新疆三種主要草地植被類型的高光譜反射特征研究

楊紅飛，李建龍＊，穆少杰，楊齊，胡瀟瀟，金國平，趙萬羽

（1.南京大學生命科學學院，江蘇 南京210093；2.中國環境監測總站，北京100012；3.新疆阜康市畜牧局草地站，新疆 阜康831500；4.中國科學院新疆生態與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011）

＊草地是世界最廣布的植被類型之一，是陸地生態系統的重要組成部分［1］。在全球變化研究中占有重要地位。草地資源也是中國陸地上最大的生態系統，對發展畜牧業、保持水土和維護生態平衡有著重大的作用和價值［2］。近年來，草地荒漠化、沙化等草地退化問題越來越嚴重，加強草地資源的監測已成為草地工作者關注和研究的熱點問題之一。但傳統的監測手段費時費力，且難以大面積開展。隨著高光譜技術的發展，為草地監測提供了新手段。分析地物光譜反射特性不僅有助于區分草地類型，進行草地動態監測，而且還可為衛星數字資料進行計算機處理提供重要信息［3］。目前國內許多學者對不同草地類型進行了光譜觀測和分析研究，例如張凱等［2］對甘肅省2種主要草地類型的光譜反射特征進行了研究，結果表明，在可見光波段，荒漠草甸植被的冠層光譜反射率要高于高寒草甸植被，在近紅外波段剛好相反；娜日蘇等［4］對內蒙古退化草甸草原近地面光譜特征進行了初步研究，得出草甸草原植物群落的光譜反射曲線在可見光波段具有明顯的峰谷特性，其光譜反射率隨退化程度的加深而增強；陳功和王建偉［5］研究了封育條件下草地反射光譜特征，對草地地上生物量進行了估測，并篩選可用于草地地上生物量估測的植被指數；劉睿等［6］對中國北方草地覆被的HJ星NDVI進行了校正研究，并通過野外實測光譜數據計算等效NDVI對研究結果進行驗證，結果表明，HJ星4部CCD傳感器間獲取的NDVI差異能夠達到5%。新疆草地是我國草地重要組成部分，草地退化現象日趨嚴重，同時，隨著全球氣候變化的影響，草地作為碳源還是碳匯，其對氣候變化產生什么樣的影響等問題逐漸成為全球變化研究的熱點區域［7，8］。

高光譜遙感作為一種簡便、快速、非破壞性、大尺度的遙感技術，可以用于天然草地植被的種類識別和動態監測中。而對于新疆草地來說，其主要草地類型分布廣，面積大，對新疆草地植被的光譜特征的分析研究，對研究新疆不同草地植被的覆蓋度、植被分類、植被的計算機識別和自動提取、植被調查和典型草地的生態環境調控及演變、遙感反演等都具有重要的意義。

為了探索高光譜遙感在新疆草地分類、變化監測等方面的應用，在位于西北干旱內陸區的阜康選擇了干旱荒漠草甸、蒿屬荒漠類草甸和低地山地草甸3類草地進行地面光譜測定，對這3種草地類型的光譜變量特征及其差異性進行了對比分析和研究，探討利用遙感技術區分草地類型的可行性，揭示干旱荒漠草甸植物群落間光譜反射的差異性，為草地資源動態遙感監測提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域選在新疆維吾爾自治區阜康市。阜康市位于新疆維吾爾自治區昌吉回族自治州境內，地處天山東段（博格達山）北麓、準噶爾盆地南緣，位于東經87°46′～88°44′，北緯43°45′～45°30′，山地平原植被垂直帶完整。土壤類型多樣，草地資源類型廣泛。阜康市四季分明，光照充足，熱量豐富。境內隨地貌單元的變化，溫度差異明顯，大致分為南部山區、中部平原和北部沙漠3個氣候區。在研究區域的選擇上具有代表性和典型性。

本研究于2011年6月底7月初，選擇了該區域的3種典型草原植被類型（干荒漠草甸，蒿屬荒漠類草甸，低地山地草甸）進行實地光譜測量、采樣和分析。

1.2 儀器與方法

1.2.1 測定儀器與測定方法 光譜測量采用美國ASD公司生產的FieldSpec FR型便攜式地物光譜儀（ASD，FieldSpec FR，384.3～1 075 nm內512通道）。本研究只取400～1 000 nm內光譜，光譜間隔約為1.3 nm。為消除環境因素的影響，如光照、云等，野外地物光譜測試選擇在晴朗天氣進行，無風或微風天氣下（具體日期為2011年6月19－27日），時間控制在11：00－13：00（北京時間）。光譜測量時儀器探頭垂直向下，與待測牧草和參考白板距離都保持100 cm左右（白板面積約為20 cm×20 cm，探頭視場角3°）。為減小隨機誤差影響，對每一目標的光譜測量記錄重復10次，取均值作為該植被的反射光譜；同時為減少大氣變化給觀測造成的不利影響，牧草與參考白板測量要交替進行。由于野外光譜儀測量時受環境影響較大，因此對測得的原始光譜數據進行了篩選，去除了其中無效的數據，最后對所獲得的數據在EXCEL中分析處理。除光譜測量外，記錄樣點地理坐標，采集實地照片。

