi)]和吸收峰面積(A)，其計(jì)算公式分別為[18]：

BD(λi)=1-CR(λi)

(3)

(4)

式中：BD(λi)為波長(zhǎng)λi處的波段深度；λend、λstart為吸收終點(diǎn)和起點(diǎn)的波長(zhǎng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種典型沙丘植被光譜曲線特征的比較

荒漠化地區(qū)沙丘植被光譜在形態(tài)上大致相同(圖2a)，主要在葉綠素強(qiáng)烈吸收帶450-650 nm和水分吸收帶970、1 190 nm附近。在750 nm附近是一個(gè)相對(duì)平坦的、反射率高的區(qū)域，它主要由植被葉片的細(xì)胞結(jié)構(gòu)所決定。不同種類植被葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所差異，導(dǎo)致光譜差異顯著[21]。在較大差異波段780-880 nm處，平均光譜反射率由高到低依次為冷蒿(45.0%)>小葉錦雞兒(33.2%)>黃柳(33.1%)>麻黃(33.0%)>差巴嘎蒿(30.6%)。其中冷蒿的光譜反射率最大，差巴嘎蒿的光譜反射率最小，易于同其它植被區(qū)分。在整個(gè)近紅外波段750-1 350 nm內(nèi)，冷蒿的光譜反射率均大于其它4種植被。

在波長(zhǎng)680 nm附近，有明顯的吸收谷，這主要是由于植被葉片中的紅色素對(duì)紅光波段處的吸收所造成的。在680-760 nm波段處，植被的光譜反射率陡峭上升，形成了植被的“紅邊”區(qū)，對(duì)該波段的原始光譜進(jìn)行一階求導(dǎo)(圖2b)。冷蒿、麻黃和差巴嘎蒿的“紅邊位置”均位于715 nm處，黃柳和小葉錦雞兒的“紅邊位置”均位于716 nm處，并求得“紅邊斜率”由高到低依次為冷蒿(0.99%)>小葉錦雞兒(0.68%)>黃柳(0.59%)>麻黃(0.58%)>差巴嘎蒿(0.56%)。其中小葉錦雞兒的“紅邊斜率”小于冷蒿，且明顯大于黃柳、麻黃和差巴嘎蒿3種植被。

統(tǒng)計(jì)5種沙丘植被光譜曲線的“綠峰”、“紅谷”和“三邊”參數(shù)(表1)。小葉錦雞兒的“綠峰位置”小于其它4種植被，其變化并不明顯，但其“藍(lán)邊面積”和“紅谷面積”均最小，結(jié)合“紅邊斜率”可以很好的將其區(qū)分出來。麻黃的“藍(lán)邊位置”在524 nm處，均大于其它4種沙丘植被，且其“黃邊面積”最小，也易于同其它植被區(qū)分。而差巴嘎蒿的平均光譜反射率、“紅邊斜率”與“紅邊面積”3個(gè)參數(shù)的值均最小，也可以將其區(qū)分出來。

2.2 差巴嘎蒿在不同生長(zhǎng)時(shí)期和不同覆蓋度下的光譜特征

2.2.1 不同生長(zhǎng)時(shí)期差巴嘎蒿光譜特征 比較差巴嘎蒿不同生長(zhǎng)時(shí)期的原始光譜曲線(圖3)，從5月23日到7月6日，由于植被持續(xù)生長(zhǎng)，在7月6日植被葉片的葉綠素含量最高，荒漠化地區(qū)差巴嘎蒿對(duì)藍(lán)光和紅光的吸收不斷增強(qiáng)，表現(xiàn)為在藍(lán)光(435-450nm)和紅光(660-680 nm)波段處光譜反射率不斷減小。在551 nm附近，“綠峰位置”持續(xù)向藍(lán)光方向偏移(表2)；從7月18日到9月23日，植被處于衰退期，葉綠素含量持續(xù)下降，在藍(lán)光和紅光波段處反射率增大，其在成熟期，光譜反射率在近紅外波段高于衰退期。“綠峰位置”又向紅光方向偏移。由于研究區(qū)在2015年7月份出現(xiàn)持續(xù)干旱，且差巴嘎蒿屬于高蒸騰、高耗水型沙地旱生植被，其長(zhǎng)勢(shì)對(duì)水分變化敏感[22-23]，近紅外波段處的光譜反射率和“綠峰位置”均出現(xiàn)浮動(dòng)。

