阿拉善左旗地处贺兰山西麓, 地理范围103° 21'-106° 51' E, 37° 24'-41° 52' N, 总面积为80 412 km²。地势东南高西北低, 海拔800~1 500 m, 区域内山脉高耸、丘陵起伏、沙漠连绵, 地貌类型多种多样。气候属典型的大陆性气候, 年降水量80~220 mm, 年平均气温7.2 ℃。植被分布具有明显的地带性规律, 从东南向西北依次为草原化荒漠带、典型荒漠带和极寒荒漠带^[17], 土壤为灰漠土和风沙土。根据《阿拉善左旗志》, 该区域内可利用天然草地面积约50 000 km², 占全旗总面积的62.8%。

光谱试验样区位于阿拉善左旗境内腾格里沙漠的南缘, 地理位置37° 51'13.553″ N, 104° 44'3.121″ E。植物组成以旱生、超旱生的灌木和半灌木为主, 主要植物有牛心朴子、毛瓣白刺、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、刺叶柄棘豆(Oxytropis aciphylla)、霸王(Sarcozygium xanthoxylon)、沙葱(Allium mongolicum)等。区域内植被覆盖度整体较低, 为3%~23%, 平均盖度10%~15%。

图1

Fig.1

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	图1 试验区位置图Fig.1 Location of test site

野外光谱数据采集利用美国ASD公司生产的FieldSpec^® 4 HI-RES地物光谱仪, 光谱范围350~2 500 nm, 波长精度± 0.5 nm, 光谱采样间隔0.1 nm, 光谱分辨率3 nm@700 nm, 8 nm@1 400 & 2 100 nm, 探测镜头采用25° 视场角。野外采集的光谱主要包括:1)牛心朴子花和叶片光谱; 2)牛心朴子群落样方光谱; 3)牛心朴子及沙地主要植物的冠层光谱。牛心朴子花和叶片光谱采用叶片夹采集, 测量时使被测目标均匀布满整个镜头, 每次采集10条光谱, 重复3个样本, 求平均值作为该样本的反射光谱值。在光谱测试样地选取不同盖度的牛心朴子群落, 布设大小为1 m× 1 m的样方, 测量时探头距样方高度2.2 m, 获取牛心朴子-沙地混合光谱, 同时垂直向下拍照获取样方盖度照片, 冠层光谱采集时探头与植株冠层相距10 cm左右。数据采集前用参考白板对光谱仪进行校准和优化, 测量过程中探头垂直向下对准被测目标中心, 120° 旋转光谱仪探头进行3次测量, 求平均值作为该样方或植株冠层的反射光谱值。

在试验区内随机选取21个牛心朴子样方进行光谱测量, 对样方盖度照片进行几何校正和裁剪, 使用格网法估算样方盖度, 此过程结合ArcGIS 10.2的几何校正(spatial adjustment)、裁剪(clip)和鱼网(fishnet)等工具完成(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 牛心朴子样方盖度解译Fig.2 Coverage interpretation of Cynanchum komarovii quadrat

研究中使用ViewSpec Pro 6.0软件对实测光谱数据进行预处理, 筛选并剔除异常值。在Origin Pro 9.0软件中, 采用平滑(smooth)工具, 选择移动窗口多项式拟合平滑法(Savitzky-Golay)对原始光谱曲线进行降噪处理; 采用微分(differentiate)工具计算沙地主要植物冠层光谱及牛心朴子样方的一阶微分光谱; 利用线性拟合(linear fit)工具对牛心朴子群落光谱特征参量与样方盖度进行线性回归分析。

2.1.1 叶片和花的光谱特征 牛心朴子叶片呈墨绿色, 花为靛青色。牛心朴子叶片具有绿色植物的典型光谱特征, 在可见光和近红外波段(VIR-NIR, 350-1 100 nm), 由于叶绿素在蓝光和红光波段的吸收作用^[18], 在410和670 nm附近出现吸收谷, 在550 nm处出现反射率为0.13的反射峰; 在700-750 nm处反射率急剧增高, 在750-1 100 nm高反射平台的反射率均为0.7(图3)。牛心朴子花的反射光谱未出现明显的蓝谷, 由于花青素在绿光波段的吸收率高^[19], 其绿峰并不明显; 在640 nm处出现反射率为0.1的微弱反射峰, 并在670 nm附近出现吸收谷; 在700-1 100 nm花的反射光谱曲线与叶片相似, 均在970 nm附近出现明显的水分吸收深谷, 由于叶片表面蜡质^[20]的反射作用, 在该区间叶片明显高于花的反射率。在短波红外波段(SWIR, 1 100-2 500 nm), 水分吸收主导叶片与花的光谱反射特性, 两者在1 200、1 450和1 930 nm附近出现强烈的水分吸收深谷, 在吸收谷之间形成了1 270、1 670和2 220 nm附近的反射峰。在整个350-2 500 nm波段内, 牛心朴子叶片的光谱反射率均高于花的反射率。

