鄭志河

[摘 要]利用SVCHR-1024便攜式光譜儀和SPAD502測定實驗區(qū)的海桐在350-2500nm的植被高光譜反射率和葉綠素含量，先后利用K=7的移動平均模型進行去噪處理和包絡線去除后，分析海桐的原始光譜、包絡線去除曲線、海桐對SPAD值的光譜響應光譜、一階導數(shù)光譜進行分析，探究SPAD值對海桐的植物光譜特征敏感波段的具體位置。

[關鍵詞]遙感；葉綠素含量；包絡線去除；導數(shù)光譜

[中圖分類號]P343.3 [文獻標識碼]A

1 實驗區(qū)概況

實驗區(qū)位于江蘇省南京市河海大學江寧校區(qū)。河海大學處于丘陵地區(qū)，地理位置位于東經(jīng)118°46′33.99″到118°47′09.81″，北緯31°54′47.47″到31°55′11.13″之間，實驗區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，雨量充沛，年降水量1200毫米，四季分明，年平均溫度15.4℃。校園內(nèi)綠植豐富，主要有海桐、桂花、竹子、香樟、衛(wèi)矛、紫錦木等植被，其中海桐占較多，分布較廣。

2 研究方法

（1）使用SVC HR-1024便攜式光譜儀采集兩種植被的冠層光譜，該光譜儀有1024個通道，波段范圍350～2500nm，其中350～1000nm區(qū)間光譜分辨率為1.4nm，1000～1085nm區(qū)間光譜分辨率為3.8nm，1850～2500nm 區(qū)間光譜分辨率為2.4nm。我們在晴朗無云的天氣下在上午10：00到下午2：00之間采集植被的光譜數(shù)據(jù)。采用25°光纖的對每個樣方僅進行數(shù)據(jù)采集，測量前先用白板標定。樣方的大小設置為1m×1m，每個樣方設置5個采樣點（如圖1），取平均值作為該樣方的光譜數(shù)據(jù)。

（2）采用SPAD-502葉綠素含量測定儀測定的SPAD值作為葉綠素含量的指標。SPAD-502葉綠素含量測定儀測定的SPAD值與葉綠素含量之間呈極顯著相關，能夠代表植被葉綠素含量值。本實驗利用SPAD-502葉綠素計在每個樣方內(nèi)，選取在采集光譜對應的樣方里的相位位置，用葉綠素計取測量葉片的葉綠素，測量時葉綠素計重復采集10次，取平均值作為最終葉綠素含量的測定值。

（3）包絡線去除法。在光譜曲線相似的情況下，直接從中提取光譜特征不便于計算，因此需要對光譜曲線做進一步處理，以突出光譜特征。包絡線去除法可以有效突出光譜曲線的吸收、反射和發(fā)射特征，并將其歸一到一個一致的光譜背景上，有利于和其他光譜曲線進行特征數(shù)值的比較。

式中，λj是第j波段的波長，Rcj是波段j的包絡線去除值，Rj是波段j的原始光譜反射率；Rend和Rstart是在波譜曲線里的起始點和末端點的原始光譜反射率；λend和λstart是在波譜曲線里的起始點波長和末端點波長；K是在波譜曲線里起始點波段和末端點波段之間的斜率。

（4）差值相比處理。我們對植被的反射率作一個簡單的差值處理，用參照SPAD值的植被光譜曲線作為參照，用其余SPAD值的光譜分別去減去參照SPAD的光譜，最后在除以參照SPAD值的光譜反射率，探究隨著SPAD值的增長，植被光譜變化最大的波段，計算出的值是一個沒有量綱的常數(shù)，我們稱之為e。同時考慮到SPAD值對光譜反射率的影響可能存在增強和減弱的差異，我們對e取絕對值，記為é，公式如下：

其中，R（λi）為第i個波段的光譜值，R（λj）為第j個波段的參照光譜值。é的值的大小表明葉綠素含量對植被反射率光譜影響的強弱程度。為了得到植被的敏感波段，本實驗將不同SPAD值的é值相加，得到對SPAD值最敏感的波段。

（5）一階導數(shù)光譜。一階導數(shù)光譜能顯著顯示植被光譜曲線的特征點和特征區(qū)域的位置，分辨植物光譜特征曲線中小的反射峰和吸收谷。通過一階導出光譜，可以準確地判定各特征參數(shù)的位置，提高鑒定的準確性。

式中，R′（λi）是第i波段的一階導數(shù)光譜值，R（λi+1）和R（λi-1）分別是第i+1波段和第i-1波段的原始光譜值，i+1和i-1分別是第i+1波段和第i-1波段的原始光譜值。

3 研究結果及分析

我們對采集到的數(shù)據(jù)首先用K=7的移動平均模型進行處理，消除其他噪聲對海桐光譜特征的影響。得到圖2的曲線，從圖2中可以看出海桐的光譜線具有典型的綠色植物光譜曲線特征。海桐在波長550nm左右有一個小反射峰，在波長670nm左右有一個小的吸收谷，在波長670nm之后的紅邊位置，隨著葉綠素含量的不同也發(fā)生著變化。但是不能從原始光譜中找尋由SPAD值引起的光譜差異。

采用包絡線去除的方法，可以將不同SPAD值的反射波譜曲線歸一化到同一個光譜背景下。在包絡線去除曲線中，可以很清楚看到，在350～700nm的波段范圍內(nèi)，隨著SPAD值的增加，植被反射率明顯地降低，即隨著葉綠素含量的增加，植被在可見光波段的吸收率明顯增加。

從經(jīng)過差值處理后的海桐光譜響應曲線來看，隨著SPAD值的增加，海桐在可見光范圍內(nèi)的光譜響應越來越強烈，尤其是在500nm和670nm波段最為強烈，出現(xiàn)了兩個峰值。把不同的SPAD值的光譜響應曲線相加，可以得到海桐對SPAD值的最敏感波段是657.5nm左右。

通過求出不同SPAD值的海桐一階光譜曲線，發(fā)現(xiàn)最敏感波段在導數(shù)光譜曲線中對應的位置是紅邊左側(cè)第一個一階導數(shù)等于0的位置，即原始光譜曲線中紅谷的位置。這與大多數(shù)學者得出的結論相符。

4 結論

通過植被的原始光譜曲線，可以看出海桐是一種典型植被，其擁有典型的綠色健康植被的光譜特征。通過包絡線去除后的不同SPAD值的海桐光譜曲線，我們得到了植被葉綠素含量的差異影響光譜響應最大的是可見光波段。但是具體的是在可見光波段的哪個位置，還無法得到。然后用差值相比法進行處理后，可以明顯看出不同SPAD值植被的光譜響應強度，我們從中得到了海桐對葉綠素含量的敏感波段發(fā)生在657.5nm處，結合海桐的一階導數(shù)光譜曲線，我們得出了下面的結論：海桐是一種典型的綠色健康植被；海桐光譜特征對于葉綠素含量的敏感波段發(fā)生在原始光譜曲線的紅光吸收谷位置；并且隨著葉綠素含量的增加，海桐在紅色吸收谷處的吸收率越大。

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