圖2 5種沙丘植被的光譜反射特征Fig. 2 Spectral reflectance characteristics of five kinds of dune vegetation

表1 5種沙丘植被的光譜參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Spectral parameters statistics of five kinds of dune vegetation

分析不同時(shí)期差巴嘎蒿光譜的 “紅邊”特性，對(duì)680-760 nm波段處的原始光譜取一階微分(圖4a)。從圖中可以看出，與大多數(shù)的綠色植被的“紅邊”區(qū)相似，差巴嘎蒿光譜的“紅邊”區(qū)同樣具有“雙峰”現(xiàn)象，且 “次峰”波長(zhǎng)大于“主峰”。隨著植被生長(zhǎng)發(fā)育期的推移，差巴嘎蒿的葉面積指數(shù)增大、生物量增加，土壤背景對(duì)其冠層光譜的影響不斷減小，在8月13日，其“雙峰”現(xiàn)象達(dá)到最大；隨后其“雙峰”現(xiàn)象逐漸減弱，到9月26日基本消失。

對(duì)差巴嘎蒿光譜“紅邊位置”進(jìn)行分析得知(表2)，隨著差巴嘎蒿生長(zhǎng)越來越旺盛，植被光合作用能力增強(qiáng)，植被葉片對(duì)紅光吸收增強(qiáng)，出現(xiàn)“紅邊紅移”現(xiàn)象，但并不明顯，表明植被持續(xù)生長(zhǎng)，但并不旺盛。其中差巴嘎蒿在7月6日的“紅邊位置”向左偏移，這是因?yàn)檠芯繀^(qū)2015年7月份出現(xiàn)持續(xù)干旱，導(dǎo)致植被缺水嚴(yán)重，葉片部分枯死所致。在7月-9月，為差巴嘎蒿的花期和果期，它的“紅邊位置”為715 nm，持續(xù)處在“紅邊平臺(tái)”位置。

圖3 不同生長(zhǎng)時(shí)期差巴嘎蒿的光譜特性Fig. 3 Artemisia halodendron spectrum of different growth periods

圖4 不同生長(zhǎng)時(shí)期差巴嘎蒿的光譜特征分析Fig. 4 Artemisia halodendron spectral characteristics of different growth periods

在可見光波段，差巴嘎蒿兩個(gè)明顯的吸收谷分別在藍(lán)光490 nm和紅光675 nm附近，分析不同時(shí)期差巴嘎蒿冠層光譜的連續(xù)統(tǒng)去除值(圖4b)。由于成熟期的葉片葉綠素含量較大，且研究區(qū)在2015年8月中旬干旱得到一定程度的緩解，因此，在8月13日差巴嘎蒿的兩個(gè)波段處的吸收深度均達(dá)到最大，隨后其吸收強(qiáng)度明顯減弱。在同一生長(zhǎng)時(shí)期，差巴嘎蒿在紅光715 nm附近的吸收明顯比藍(lán)光490 nm附近的更加強(qiáng)烈，吸收深度也比藍(lán)光波段處深。

表2 不同生長(zhǎng)時(shí)期差巴嘎蒿光譜的“綠峰”和“紅邊”位置Table 2 Artemisia halodendron spectral “green peak” and “red-edge” position of different growth periods

圖5 同時(shí)期不同覆蓋度下差巴嘎蒿的光譜特征Fig. 5 The spectral characteristics of Artemisia halodendron under different coverage in the same period