图3

Fig.3

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	图3 牛心朴子叶片和花的反射光谱Fig.3 Reflectance spectra of the leaf and flower of Cynanchum komarovii

2.1.2 冠层光谱特征 在低植被覆盖区, 土壤背景是冠层光谱的重要影响因素。研究区内牛心朴子群落结构单一, 沙地背景对冠层光谱的影响剧烈(图4)。牛心朴子植株冠层光谱是沙地与牛心朴子叶片光谱的综合表征, 长势越弱沙地背景的光谱特征越突出。在VIR波段(350-700 nm), 随着长势变弱, 植株盖度降低, 冠层光谱的蓝谷、红谷和绿峰等绿色植被特征减弱或消失, 反射率整体升高(图5)。其中, 长势最差、盖度最低的样本3与沙地的反射光谱曲线最接近。在NIR波段(700-1 100 nm), 沙地背景使冠层光谱的红边斜率降低, 在970 nm处的水分吸收谷消失, 750-1 100 nm的高反射率有明显下降, 样本3与沙地的反射率几乎一致。在SWIR波段(1 100-2 500 nm), 牛心朴子光谱对沙地背景的影响更敏感, 不同长势牛心朴子的冠层光谱均与沙地的光谱曲线形状一致, 并出现沙地特有的1 800-1 900 nm尖锐反射峰; 随着长势减弱反射率明显升高, 冠层光谱在1 200、1 450 nm处的水分吸收谷及在1 270、1 670 nm处的反射峰均逐渐减弱。与盖度较高的样本1和2相比, 低盖度的样本3反射率在该区间有明显上升。总体来看, 在800-1 300 nm沙地对冠层光谱的影响稍弱, 冠层光谱主要取决于样本冠层结构的差异^[21]。

图4

Fig. 4

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	图4 不同长势牛心朴子样本 注:样本1、样本2和样本3分别表示株高为38、25和10 cm的牛心朴子植株。Fig. 4 Plants of Cynanchum komarovii with different growing situation Note: Sample 1, sample 2 and sample 3 represent the plants of Cynanchum komarovii with the height of 38, 25 and 10 cm, respectively.

图5

Fig. 5

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	图5 不同长势牛心朴子样本与沙地的反射光谱曲线Fig. 5 Reflectance spectra of sand and Cynanchum komarovii plants with different growing situation

2.2.1 叶片光谱的差异特征 研究区6种主要沙地植物的叶片反射光谱曲线波形相似, 均符合绿色植物光谱规律。由于叶绿素含量及细胞结构的不同, 各种沙地植物叶片在整个350-2 500 nm的反射率值有所变化(图6)。牛心朴子与其它5种沙地植物的反射光谱具有一定的差异性。在350-700 nm, 沙冬青叶片绿中带白, 反射率最高, 牛心朴子叶片呈深绿至墨绿色, 反射率最低, 反射率大小依次为沙冬青> 刺叶柄棘豆> 毛瓣白刺> 霸王> 沙葱> 牛心朴子。在800-1 300 nm, 沙葱的反射率明显偏低, 牛心朴子与其它4种沙地植物的反射光谱曲线趋近而有所混杂。在1 400-2 500 nm, 沙冬青反射率最高, 沙葱最低, 反射率差异在以1 650和2 200 nm为中心的反射峰附近最为突出, 反射率从高到低依次是沙冬青> 刺叶柄棘豆> 毛瓣白刺> 牛心朴子> 霸王> 沙葱。因此, 牛心朴子叶片在350-700 nm的最低反射率是其区别于其它5种沙地植物的最明显特征。虽然牛心朴子叶片在该区间的反射率与沙葱叶片相近, 但沙葱叶片呈半圆柱状至圆柱状, 群落分布和形态结构^[22]与牛心朴子差异较大。以上特征为区分牛心朴子与其它沙地植物群落提供了波段参考。

图6

Fig.6

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	图6 沙地主要植物的叶片光谱Fig.6 Leaf spectra of the main psammophyte plants

2.2.2 冠层光谱的差异特征 研究区内主要沙地植物的冠层反射光谱及其一阶微分光谱如图7所示, 各种沙地植物冠层盖度均在40%~60%。结合图6可知, 受沙地背景影响, 沙地植物冠层反射率普遍低于其叶片反射率。在VIR-NIR波段, 蓝谷消失, 红谷和绿峰受到不同程度的削弱。除刺叶柄棘豆外, 其它沙地植物在350-700 nm的反射率均小于0.2, 同时800-1 100 nm的高反射平台均明显降低。在SWIR波段, 冠层光谱均呈现沙地反射光谱的尖锐反射峰, 叶片光谱呈现的水分吸收特征减弱, 吸收谷深度减小。