1.2.2 導數光譜計算方法 為消除土壤背景和儀器噪聲等對草地光譜特征產生的影響，變非線性關系為線性關系，常對原始反射率作倒數、平方根、對數、倒數的對數、一階導數和二階導數的變換［9］，這樣可以使草地植被光譜的變化特征較清晰的反應出來。本研究采用一階導數和二階導數分析方法對不同草地類型植被的紅邊參數特征進行分析。

一階導數光譜表達式為

二階導數光譜表達式為

式中，λi為波段i的波長值；ρ（λi）為波長λi的反射率；ρ（λi＋1）為波長λi＋1的反射率；ρ（λi－1）為波長λi－1的反射率；Δλ為波長λi－1到λi的間隔；ρ（λi＋2）為波長λi＋2的反射率；ρ（λi－2）為波長λi－2的反射率；ρ′（λi）為i波段的一階導數光譜值；ρ″（λi）為i波段的二階導數光譜值。

2 結果與分析

2.1 不同草地類型植被的反射光譜特征

圖1 3種草地類型的冠層光譜曲線Fig.1 Canopy spectral curves of three grassland types

圖1對比分析了3種草地類型植被的冠層光譜曲線，3類草地的光譜曲線走向趨勢大體相同，主要表現為，葉綠素強烈吸收藍光和紅光，在480 nm可見光波段和680 nm左右的藍光和紅光區形成吸收谷，分別稱為“藍谷”和“紅谷”，反射率一般為0.05～0.15和0.05～0.25；對綠光吸收較弱，在藍谷和紅谷之間出現反射峰（綠峰），峰頂位于550 nm附近，反射率一般為0.075～0.200；在近紅外波段呈現強烈的反射，從700 nm到760 nm光譜反射值隨波長的增加而急劇升高，在680～760 nm光譜區間急劇上升，形成一個反射陡坡，稱為“紅邊”［10］，“紅邊”的位置、高度和斜率會因植被的不同及同一植被不同生長狀況而存在差異［11］。在符合植被的一般光譜特性的同時，不同植物群落的光譜反射率曲線之間又存在著明顯的差異，這與植物的類型、葉片的形狀、葉綠素和水分的含量及葉片結構等因素有關。如圖1所示，在400～750 nm可見光波段，干荒漠類草甸植被（角果黎Ceratocarpusarenarius、白蒿Artemisiasieversianae、紅砂Reaumuriasoongorica、梭梭Haloxylonammodendron），除角果黎外，其冠層反射率要低于低地山地草甸（博洛塔絹蒿Seriphidiumborotalense、苔草Carexliparocarpos）和蒿屬荒漠草地（伊犁絹蒿Seriphidiumtransiliense、駱駝蓬Peganumharmala）。由于紅砂和梭梭高而茂盛，地面生物量大，相對葉綠素含量較高，從而導致其冠層反射率比低地山地草地和蒿屬荒漠草地冠層反射率低。而角果黎由于其植被低而稀疏，地面生物量低，葉綠素和水分含量低，導致與其他類型植被相比反射率偏高。從760 nm開始，光譜反射值緩慢增加，形成了一個較高的相對穩定的反射平臺，這是植物葉內部組織結構（細胞結構）多次反射、散射的結果，主要由生物量、葉面積指數等決定。

葉綠素是主要吸收光能的物質，直接影響到植物光合作用的光能利用，葉綠素含量越低，藍、紅波段吸收減弱，可見光波段反射率升高，近紅外反射率減弱，反之葉綠素含量越多，藍、紅波段吸收增強，可見光波段反射率降低，近紅外反射率增強。在750～1 000 nm近紅外波段，角果黎（干荒漠類草甸）、駱駝蓬（蒿屬荒漠）、梭梭（干荒漠類草甸）冠層光譜反射率明顯高于低地山地草甸植被和部分蒿屬荒漠草甸植被，例如梭梭在近紅外區的最大值為0.290 1，而苔草為0.265 3，主要是由于梭梭的生物量和冠層結構密度要高于苔草，對近紅外線的反射強烈。