2.2.2 同時(shí)期差巴嘎蒿不同覆蓋度下的反射光譜曲線特征 4種不同覆蓋度下差巴嘎蒿的光譜特征比較(圖5a)可知，覆蓋度為10%時(shí)光譜反射率接近土壤，植被特征不明顯。覆蓋度較高時(shí)，差巴嘎蒿呈現(xiàn)明顯的植被光譜特性。在可見光波段550-680 nm處，差巴嘎蒿的光譜反射率隨著覆蓋度的增加而減小，在近紅外波段760-920 nm處，隨著覆蓋度的增加而增大。

差巴嘎蒿的一階微分光譜呈現(xiàn)明顯的“雙峰”特性(圖5b)，其“次峰”波長(zhǎng)小于“主峰”。隨著覆蓋度的下降，植被的“雙峰”特性逐漸削弱，這是因?yàn)橹脖环瓷渎适芡寥辣尘暗挠绊懖粩嘣龃笏隆Ｔ诟采w度10%、40%、70%與90%處，差巴嘎蒿的“紅邊位置”分別在697、715、715和715 nm處。其“紅邊位置”在覆蓋度大于40%以后已沒有變化，表明差巴嘎蒿的“紅邊位置”與覆蓋度并無明顯聯(lián)系。在覆蓋度10%、40%、70%與90%下，差巴嘎蒿的“紅邊斜率”依次是0.002 3、0.005 0、0.006 0和0.006 8，即“紅邊斜率”與覆蓋度成正比，這與那曲小嵩草(Kobresiapygmaea)“紅邊斜率”與覆蓋度的特性[18]一致。

對(duì)不同覆蓋度下差巴嘎蒿的光譜反射率進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)去除后(圖5c)，差巴嘎蒿在兩個(gè)吸收波段具有不同的吸收強(qiáng)度，而10%覆蓋度下大致相同，這是因?yàn)楣庾V反射率主要受土壤背景的影響所致。較高覆蓋度下，其植被在紅光范圍內(nèi)的吸收比在藍(lán)光范圍內(nèi)更為強(qiáng)烈。與差巴嘎蒿覆蓋度相關(guān)的吸收波段范圍為500-750 nm處，并對(duì)該波段處連續(xù)統(tǒng)去除后的光譜曲線進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的吸收深度和吸收峰面積(圖5d)，同時(shí)期差巴嘎蒿的吸收深度隨著覆蓋度的增加不斷增大，吸收峰面積隨著覆蓋度的增加而減小。

3 討論與結(jié)論

原始光譜曲線受外界影響因素較大，但不同植被的波段特征位置相同，比較其波段特征位置處的光譜特性，可以在一定程度上區(qū)分不同植被類型。學(xué)者利用光譜特征參量、光譜指數(shù)和光譜重排3種方法對(duì)甘南高寒草甸主要毒雜草光譜特征進(jìn)行了分析[24]，并成功區(qū)分出主要植被類型；分別對(duì)山地草甸群落[25]和退化伊犁絹蒿荒漠草地[26]特征植被的光譜特征進(jìn)行了分析，均取得了較好的效果。

荒漠化植被的蓋度均較低，本研究選擇微分法和連續(xù)統(tǒng)去除法均能在一定程度上消除土壤背景的影響。微分法在可見光與近紅外波段范圍內(nèi)均能較好地消除土壤背景(圖6)，而連續(xù)統(tǒng)去除法在近紅外波段處消除土壤背景的效果明顯比可見光波段處好。同時(shí)，連續(xù)統(tǒng)去除后的光譜曲線能有效地抑制噪音，更加突出特征植被光譜的特征信息。

