西鄂爾多斯主要荒漠灌木高光譜特征識別研究1.0-萊森光學

引言

本研究以保護區(qū)內(nèi)5種主要荒漠灌木（沙冬青、霸王、四合木、半日花、蒙古扁桃）為研究對象，通過實測冠層光譜數(shù)據(jù)結合室內(nèi)葉綠素含量測定：研究保護區(qū)內(nèi)5種主要荒漠植物光譜曲線共性及其差異性；基于高光譜數(shù)據(jù)結合差異敏感波段對荒漠植物進行識別；分析荒漠植物與葉片葉綠素相關性，根據(jù)相關性大小結合敏感波段對葉綠素進行模型預測；分析保護區(qū)內(nèi)常綠闊葉灌木沙冬青光譜特征隨季節(jié)變化體現(xiàn)規(guī)律性變化特征；對沙冬青不同齡級光譜共性及差異性進行分析，得出規(guī)律特征，期望為荒漠植物的生長監(jiān)測及高光譜遙感解譯提供基礎數(shù)據(jù)。

高光譜技術的存在對高光譜遙感監(jiān)測至關重要，相比較于傳統(tǒng)的調(diào)查方法，其具有在不破壞植物生長的前提下，快速提取植物光譜信息反應植物生長狀態(tài)的優(yōu)勢。尤其是在野外調(diào)查存在高山、沙漠等難以達到的地方，高光譜技術的使用能進一步無損、快速獲取植物信息，監(jiān)測其生長狀況。眾所周知，不同荒漠植物由于體內(nèi)結構組成、養(yǎng)分狀況及地域差異，其光譜反射率也表現(xiàn)為不同狀態(tài)。近年來，國內(nèi)外學者就植物光譜反射率反映其生長狀況已經(jīng)開展了大量研究，并取得較大成果。

材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

2.1.1 地理概況

研究區(qū)位于鄂托克旗的西鄂爾多斯國家級自然保護區(qū)，地理位置處于東經(jīng) 106°40'-107°44'，北緯 40°13'-26°10'，南北長約 150km，東西寬約123km，總面積為11920.5km2。憑借獨特地理位置優(yōu)勢，成為我國溫帶草原向荒漠過渡的關鍵性地帶。地勢比較高，黃河水由南向北徑流而過，東南面由鄂爾多斯市高原與桌子山環(huán)繞，一年降雨量較少，氣候較干燥，日照豐富，氣溫較高，年平均氣溫9.3℃左右。

圖 1研究區(qū)示意圖

2.1.2 氣象概況

研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，日照數(shù)相對強，達到 3000 小時左右。具有明 顯的四季交替，無霜期不長，降水量不大且不均勻，蒸發(fā)量較大。年均氣溫達到6.4℃， 年降水量一般為 250mm 左右，年蒸發(fā)量3000mm 左右，降水大部分分布于7-9 月，一年無霜期大致為122天。

2.1.3 地形

研究區(qū)的海拔高度達到 949-2064m，地形地貌較復雜，主要由沙灘丘陵、沖積平 原、石山丘陵和片狀高平原等組成。該區(qū)域山體主要由南北走勢為主。外界條件比較干燥，風沙較大，對周圍環(huán)境具有較強的風蝕性。在其周圍有一座桌子山，桌子山與周圍的丘陵、山嶺形成環(huán)繞，正是這些復雜的地質(zhì)環(huán)境為其提供了更為豐富的小生境。

2.1.4 植物種類

經(jīng)調(diào)查得出自然保護區(qū)內(nèi)共有野生植物 335 種，65 科 188 屬。通過資料及文獻 研究得知屬于國家級重點保護植物有：四合木、半日花、綿刺、沙冬青、革包菊、蒙古扁桃、胡楊。