图7

Fig.7

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	图7 主要沙地植物冠层反射光谱及其一阶微分Fig.7 Reflectance and first derivative spectra of the main psammophyte plants

刺叶柄棘豆的叶片退化为针刺, 吸收和反射较少, 其冠层光谱基本与沙地反射光谱曲线一致(图7), 与其它沙地植物差别较大; 其在VIR-NIR波段的350-700 nm反射率明显偏高且在800-1 100 nm未出现反射率平台, 在SWIR波段的1 400-2 500 nm反射率亦明显高于其它沙地植物群落。在整个350-2 500 nm内, 牛心朴子与毛瓣白刺、沙冬青、霸王和沙葱的冠层光谱反射特征相似, 但在800-1 400 nm具有最高的反射率, 且在1 086 nm附近出现反射峰值, 与其它沙地植物具有明显的差异。

牛心朴子的红边斜率明显大于其它沙地植物, 这是一阶微分光谱曲线上最明显的特征。此外, 不同沙地植物的一阶微分光谱在560、1 140和1 400 nm附近波段表现出了较大差异, 1 400 nm之后的一阶微分光谱扰动较大。因此, 牛心朴子冠层在800-1 300 nm的最高反射率和最大的红边斜率构成了其区别于其它沙地植物的明显特征。

2.3.1 牛心朴子群落样方光谱特征 对于牛心朴子分布区域来说, 遥感影像的每个像元反映的是牛心朴子— 沙地的混合光谱信息, 不同盖度牛心朴子群落的光谱变化规律及其与沙地背景的光谱差异是牛心朴子遥感识别的重要依据。图8显示了牛心朴子群落样方的反射光谱变化特征:1)在VIR-NIR波段的350-780 nm、SWIR波段的1 100-1 800和1 900-2 400 nm, 牛心朴子样方反射率随盖度增加而逐渐降低, 与沙地背景的差异性增强。2)不同盖度的牛心朴子样方在600-700、1 450-1 800和1 950-2 200 nm的反射率差异明显, 最大差异位置为680和1 670 nm。3)盖度在10%以上的牛心朴子样方光谱曲线在近红外波段出现反射平台, 红谷出现在680 nm处, 水分吸收谷的对应波长位置在970、1 200、1 420和1 860 nm附近。

牛心朴子样方一阶微分光谱的变化规律如图8所示:1)不同盖度牛心朴子样方的光谱变化特征在一阶微分光谱曲线上得到强化, 差异更加明显; 2)不同盖度牛心朴子样方一阶微分光谱在可见光波段形状相似, 红边位置集中在725 nm波长处, 红边斜率随盖度的增加而明显变大; 3)不同盖度牛心朴子样方的一阶微分光谱在500-600、680-760以及1 350-1 450 nm这3个范围内差异明显, 最大差异位置为560和725 nm。

图8

Fig. 8

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	图8 不同盖度牛心朴子样方反射光谱与一阶微分Fig. 8 Reflectance and first derivative of Cynanchum komarovii quadrats spectrum with different coverage

2.3.2 牛心朴子群落盖度光谱特征参量 不同盖度牛心朴子样方的最大光谱差异体现在反射光谱的680和1 670 nm以及光谱一阶微分的560和725 nm处, 结合牛心朴子与其它沙地植物的光谱差异特征分析结果, 选择这4个光谱位置作为特征参量, 分别对其与牛心朴子样方盖度进行线性回归分析, 进一步探讨4个特征参量对牛心朴子群落盖度的敏感性。其中, R₆₈₀、R_{1 670}和FDR₅₆₀、FDR₇₂₅分别表示680、1 670 nm处的反射率值及560、725 nm处的一阶微分光谱值。

4个特征参量与牛心朴子样方盖度之间具有很好的线性关系(图9), 决定系数R²均大于0.50, 最大为0.781 5。R²依次为FDR₇₂₅> FDR₅₆₀> R₆₈₀> R_{1 670}, FDR₇₂₅即红边斜率, 说明红边斜率对牛心朴子群落盖度的变化最为敏感。一阶微分光谱的两个特征参量与牛心朴子样方盖度进行回归分析的R²均优于光谱反射率的两个特征参量, 其中, 利用FDR₇₂₅进行牛心朴子群落盖度反演的效果最好。因此, 可以利用特征参量FDR₇₂₅(红边斜率)构建的线性回归方程对牛心朴子群落盖度进行定量反演。

图9

Fig. 9

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	图9 牛心朴子样方盖度与光谱特征参量的回归分析 注:* 表示相关性分析通过(α =0.05)显著性检验。Fig. 9 Regression analysis between coverage of Cynanchum komarovii quadrats and feature parameter Note:* , The correlation analysies passed through the significant test(α =0.05).