圖6 土壤背景的光譜特性Fig. 6 Spectral characteristics of soil background

與其它植被比較，差巴嘎蒿在其“紅邊”區(qū)出現(xiàn)的“雙峰”和“紅移”現(xiàn)象并不明顯，而在7月6日其“紅邊位置”出現(xiàn)微小浮動(dòng)，且出現(xiàn)兩個(gè)“紅邊平臺(tái)”，這與水稻(Oryzasativa)、玉米(Zeamays)和棉花(Gossypiumspp.)等農(nóng)作物的“紅邊”區(qū)呈現(xiàn)的特性有所不同[27-28]，這是因?yàn)樽鳛楣躺诚蠕h植被，差巴嘎蒿自身具有較好的抗旱性，且其花期和果期較長(zhǎng)，適應(yīng)環(huán)境能力較強(qiáng)，導(dǎo)致“紅邊平臺(tái)”持續(xù)了兩個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期。

植被覆蓋度是一種直觀的量化指標(biāo)，可以描述植被的生長(zhǎng)狀況，而在氣候、水文和生態(tài)系統(tǒng)模擬等模型中，又可作為重要的輸入?yún)?shù)[29]。對(duì)同時(shí)期4種覆蓋度下差巴嘎蒿的光譜特性進(jìn)行分析研究，其不同波段處的光譜反射率隨覆蓋度的變化呈現(xiàn)明顯的規(guī)律。結(jié)合圖5與表3可以得到，在覆蓋度較低時(shí)，差巴嘎蒿的“紅邊面積”、吸收深度和吸收峰面積3個(gè)參數(shù)變化較為明顯；在覆蓋度較大時(shí)，3個(gè)參數(shù)的變化程度從大到小為吸收峰面積>紅邊面積>吸收深度。對(duì)于該地區(qū)差巴嘎蒿覆蓋度變化的研究可以優(yōu)先考慮的參數(shù)為吸收峰面積。

對(duì)黃柳、冷蒿、麻黃、差巴嘎蒿和小葉錦雞兒5種典型沙丘植被的原始光譜反射特征進(jìn)行比較，得知荒漠化地區(qū)沙丘植被光譜在形態(tài)上大致相同。但由于不同種類沙丘植被葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異，導(dǎo)致光譜差異顯著。其中較大差異波段為780-880 nm，并結(jié)合光譜“三邊”參數(shù)、“綠峰”和“紅谷”參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值能夠很好區(qū)分5種沙丘植被。對(duì)不同季節(jié)8個(gè)時(shí)期和同時(shí)期4種覆蓋度下的差巴嘎蒿光譜特性進(jìn)行分析比較可知，其光譜特性隨不同時(shí)期與不同覆蓋度的變化均呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，對(duì)其光譜特性的研究能夠很好地表現(xiàn)植被生長(zhǎng)生理特征。研究區(qū)屬典型的半干旱荒漠化農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，基于該地區(qū)沙丘植被高光譜特性的分析，對(duì)于今后利用遙感監(jiān)測(cè)荒漠化地區(qū)沙丘植被的長(zhǎng)勢(shì)、分類識(shí)別及反演植被覆蓋度等的應(yīng)用提供重要的參考價(jià)值。

表3 不種覆蓋度下差巴嘎蒿的參數(shù)值Table 3 Artemisia halodendron parameter values of different growth periods

References:

[1] 童慶禧,張兵,鄭蘭芬.高光譜遙感——原理、技術(shù)與運(yùn)用.北京:高等教育出版社,2006. Tong Q X,Zhang B,Zheng L F.Hyperspectral Pemote Sensing——Principle Technology and Applications.Beijing:Higher Education Press,2006.(in Chinese)

[2] 浦瑞良,宮鵬.高光譜遙感及其應(yīng)用.北京:高等教育出版社,2000. Pu R L,Gong P.Hyperspectral Pemote Sensing and Its Application.Beijing:Higher Education Press,2000.(in Chinese)