2.1.5 土壤類型

因為研究區(qū)內(nèi)地貌類型多樣且復雜，其土壤類型也相對復雜，除了主要的棕鈣土存在外、還大量存在著潮土、石質(zhì)土、粗骨土、風沙土等類型。

2.2 實驗方法

通過使用地物光譜儀，對保護區(qū)內(nèi)測定的五種植物生物生態(tài)學特點介紹如下：

（1）蒙古扁桃：是薔薇科桃屬灌木樹種，是荒漠植物中的稀有種類。一般5月份開花，8 月份結果，可進行扦插繁殖。

（2）沙冬青：我國北方荒漠唯一常綠闊葉灌木，已經(jīng)被我國列入二級瀕危保護植物。主要憑借種子進行傳播，花期一般4~5月份，5~6月結果，花色為黃色，種子腎形，果莢分為開裂平展、扭曲，以及不開裂型，耐旱，對阿拉善地區(qū)環(huán)境起到不可或缺的作用。

（3）霸王：是蒺藜科霸王屬灌木樹種，集中分布于干旱貧瘠等條件地區(qū)，在干旱區(qū)表現(xiàn)為主要造林樹種。一般4、5 月份開花，綠色，7、8月份結果。

（4）半日花：是古老珍稀瀕危的殘遺種，相對于其他物種來說面積分布區(qū)域較小，其地上部分呈現(xiàn)紅色，可應用于染色，種子具棱角。半日花對中國荒漠植物的起源具有重要研究價值。

（5）四合木：是荒漠化地區(qū)的強旱生灌木，其可作為珍稀 瀕危植物中最有資歷的古老孑遺種，屬于植物界的國寶“活化石”。目前在內(nèi)蒙古烏海市集中分布，有1萬hm2左右。主要在5~6 月份開花，7、8 月結果。本研究實驗點位于西鄂爾多斯國家級自然保護區(qū)，為取樣精準合理，選取保護區(qū)內(nèi)5中主要荒漠灌木各50處采樣點，使其均勻分布于研究區(qū)內(nèi)。為了進一步降低誤差，每種植物每組每次采集分別采集10條光譜曲線，共采集30組用于試驗分析。經(jīng)處理后隨機選取10組用于數(shù)據(jù)分析，剩余用來進一步識別精度驗證數(shù)據(jù)正確性，采集的植被樣本統(tǒng)計如表1所示。

表 1采集樣本統(tǒng)計表

當進行光譜數(shù)據(jù)測定時，需要選擇測定時間集中于10：30~14：30 時且天氣晴朗無風、云等條件干擾的情況下進行，避免太陽高度角對目標物反射率產(chǎn)生影響。為了減少誤，我們需要設定好視場角為25°，并且在觀測過程中每隔15min左右需要將白板校準。在測定時，需要將參照白板調(diào)到水平狀態(tài)，測定過程中光譜儀鏡頭距離被 測物以及白板的距離高度達到20cm，根據(jù)需要配備配套光纖探頭，每次測量時被測 樣本必須達到十條數(shù)值，將其平均值作為標準值。在野外測定時，受外界條件的影響有時光譜數(shù)值會產(chǎn)生較大的波動，我們需要經(jīng)過分析將波動性較大的數(shù)值剔除，避免 影響整體數(shù)值。在野外進行光譜測量時，對目標物所測定的值為光譜的反射值，需要進一步將測定值與參照物反射率的比值界定為目標物的相對反射率，如公式(3-1)所示

公式中，Ri表示在波長范圍i處的光譜反射率；Ii是在波段i處的光譜反射量；Ii0是白板（參照板）在波段i處的光譜反射量；ρi表示為波段i處的光譜校正系數(shù)。

2.2.1主要荒漠植物葉片葉綠素含量測定

植物葉片的采集與光譜測定同時進行。以光譜測定植株為依據(jù)，選擇光譜測定范圍內(nèi)各個方向大小均勻葉片采集，結束后將葉片放置于黑暗、低溫條件迅速帶回實驗室進行下一步工作。進行葉綠素測定時，先將葉片用蒸餾水洗凈、擦干，減去葉片主脈部分，剩余部分剪碎混勻，用天平快速稱取0.2g（可根據(jù)實驗含量進行用量增減） 樣品置于25ml試管中，加10ml左右80%無水乙醇溶液，放置在常溫狀態(tài)且避光環(huán)境24h（或 80℃恒溫水浴鍋）直到葉片綠色全部褪去，再向其加入80%無水乙醇定容到25ml，最終溶液為植物葉綠素提取液。將溶液倒入比色皿中，使用紫外分光光度計測定其在663nm,645nm和440nm 波長處的吸光度(A)。計算公式：