2.2 相同草地類型植被的反射光譜特征

本研究分別選擇蒿屬荒漠草甸植被伊犁絹蒿和駱駝蓬，干荒漠類草甸植被角果黎、紅砂、梭梭和白蒿，低地山地草甸植被博洛塔絹蒿和苔草進行冠層反射光譜比較。在蒿屬荒漠草甸植被中，伊犁絹蒿與駱駝蓬冠層反射光譜之間存在明顯的差異（圖2～4），在可見光波段400～750 nm，冠層光譜反射率主要表現為伊犁絹蒿＞駱駝蓬，而在近紅外波段750～1 000 nm，冠層光譜反射率則表現為伊犁絹蒿＜駱駝蓬，這主要是因為駱駝蓬的葉綠素含量要低于伊犁絹蒿，而生物量、葉面積指數卻大于伊犁絹蒿；從干荒漠類草甸植被來看，在可見光波段400～750 nm，冠層光譜反射率表現為角果黎＞白蒿＞梭梭≈紅砂，而在近紅外波段750～1 000 nm，冠層光譜反射率則表現為角果黎＞梭梭＞白蒿≈紅砂。其主要原因是角果黎的葉面積指數、生物量及蓋度方面要好于后面幾種植物。而白蒿、紅砂和梭梭冠層光譜反射率差異的原因可能是梭梭的葉綠素要低于白蒿和紅砂，而生物量卻大于白蒿和紅砂；而在低地山地草甸植被來看，在可見光波段400～750 nm，冠層光譜反射率表現為苔草＞博洛塔絹蒿，而在近紅外波段750～1 000 nm，冠層光譜反射率則表現為苔草＜博洛塔絹蒿，原因可能是因為苔草的葉綠素含量要高于博洛塔絹蒿，而其地上生物量、葉面積指數卻小于博洛塔絹蒿。

圖2 蒿屬荒漠草甸植被冠層光譜曲線Fig.2 Canopy spectral curves of Artemisia desert meadow vegetation

圖3 干荒漠類草甸植被冠層光譜曲線Fig.3 Canopy spectral curves of arid desert meadow vegetation

綜合圖2～4，可以看出，盡管草地類型相同，但在可見光和近紅外波段，不同的植被之間的光譜反射率差異比較大，如生長狀況相近的蒿屬荒漠草甸植被伊犁絹蒿和駱駝蓬在可見光區最低反射率之間相差0.042 2，在近紅外區冠層最大反射率之間相差0.095 2；干荒漠類草甸植被角果黎和紅砂在可見光區最低反射率相差0.080 2，在近紅外區冠層最大反射率之間相差0.182 7；低地山地草甸植被博洛塔絹蒿與苔草在可見光區最低反射率相差0.013 1，在近紅外區冠層最大反射率之間相差0.032 7。

2.3 不同草地類型植被的紅邊參數特征

2.3.1 導數光譜 圖5和6分別給出了3種草地類型的一階導數光譜曲線和二階導數光譜曲線?？梢钥闯?，導數光譜運算可以大大強化草地紅邊（680～760 nm陡峭爬升脊）特征。紅邊位置（REP）是綠色植物葉片光譜曲線在680～760 nm變化率最快的點，也是一階導數光譜在該區間內的拐點［9］，是由于植被在紅光波段強烈的吸收與近紅外波段強烈的反射造成的。多項研究證實，紅邊的位置對于葉綠素a和b濃度、植物葉細胞結構變化很靈敏，也與植物冠層結構密切相關，但對噪聲不敏感。紅邊是航空和航天遙感調查植物狀態的理想工具，紅邊的位置和幅度被廣泛應用于綠色植物生物量、產量、葉面積指數、光合作用能力和葉綠素含量的計算［12］。

圖5和6除完全突出3種草地紅邊特征外，同時也將3種草地在可見光區450 nm和近紅外區950 nm波段附近分別存在吸收谷的特征突出顯示出來。此外，伊犁絹蒿在600 nm波段附近的吸收帶也被突出顯示。在可見光區450 nm波段附近的吸收谷，主要是因為綠色植物的葉綠素強烈吸收藍光。而在近紅外區950 nm附近的吸收谷，因為植物葉片存在一定的含水量，所以在近紅外區有一個水分的吸收谷。蒿屬荒漠類草甸的駱駝蓬和干荒漠類草甸的梭梭因為其生物量大，植株高，含水量可能相對較多，導致在近紅外區有一個相對較為明顯的水分吸收谷。而低地山地草甸的博洛塔絹蒿和苔草，及蒿屬荒漠類草甸和干荒漠類草甸的其他幾種植物，可能由于植被枝條稀疏，土壤背景對植被的光譜反射影響較大，同時植物的含水量較低，所以在近紅外區的吸收谷不明顯。

2.3.2 紅邊參數 植被光譜的紅邊參數主要有：紅邊位置λred：紅光范圍（680～760 nm）內一階導數光譜最大值所對應的波長（單位：nm）；紅邊斜率Dλred：紅光范圍（680～760 nm）內一階導數光譜最大值（單位：nm），紅邊斜率主要與植被覆蓋度或葉面積指數有關，覆蓋度越高，葉綠素含量越高，紅邊的斜率越大；紅邊面積Sred：紅邊范圍（680～760 nm）內一階導數光譜所包圍的面積。“紅邊”的位置、高度和斜率會因植被的不同及同一植被不同生長狀況而存在差異。