[3] 張翼然,宮兆寧,趙文吉.水分環(huán)境梯度下野鴨湖濕地典型植被光譜特征分析.光譜學(xué)與光譜分析,2012,32(3):743-748. Zhang Y R,Gong Z N,Zhao W J.Analysis of typical vegetation spectral characteristics of wild duck lake wetland under water environment gradient.Spectroscopy and Spectral Analysis.2012,32(3):743-748.(in Chinese)

[4] 劉雪華,孫巖,吳燕.光譜信息降維及判別模型建立用于識(shí)別濕地植被物種.光譜學(xué)與光譜分析,2012,32(2):459-464. Liu X H,Sun Y,Wu Y.Spectral dimensionality reduction information and discriminant model for identification of wetland plant species.Spectroscopy and Spectral Analysis,2012,32(2):459-464.(in Chinese)

[5] 范應(yīng)龍,譚炳香,東啟亮.利用天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)識(shí)別植被類型的評(píng)估研究.遙感學(xué)報(bào),2014,18(z1):98-106. Fan Y L,Tan B X,Dong Q L.Study on the evaluation and identification of vegetation hyperspectral data types using Tiangong-1.Journal of Remote Sensing,2014,18(z1):98-106.(in Chinese)

[6] 李曉松,李增元,高志海,白黎娜,王琫瑜.基于NDVI與偏最小二乘回歸的荒漠化地區(qū)植被覆蓋度高光譜遙感估測(cè).中國沙漠,2011,31(1):162-167. Li X S,Li Z Y,Gao Z H,Bai L N,Wang F Y.Hyperspectral remote sensing estimation of vegetation coverage in desertification area based on NDVI and partial least squares regression.Journal of Desert Research,2011,31(1):162-167.(in Chinese)

[7] 林卉,楊蘇新,侯飛,張連蓬,胡召玲.利用高光譜混合像元分解估測(cè)喀斯特地區(qū)植被覆蓋度.測(cè)繪通報(bào),2014(5):23-27. Lin H,Yang S X,Hou F,Zhang L P,Hu Z L.Estimation of vegetation coverage using hyperspectral mixed pixel decomposition in Karst area.Bulletin of Surveying and Mapping,2014(5):23-27.(in Chinese)

[8] Schmidt K S,Skidmore A K.Spectral discrimination of vegetation types in a coastal wetland.Remote Sensing of Environment,2008,27(9):701-707.

[9] Spanglet H J,Ustin S L,Rejmankova E.Spectral reflectance characteristics of California subalpine marsh plant communities.Wetlands,1998,18(3):307-319.

[10] 范燕敏,武紅旗,靳瑰麗.新疆草地類型高光譜特征分析.草業(yè)科學(xué),2006,23(6):15-18. Fan Y M,Wu H Q,Jin G L.Hyperspectral characteristics of grassland types in Xinjiang.Pratacultural Science,2006,23(6):15-18.(in Chinese)

[11] 張凱,郭鈮,王潤(rùn)元,司建華,王小平.西北荒漠草甸植被光譜反射特征研究.地球科學(xué)進(jìn)展,2006,21(10):1063-1069. Zhang K,Guo N,Wang R Y,Si J H,Wang X P.Study on spectral reflectance characteristics of desert meadow vegetation in Northwest China.Advances in Earth Science,2006,21(10):1063-1069.(in Chinese)

[12] 曹巍,邵全琴,喻小勇,樊江文.內(nèi)蒙古不同利用方式溫性草原植被光譜特征分析.草地學(xué)報(bào),2013,21(2):243-252. Cao W,Shao Q Q,Yu X Y,Fan J W.Analysis of spectral characteristics of temperate grassland vegetation under different utilization of Inner Mongolia.Acta Agrestia Sinica,2013,21(2):243-252.(in Chinese)