由此可得：Chl(Car ) (mg/g)=濃度(mg/L)*提取液體積(ml)/樣品鮮重(g) *1000。

公式中：Chl-a表示葉綠素a含量，Chl-b 表示葉綠素b含量，Chl-ab 表示葉綠 素總含量，Car.表示類胡蘿卜素含量；A440代表440nm處的吸光度，A645代表645nm處的吸光度，A663 代表663nm處的吸光度；再通過計算將色素含量表示為每克葉片 的毫克數(shù)（單位：mg/g）。

結果和分析

3.1 荒漠灌木高光譜特征分析

3.1.1 荒漠灌木葉片色素含量比較

為研究保護區(qū)內(nèi)不同荒漠植物光譜對葉綠素含量變化的響應規(guī)律，對保護區(qū)內(nèi)5種主要荒漠植物葉片進行采集并對其色素含量進行測定，結果如圖2所示，5種荒漠 植物在采樣期間內(nèi)色素含量差異較大，均為葉綠素總量〉葉綠素 a〉葉綠素 b〉類胡蘿卜素。其中蒙古扁桃葉綠素總量最大，達到22%左右，四合木與霸王相對較低，為 10%左右。

圖 2不同荒漠灌木葉片色素含量變化

3.1.2 荒漠灌木光譜特征共性分析

由于自身形態(tài)特征、內(nèi)部細胞構造及葉片結構的特殊性，導致植物顯現(xiàn)出區(qū)別于水體、土壤及其他物體光譜反射率的不同。據(jù)分析得知，植物光譜特征所具備的特殊性不僅與自身生長狀況相關，還很大程度受環(huán)境的影響。正是憑借這些特殊性，所有的地物都應存在各自的特殊光譜曲線；相同，憑借每種植物光譜曲線的特殊性，在 植物特征識別過程中可以通過這些差異性對其進行有效識別，判斷植物生長狀況。圖3是西鄂爾多斯國家級保護區(qū)中主要荒漠灌木與普通綠色植物光譜曲線比較，將荒漠植物光譜曲線經(jīng)過預處理后，發(fā)現(xiàn)其光譜曲線在整個波長范圍內(nèi)與普通綠色植物大致接近，但在可見光波長范圍里表現(xiàn)較強的差異性?；哪参锏墓庾V反射率表現(xiàn) 出較一般植物高的特征。

圖 3荒漠灌木與一般植物光譜比較圖

（1）植物在 400~780nm 的可見光波長區(qū)域內(nèi)，其光譜曲線的走勢大部分受植物體內(nèi)色素含量的多少決定，這其中葉綠素含量起主導性。在此波段范圍內(nèi)植物大部分光被葉綠素吸收導致其反射率較低，當波長達到450nm處的藍光區(qū)域以及650nm的紅光范圍內(nèi)，此波段的光主要都被葉綠素吸收，因此在光譜曲線圖上就會呈現(xiàn)出兩個向下凹陷的強吸收谷，當植物處于這兩個波長范圍的中心點550nm處時，葉綠素就會對植物表現(xiàn)出強反射作用，使其呈現(xiàn)出1個凸起的反射峰，這也就是我們平?？吹降闹参餅槭裁闯尸F(xiàn)綠色的原因。當植物趨近670~760nm波長范圍的近紅外波段，其 光譜特征主要由植物內(nèi)部結構特征顯現(xiàn)，此波段曲線表現(xiàn)為急劇上升趨勢，反射率遠大于可見光波段，相對吸收的較少，這就是我們通常所說的“紅邊”區(qū)域現(xiàn)象。此波段被廣泛用于高光譜特征研究。（2）當植被光譜曲線達到780~2500nm范圍的近紅外波區(qū)域，光譜曲線總體呈現(xiàn)出較高的反射率，只有少量的被吸收。在 800~1300nm的波長區(qū)域范圍，由于植物體內(nèi)水分的吸收作用，導致該波段的光譜曲線總體表現(xiàn)出類似水“波浪”的形態(tài)特征。當曲線達到大于1300nm 的波段區(qū)域，植物的光譜曲線反射率受到葉片含水量的吸收作用，導致其光譜曲線迅速下降，尤其是在 1400nm和1900nm附近的水分強吸收區(qū)域，受到其影響最終形成兩個強吸收谷狀態(tài)。

3.1.3 荒漠灌木原始光譜特征分析

眾所周知，植物光譜曲線大部分是以其特定的細胞結構和分化組織決定，正是這種特殊性對植物生長生存狀態(tài)、周圍環(huán)境產(chǎn)生不可或缺的作用。在可見光波長區(qū)域內(nèi)，各種各樣的色素對光譜曲線起決定性作用，其中葉綠素起主要作用。處于近紅外波長范圍內(nèi)，植物光譜的特殊性主要是受葉片吸收水分的影響，此區(qū)域為水分吸收范圍，水分含量的不均勻性使其表現(xiàn)出現(xiàn)“峰谷”交叉出現(xiàn)特征。5 種荒漠植物原始光譜曲線如下圖 4 所示。

圖 4主要荒漠灌木光譜曲線圖

由圖4可得，5種荒漠灌木反射率在350~2400nm范圍內(nèi)變化趨勢總體一致。按波長的增減趨勢來看，5種荒漠植物的光譜曲線總體呈現(xiàn)“五谷兩峰”狀態(tài)，光譜差異較明顯的區(qū)域主要存在于可見光波長450~650nm內(nèi)的葉綠素強吸收區(qū)域及水分強吸收區(qū)域（980nm，1180nm，1455nm 附近）。在 450nm 波長范圍內(nèi)產(chǎn)生第一個吸收谷，此波段為可見光區(qū)域，因為荒漠植物葉片葉綠素吸收一部分藍光導致的。在 550nm 波長范圍左右光譜曲線呈現(xiàn)第一個峰值，這是主要是植物葉片對綠光吸收較少，形成了強反射導致的，因此，這也是人眼看到的植物是綠色的原因。當光譜曲線出現(xiàn)在680nm范圍左右由于植物色素對紅光 吸收較多引起第 2個吸收谷，當植物曲線處于近紅外波段時，5 種植物均出現(xiàn)較明顯 的上升趨勢，光譜曲線出現(xiàn)“陡坡”狀態(tài)達到“紅邊”區(qū)域。光譜曲線在900nm附近由于植物葉片內(nèi)部結構差異性出現(xiàn)第2個峰值，曲線差異較明顯。在980nm、 1180nm、1455nm波長范圍由于對水分吸收狀況的出現(xiàn)了三個較強吸收谷。由圖5可得五種荒漠植物光譜反射率差異較大的波段有四個：1)550~654nm，反射率為霸王值最大，接著為四合木、沙冬青、蒙古扁桃以及半日花；

2)750nm-1070nm，光譜反射率大小順序為半日花值最大，其次為霸王、蒙古扁桃、沙冬青，四合木最?。?/p>

3)1180nm-1270nm 區(qū)段，此波段順序為半日花依舊最大，接著為蒙古扁桃、沙冬青、 霸王，四合木最?。?/p>

4)1650nm-1790nm 附近，光譜反射順序沙冬青最大，蒙古扁桃、 半日花、霸王次之，最后為四合木?？梢?，不同荒漠植物光譜差異波段主要集中在可見光及近紅外波段，這將為今后利用光譜進行不同荒漠植物識別奠定基礎。

3.1.4 荒漠灌木導數(shù)光譜特征分析

3.1.4.1 主要荒漠灌木一、二階光譜特征分析

如圖 5、6 所示，原始光譜曲線經(jīng)變換得到微分光譜曲線，它能反映出一段時間 范圍內(nèi)植物光譜曲線增減變化速度，作為判斷植物差異的重要依據(jù)。