[13] 夏小偉,靳瑰麗,安沙舟,范燕敏,梁娜.圍欄封育下伊犁絹蒿荒漠草地特征植被高光譜特征變化分析.草業(yè)科學(xué),2015,32(6):870-876. Xia X W,Jin G L,An S Z,Fan Y M,Liang N.High spectral characteristics analysis of the characteristics of the characteristic plants of the desert grassland of Yili.Pratacultural Science,2015,32(6):870-876.(in Chinese)

[14] 段瑞魯,劉廷璽,張圣微,段利民,田晶,王兆葡,田波.科爾沁沙地典型沙丘植被光譜特征數(shù)據(jù)的匹配.干旱區(qū)研究,2014,31(4):750-755. Duan R L,Liu T X,Zhang S W,Duan L M,Tian J,Wang Z P,Tian B.Matching of spectral data of typical vegetation on dunein the horqin sandy land.Arin Zone Research,2014,31(4):750-755.(in Chinese)

[15] 劉美,吳世新,潘伯榮.沙冬青(AmmopiptanthusCheng f.)高光譜特征提取和分析.干旱區(qū)研究,2015,32(6):1186-1191. Liu M,Wu S X,Pan B R.Extraction and analysis of hyperspectral characteristicsofAmmopiptanthusCheng f.Arid Zone Research,2015,32(6):1186-1191.(in Chinese)

[16] 馬維維,鞏彩蘭,胡勇,魏永林,李龍,劉豐軼,孟鵬.牧草品質(zhì)的高光譜遙感監(jiān)測(cè)模型研究.光譜學(xué)與光譜分析,2015,35(10):2851-2855. Ma W W,Gong C L,Hu Y,Wei Y L,Li L,Liu F T,Meng P.Study on forage quality hyperspectral remote sensing model.Spectroscopy and Spectral Analysis,2015,35(10):2851-2855.(in Chinese)

[17] Thenkabail P S,Enclona E A,Ashton M S.Legg C,Dieu M J D.Hyperion,IKONOS,ALI,and ETM+ sensors in the study ofAfricanrainforests.Remote Sensing of Environment,2004,90(1):23-43.

[18] 楊凱,沈渭?jí)?劉波,歐陽琰.那曲典型草地植被光譜特征分析.遙感技術(shù)與應(yīng)用,2014,29(1):40-45. Yang K,Shen W S,Liu P,Ouyang Y.Analysis of typical grassland vegetation spectral features in Naqu.Remote Sensing Technology and Application,2014,29(1):40-45.(in Chinese)

[19] 孫巖.濕地植被高光譜特征分析與物種識(shí)別模型構(gòu)建.北京:清華大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008. Sun Y.Hyperspectral characteristics and species identification model about wetland vegetation.Master Thesis.Beijing:Tsinghua University,2008.(in Chinese)

[20] 李明州.光譜分析技術(shù)和應(yīng)用.北京:科學(xué)出版社,2006. Li M Z.Spectral Analysis Technology and Application.Beijing:Science Press,2006.(in Chinese)

[21] Shi R H.Zhuang D F,Niu Z.Estimation of optinal mesophyll structure paraneter of rice leaves.Journal of Remote Sensing,2007,11(5):626-631.

[22] 羅永清,趙學(xué)勇,朱陽春,李玉強(qiáng),陳銀萍.不同培養(yǎng)條件下差巴嘎篙種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)特征.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2014,25(1):31-36. Luo Y Q,Zhao X Y,Zhu Y C,Li Y Q,Chen Y P.Germination and seedling growth ofArtemisiahalodendronunder different incubation environments.Chinese Journal of Applied Ecology,2014,25(1):31-36.(in Chinese)

[23] 周海燕.科爾沁沙地冷篙和差巴嘎篙對(duì)水分脅迫的反應(yīng)及差異性.中國草地,1999(6):13-17. Zhou H Y.Fringed sagebrush andArtemisiahalodendronresponse to water stress and the difference in Horqin sandy land.Grassland of China,1999(6):13-17.(in Chinese)