圖 5荒漠灌木一階微分光譜圖

圖 6荒漠灌木二階微分光譜圖

處于可見光區(qū)域 內(nèi)，5 種植物的光譜反射率隨波長的增加在不斷出現(xiàn)增長趨勢，在 520nm 波長曲線范 圍內(nèi)表現(xiàn)出對葉綠素弱反射強吸收能力，對比圖可得出，霸王以及半日花出現(xiàn)出綠光的強反射能力。四合木和沙冬青對綠光反射能力較弱。植物光譜反射率在 720nm 附近增速的快慢表示“紅邊效應”的強弱，圖中霸王、半日花和蒙古扁桃在“紅邊”范圍內(nèi) 光譜反射率增速較快，而四合木和沙冬青增速較慢。5 種植被一階微分光譜曲線出現(xiàn)正負值交替出現(xiàn)，查閱資料得知值為負時表示此 區(qū)域反射率呈現(xiàn)減速，本實驗通過分析得知植物在 1100nm 和 1350nm 波長范圍植物 的光譜值降低最大。但變化幅度較小，1100nm 附近半日花和四合木光譜反射率減速達到最大，1350nm 附近半日花和霸王光譜反射率減速達到最大。

3.1.4.2 主要荒漠植物光譜特征參數(shù)分析

三邊參數(shù)是一階導數(shù)變換之后反映植物某些波段特征的指標參數(shù)，同時也是植物不同于其它地物以及區(qū)分彼此之間差異的指標參數(shù)，通對保護區(qū)五種荒漠植物三邊參數(shù)進行統(tǒng)計，以期更準確的區(qū)別它們導數(shù)光譜數(shù)據(jù)間的差異及變化特征，結果如表 2 所示。

表 2 保護區(qū)主要荒漠灌木三邊參數(shù)統(tǒng)計表

經(jīng)過對表 2 分析，5種主要荒漠灌木紅邊幅值總體差異較大，半日花(0.902)〉蒙古扁桃(0.556)〉霸王(0.468)〉四合木(0.396)〉沙冬青（0.281），其中半日花較其他值最明顯，其余 4 種差異較小。對于藍邊幅值Db來說，霸王(0.259)〉半日花(0.159)〉蒙古扁桃(0.112)〉四合木 (0.092)〉沙冬青（0.073），其中霸王的數(shù)值偏大，最大值（霸王）與最小值（沙冬 青）相差約 0.186；5 種植物黃邊幅值總體呈現(xiàn)為：霸王(0.098)〉四合木(0.046)〉沙冬青(0.042)〉蒙 古扁桃(0.038)〉半日花（0.019），五種荒漠植物中，霸王黃邊幅值最大且為正值， 相比較前面兩種參數(shù)，黃邊幅值 Dy 的差異還是很大的，霸王與其他 4 種相比差異較大。對于三邊面積來說，五種荒漠植物的紅邊面積 SDr 為半日花(38.662)〉霸王 (29.902)〉蒙古扁桃（26.187）〉四合木（17.872）〉沙冬青（12.377），從結果看區(qū)分較明顯；藍邊面積 SDb 中，霸王數(shù)值為 7.121，半日花值為 4.430，剩余三種植被均小于 4，霸王和半日花較易與其他三種植物區(qū)分開；五種荒漠植物的黃邊面積 SDy 中，其中最大的是半日花為 1.810，最小為四合木 0.480，五種荒漠植物數(shù)值差異不大。在分析植物光譜曲線時，三邊位置（紅黃藍）中紅邊為參與討論最多，經(jīng)過計算得出 5 種植物紅邊位置呈現(xiàn)為：沙冬青(720nm)＝霸王（720nm）〉半日花(719nm)〉 四合木(719nm)〉蒙古扁桃(718nm)，五種荒漠植物沙冬青和霸王紅邊位置相近，半日 花和四合木紅邊位置相近。在分析實驗結果過程中得知，植物在生長過程中由于自身條件、環(huán)境因素、季節(jié)狀況以及病蟲害的影響，植物的葉片顏色會展現(xiàn)不同狀態(tài)，導致 WPr 變現(xiàn)為“藍移”狀態(tài)；在生長旺盛期，植物體內(nèi)含量養(yǎng)分充足，葉綠素增大， WPr 會向近紅外波段移動。在 WPr 移動的過程中我們發(fā)現(xiàn) 5 種植物都存在藍移趨勢， 猜測主要是受土壤等環(huán)境因子所導致的，藍邊位置 WPb 中，5 種植被曲線大致集中 在 550nm 范圍，差異較小，而在黃邊位置中，與藍邊位置相似，五種荒漠植被霸王 (678nm)、沙冬青(676 nm)、半日花(674nm)、蒙古扁桃（673nm）及四合木（673nm），基本無差別，區(qū)分不太明顯。

3.1.4.3 主要荒漠植物植被指數(shù)變化特征

表 3保護區(qū)主要荒漠灌木植被指數(shù)

由表 3 可以看出 5 種荒漠灌木DVI值明顯高于其它指數(shù)，且在 10~40之間；NDVI值在0.1~0.8之間；SAVI值0.1~0.6 之間；RVI 值 1~3；RDVI 值 2.3~7.6。NDVI 值最 大值為半日花，其次為蒙古扁桃、霸王、四合木、沙冬青；DVI 值最大為半日花，接 著依次為霸王、蒙古扁桃、四合木、沙冬青；RVI 值半日花最大，蒙古扁桃、霸王、 四合木、沙冬青次之；DVI 值中半日花最大，最易區(qū)分，蒙古扁桃、霸王、四合木、 沙冬青依次排列；SAVI 值從大到小順序為半日花〉蒙古扁桃〉霸王〉四合木沙冬青（表 3）。在荒漠植被中 5 種荒漠植物指數(shù)值都最大的是半日花，其次是蒙古扁桃、霸王、 四合木，沙冬青值最小。

3.1.5 荒漠灌木倒數(shù)對數(shù)光譜特征分析

將 5 種荒漠植物原始光譜曲線經(jīng)過計算變換得到植物的倒數(shù)對數(shù)光譜曲線，如圖 7 所示，經(jīng)分析可得出植物導數(shù)曲線較原始光譜比較，各波段差異性更加明顯。在可見光 400~780nm 波長范圍，由原始光譜“兩谷一峰”倒置為現(xiàn)在的“兩峰一谷”狀態(tài)。在 此波段區(qū)域中，半日花的倒數(shù)值最大，四合木值最小，根據(jù)光譜值差異性可以區(qū)分兩者。當?shù)箶?shù)光譜處于“紅邊”狀態(tài)時，光譜曲線與原始光譜相比也呈現(xiàn)相反狀態(tài)，之前上升與下降趨勢倒置，此波段變換后光譜較難辨別5種植物。在近紅外波段1450~1750nm 范圍內(nèi)，依舊出現(xiàn)曲線倒置現(xiàn)象，此波段主要受植物葉片對水分吸收的 影響致使反射率降低，在此波段范圍內(nèi)四合木和半日花差異較大不易區(qū)分，而蒙古扁桃、沙冬青、霸王光譜曲線差異較小不易分別。

圖 7荒漠灌木倒數(shù)對數(shù)光譜圖

為了找出5種荒漠植物之間的差異性，更好的辨別其特征，將 5 種植物光譜曲線差異較大范圍值進行統(tǒng)計，計算結果如圖 8。分析曲線值可得5種植物在“峰谷最值”差異性較大。當曲線在藍峰 max值中，沙冬青與霸王值與其他差別較大，半日花、 四合木較接近不易分辨，蒙扁的值最小。而紅峰 max 值中，半日花值相對高，剩余4種植物依次為沙冬青、蒙扁、霸王四合木。對于綠谷 min值來說蒙古扁桃、半日花和四合木值較容易辨別，霸王值表現(xiàn)為最大，蒙扁最小，其余差異較小。