[24] 胡遠(yuǎn)寧,崔霞,孟寶平,楊淑霞,梁天剛.甘南高寒草甸主要毒雜草光譜特征分析.草業(yè)科學(xué),2015,32(2):160-167. Hu Y N,Cui X,Meng B P,Yang S X,Liang T G.Spectral characteristics analysis of typical poisonons weeds in Gannan alpine meadow.Pratacultural Science,2015,32(2):160-167.(in Chinese)

[25] 李真真,鄭翔,牛德奎,郭曉敏,謝碧裕,張學(xué)玲.武功山山地草甸主要群落類型高光譜特征.草業(yè)科學(xué),2016,33(8):1492-1501. Li Z Z,Zheng X,Niu D K,Guo X M,Xie B Y,Zhang X L.The study on hyperspectral characteristics of main community types in mountain meadow.Pratacultural Science,2016,33(8):1492-1501.(in Chinese)

[26] 靳瑰麗,何龍,安沙舟,范燕敏,武鵬飛.退化伊犁絹篙荒漠草地特征植被光譜特征.草業(yè)科學(xué),2014,31(10):1848-1858. Jin G L,He L,An S Z,Fan Y M,Wu P F.Spectral features of eight desert range plants on degradationSeriphidiumtransiliensedesert grassland.Pratacultural Science,2014,31(10):1848-1858.(in Chinese)

[27] 唐延林,黃敬峰,王秀珍,王人潮,王福民.水稻、玉米、棉花的高光譜及其紅邊特征比較.中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2004,37(1):29-35. Tang Y L,Huang J F,Wang X Z,Wang R C,Wang F M.Hyperspectral and red edge characteristics of rice,maize and cotton.Chinese Agricultural Science,2004,37(1):29-35.(in Chinese)

[28] 唐延林,王秀珍,黃敬峰,王人潮.水稻微分光譜和植被指數(shù)的作用探討.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(1):145-150. Tang Y L,Wang X Z,Huang J F,Wang R C.Study on the role of derivative spectra and vegetation index for rice.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2003,19(1):145-150.(in Chinese)

[29] 包剛,包玉海,覃志豪,周義,黃明祥,張宏斌.高光譜植被覆蓋度遙感估算研究.自然資源學(xué)報(bào),2013,28(7):1243-1254. Bao G,Bao Y H,Qin Z H,Zhou Y,Huang M X,Zhang H B.Estimation of vegetation coverage by hyperspectral remote sensing.Journal of Natural Resources,2013,28(7):1243-1254.(in Chinese)

(責(zé)任編輯 張瑾)

The spectral characteristics of typical dune vegetation in Horqin Desert

Niu Ya-long, Liu Ting-xi, Duan Li-min, Wang Guan-li, Luo Yan-yun
(Inner Mongolia Agricultural University Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Water Resource Protection and Utilization Key Laboratory, Hohhot 010018, China)

Field Spec4 portable spectrometer (ASD Company) was used to measure the spectral curves of typical vegetation on the sand dunes of Horqin Desert. The spectrum was extracted and analysed. The results revealed that: 1) spectral morphologies of five typical species (Salixgordejevii,Artemisiafrigida,Herbalephedrae,Artemisiahalodendron,Caraganamicrophylla) were similar. The descending order of seeking “red-edge slope” wasA.frigida(0.99%) >C.microphylla(0.68%) >S.gordejevii(0.59%) >H.ephedrae(0.58%) >A.halodendron(0.56%). However, the vegetation types can be distinguished according to the spectral differences and the parameters of the multiple spectral features. 2) Spectral reflectance characteristics ofA.halodendronin different seasons changed with vegetation growth stages. Although this species showed “twin peaks” and “red shift”, these phenomena were not clearly observed. Because the study area appeared to be persistently exposed to drought in July, water shortage in vegetation was severe, which led to the reduction of ‘red edge position’ ofA.halodendronto tiny dots on July 6 that appeared as two ‘red edge platforms’. 3) The analysis of spectral characteristics ofA.halodendronat different coverage revealed that the derivative spectra represented ‘twin peaks’. Moreover, when the coverage was more than 40%, the ‘red-edge position’ and the coverage were not directly linked, but the canopy coverage was proportional to the ‘red-edge slope’. Removal of the visible band revealed an increase in absorption depth and decrease in absorption peak area ofA.halodendronwith increasing coverage. A comparison of coverage-sensitive parameters indicated that the area of the absorption peak was the preferred parameter for studying coverage variation ofA.halodendronin this region. Therefore, analysis of vegetation hyperspectral characteristics provide an important reference value for the application of remote sensing-based monitoring of vegetation characteristics, such as growth, vegetation classification, and vegetation cover.