圖 8主要荒漠灌木“兩峰一谷”最值圖

3.1.6 荒漠灌木去包絡線光譜特征分析

如圖9所示，植物光譜曲線的包絡線去除通過遙感處理軟件完成，通過軟件處理將5種植被曲線統(tǒng)一到同一個背景下進行歸一化處理突出植物的典型特征，為提取荒漠植物光譜敏感波段提供基礎依據(jù)。通過圖7與圖9比較可得包絡線去除后，450nm-650nm附近的葉綠素吸收谷和 980nm,1180nm,1455nm 附近水分吸收谷位置并未表現(xiàn)出明顯的變化；對比未處理前光譜曲線，其水分吸收谷趨勢更加明顯；處于 550~730nm 波長范圍中，植物對水分的 吸收達到最大；920~1080nm 范圍內(nèi)，植物對水分的吸收減弱。分吸收強度大小序為：

1280nm~1650nm>1070nm~1275nm>920nm~1080nm。當曲線處于980nm左右 時，5種植被對水分吸收的多少表現(xiàn)為：沙冬青最大，霸王、蒙古扁桃、半日花和四合木次之。當光譜曲線在1180nm波長范圍中，5種植物吸收谷狀態(tài)變現(xiàn)為：沙冬青 最明顯，其次為蒙古扁桃、霸王、半日花以及四合木。光譜曲線處于1455nm左右時5種植被水分吸收谷的狀態(tài)表現(xiàn)為：沙冬青較四合木、霸王、蒙古扁桃、半日花明顯， 進而分析得出荒漠植物光譜曲線與含水率增大呈現(xiàn)一致趨勢，表現(xiàn)出明顯的響應規(guī)律性。

圖 9 主要荒漠灌木去包絡線光譜圖

3.1.7 討論

通過保護區(qū)內(nèi) 5 種主要荒漠植物光譜曲線及微分變換曲線分析得知：（1）保護區(qū)中5種主要荒漠植物與一般綠色植物光譜曲線相比，經(jīng)過預處理后的荒漠植物曲線在整個波長范圍內(nèi)仍具有一般植被的光譜曲線趨勢，但在可見光波長 范圍里表現(xiàn)較強的差異性?；哪参锏墓庾V反射率表現(xiàn)出較一般植物高的特征。

（2）將光譜曲線分析發(fā)現(xiàn)5種植物光譜曲線差異較明顯區(qū)域位于可見光及近紅 外波長范圍，具體表現(xiàn)為：550~654nm，反射率為霸王值最大，接著為四合木、沙冬青、蒙古扁桃以及半日花；750nm~1070nm，光譜反射率大小順序為半日花〉霸王〉 蒙古扁桃〉沙冬青〉四合木；1180nm~1270nm 區(qū)段，順序為半日花〉蒙古扁桃〉沙 冬青〉霸王〉四合木；1650nm~1790nm 區(qū)段，光譜反射順序為沙冬青〉蒙古扁桃〉 半日花〉霸王〉四合木。

（3）5 種主要荒漠植物經(jīng)過一二階光譜曲線求導變換，經(jīng)分析可看出可見光波段，霸王和半日花對葉綠素吸收較弱，呈現(xiàn)較強的反射能力，沙冬青和四合木則表現(xiàn) 出較弱的反射性。光譜曲線在“紅邊”波段內(nèi)霸王、半日花和蒙古扁桃反射率呈現(xiàn)出 較快的增長趨勢，沙冬青、四合木較弱。在 1100 和 1350nm 的近紅外波段范圍，植 物光譜反射曲線出現(xiàn)下降趨勢，幅度較?。?100nm 范圍附近半日花和四合木下降趨 勢較大，1350nm 左右半日花和霸王出現(xiàn)較大下降趨勢。（4）通過三邊參數(shù)特征分析得出：5 種荒漠植物三邊位置（藍、黃、紅）曲線 大致相同，紅谷與綠峰的值基本一致差異不大，而植物三邊斜率以及面積值則表現(xiàn)出 較大的差別；在植被指數(shù)計算中發(fā)現(xiàn) 5 種植物 DVI 值較其他指數(shù)差異較大，易于區(qū) 分。但總體差異穩(wěn)定在 10~40 的區(qū)間范圍內(nèi)；NDVI 值在 0.1~0.8 之間；SAVI 值 0.1~0.6 之間；RVI 值 1~3；RDVI 值 2.3~7.6。在荒漠植被中 5 種荒漠植物指數(shù)值都最大的是 半日花，其次是蒙古扁桃、霸王、四合木，沙冬青值最小，可用于區(qū)分不同植被。

（5）通過對植物的倒數(shù)對數(shù)光譜曲線分析得出：植物導數(shù)曲線比原始光譜各波 段差異性更加明顯。在可見光 400~780nm 波長范圍，由原始光譜“兩谷一峰”倒置為 現(xiàn)在的“兩峰一谷”狀態(tài)。在此波段區(qū)域中，半日花與四合木的值根據(jù)光譜值差異性較 易區(qū)分。當?shù)箶?shù)光譜處于“紅邊”狀態(tài)時，光譜曲線與原始光譜相比也呈現(xiàn)相反狀態(tài)， 但此波段變換后光譜較難辨別5種植物。在近紅外波段 1450~1750nm 范圍內(nèi)，依舊 出現(xiàn)曲線倒置現(xiàn)象，四合木和半日花差異較大不易區(qū)分，而蒙古扁桃、沙冬青、霸王 光譜曲線差異較小不易分別。（6）為了找出5種荒漠植物之間的差異性，更好的辨別其特征，將5種植物光 譜曲線差異較大范圍值進行統(tǒng)計，分析曲線值可得 5種植物在“峰谷最值”差異性較大。當曲線在藍峰 max 值中，沙冬青與霸王值與其他差別較大，半日花、四合木較 接近不易分辨，蒙扁的值最小。而紅峰 max 值中，半日花值相對高，剩余 4 種植物依次為沙冬青、蒙扁、霸王四合木。對于綠谷 min 值來說蒙古扁桃、半日花和四合木值較容易辨別，霸王值表現(xiàn)為最大，蒙扁最小，其余差異較小不易區(qū)分。

（7）將荒漠植物進行包絡線去除后，450nm-650nm附近的葉綠素吸收谷和980nm,1180nm,1455nm 附近水分吸收谷位置差異性較小，總體呈現(xiàn)相近趨勢；但對比 未處理前光譜曲線，其水分吸收谷趨勢更加明顯；550~730nm 波長范圍中，植物對水 分的吸收達到最大；9920~1080nm 范圍內(nèi)，植物對水分的吸收減弱。水分吸收強度大 小順序為：1280nm~1650nm>1070nm~1275nm>920nm~1080nm。光譜曲線處于 1455nm 左右時 5 種植被水分吸收谷的狀態(tài)表現(xiàn)為：沙冬青值最大，四合木、霸王、蒙古扁桃、 半日花次之，進一步分析得出荒漠植物光譜曲線與植物含水率增大呈現(xiàn)出一致的趨勢，具有明顯響應規(guī)律性。

結論

（1）荒漠植物作為荒漠生境中不可或缺的部分，了解其光譜特征不僅對荒漠區(qū) 植物多樣性保護及區(qū)域內(nèi)荒漠植物生長及恢復具有重要的作用，還能對而且荒漠植物 的高光譜遙感識別提供基礎支撐。

（2）目前，高光譜遙感具備在不破壞植物的前提下能夠精準提取波段信息技術，被高 度應用于植物技術識別研究。近年來高光譜遙感技術被應用于林業(yè)研究中，與其他技 術相比較而言，高光譜數(shù)據(jù)具有分辨率高、較準確的特點。它對于各個專業(yè)領域有著 不可或缺的幫助。因此，將實測高光譜數(shù)據(jù)與遙感高光譜勢在必得。

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審核編輯黃宇