spectral characteristics; red edge; green peak; vegetation coverage; dune vegetation;Artemisiahalodendron; Horqin Desert

Liu Ting-xi E-mail:txliu1966@163.com

2016-09-23 接受日期：2016-12-09

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51139002)；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國際(地區(qū))合作研究項(xiàng)目(51620105003)；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51479086);內(nèi)蒙古水利科技項(xiàng)目；教育部科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT13069);科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2015RA4013);內(nèi)蒙古自治區(qū)草原英才產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才團(tuán)隊(duì);內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)寒旱區(qū)水資源利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(NDTD2010-6)

牛亞龍(1990-)，男，河北邯鄲人，在讀碩士生，研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)植被光譜特性。E-mail：970163841@qq.com

劉廷璽(1966-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，教授，博士，研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)生態(tài)水文。E-mail:txliu1966@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0497

Q947.8;Q948.15

A

1001-0629(2017)07-1365-09

光譜遙感因其具有光譜分辨率高、波段數(shù)多、圖譜合一、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，已成為定量遙感分析中重要的研究方向之一[1-3]，并在監(jiān)測(cè)植被長(zhǎng)勢(shì)、植被分類識(shí)別及覆蓋度反演等方面已取得了大量的研究成果[4-7]。在國際上，相關(guān)學(xué)者利用距離分析和包絡(luò)線去除兩種方法對(duì)荷蘭瓦登海地區(qū)的濕地植被類型進(jìn)行了光譜識(shí)別分析[8]；對(duì)美國加利福尼亞州亞高山地區(qū)的沼澤植物群落也進(jìn)行了光譜特征分析[9]；在國內(nèi)，相關(guān)學(xué)者分別研究了新疆草地類型[10]和西北荒漠草甸植被[11]的光譜特征；對(duì)荒漠化地區(qū)草甸、草原植被的高光譜特性進(jìn)行了研究[11-14]；在科爾沁沙地對(duì)典型沙丘植被光譜特征數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配研究，并得到TM4波段為研究地區(qū)植被物種識(shí)別的首選波段；利用一階導(dǎo)數(shù)和倒高斯模型提取了新疆沙冬青(Ammopiptanthusnanus)和蒙古沙冬青(A.mongolicus)的高光譜特征，分析了兩種沙冬青的光譜特征差異，并成功識(shí)別了冬季新疆沙冬青群落[15]。研究表明，利用高光譜遙感數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地反映植被生長(zhǎng)狀態(tài)、光譜特征以及不同植被光譜的差異，可以準(zhǔn)確地反演生物量、覆蓋度等植被參數(shù)[16-17]。

牛亞龍,劉廷璽,段利民,王冠麗,羅艷云.科爾沁沙地典型沙丘植被光譜特性.草業(yè)科學(xué),2017,34(7)：1365-1373.

Niu Y L,Liu T X,Duan L M,Wang G L,Luo Y Y.The spectral characteristics of typical dune vegetation in Horqin Desert.Pratacultural Science，2017,34(7)：1365-1373.