圖4 低地山地草甸植被冠層光譜曲線Fig.4 Canopy spectral curves of lowland mountain meadow vegetation

圖5 3種草地類型的一階導數光譜Fig.5 First－order derivative spectra of three grassland types

圖6 3種草地類型的二階導數光譜Fig.6 Second－order derivative spectra of three grassland types

蒿屬荒漠草甸植被、干荒漠類草甸植被和低地山地草甸植被冠層光譜的紅邊曲線形狀均存在雙峰現象（圖7）。但不同草地類型之間存在著明顯的差異，低地山地草甸植被苔草、博洛塔絹蒿和蒿屬荒漠類草甸植被伊犁絹蒿生物量小，葉面積指數小，且受到土壤背景的影響，冠層光譜的“雙峰”現象并不明顯。而蒿屬荒漠草甸植被駱駝蓬和干荒漠類草甸植被梭梭、紅砂、角果黎、白蒿，其生物量較大，葉面積指數增大，土壤背景的影響減少，“雙峰”現象變得越來越明顯。

不同蒿屬荒漠草甸植被類型的紅邊位置基本處于705～725 nm（圖9），表現為：駱駝蓬＞伊犁絹蒿，分別為721和706 nm；不同干荒漠類草甸植被類型的紅邊位置基本處于705～730 nm，表現為：白蒿＜紅砂＜角果黎＜梭梭，分別為706，717，721和726 nm；不同低地山地草甸植被類型的紅邊位置基本處于700～710 nm，表現為：博洛塔絹蒿＜苔草，分別為702和706 nm?？傮w表現為：博洛塔絹蒿＜苔草＝伊犁絹蒿＝白蒿＜紅砂＜角果黎＝駱駝蓬＜梭梭。不同蒿屬荒漠類草甸植被的紅邊斜率表現為：駱駝蓬＞伊犁絹蒿，分別為0.006 654和0.001 423；不同干荒漠類草甸植被類型的紅邊斜率表現為：梭梭＞紅砂＞角果黎＞白蒿，分別為0.005 115，0.004 000，0.003 154和0.002 731；不同低地山地草甸植被類型的紅邊斜率表現為：博洛塔絹蒿＞苔草，分別為0.002 154和0.001 231；紅邊面積表現出與紅邊斜率相一致的趨勢，即苔草＜伊犁絹蒿＜博洛塔絹蒿＜白蒿＜角果黎＜紅砂＜梭梭＜駱駝蓬，分別為0.043 77，0.044 39，0.070 70，0.089 73，0.092 79，0.128 14，0.158 30和0.204 68。其原因可能是由于低地山地草甸植被博洛塔絹蒿到干荒漠類草甸植被梭梭，植被生物量增加，葉綠素含量越高和葉面積指數越大，紅邊斜率越大。

圖7 3種草地類型冠層光譜的紅邊Fig.7 Red edge of canopy spectra of three grassland types

總體來看，干荒漠類草甸植被和蒿屬荒漠類草甸植被的光譜曲線“紅邊”的斜率較大，要明顯高于低地山地草甸類植被，低地山地草甸植被光譜曲線“紅邊”的斜率很小，“紅邊”不明顯。

2.4 植被指數特征

植被指數（vegetation index，VI）是利用多光譜數據，經線性或非線性組合構成的能反映植被生長狀況和分布的各種指數的總稱。本研究選擇了6種常用的植被指數，分析植被波譜特征。高光譜植被指數計算方法見表1。

其中，NDVI依據MODIS搭載傳感器的波段設置，Rnir為841～876 nm波段的反射率積分，Rred為620～670 nm波段的反射率積分。它基于植被光譜所特有的紅光吸收谷和近紅外反射峰肩部特征經比值歸一化得到，可用于估算植被覆蓋度、葉綠素含量、生物量等。其優勢在于可以部分消除太陽高度角、傳感器觀測角和大氣等的影響［13］，但對土壤背景較為敏感。Gitelson和Merzlyak［14］對NDVI修正后，提出了對葉綠素濃度變化更加敏感的GNDVI，由750和550 nm處的反射率計算得到。PRI能夠探測植物葉片的葉黃素循環，與其光能利用率密切相關［15］。OSAVI通過引入經驗的土壤調節參數，來消除土壤背景變化對植被指數的影響［16］。VARI通過消除大氣中氣溶膠對植被指數的干擾，所組成的抗大氣植被指數可大大提高植被長勢監測和作物估產精度［17］。MCARI特點是能靈敏反映植被葉綠素對光的吸收情況［18］。

表1 高光譜植被指數計算公式Table 1 Algorithms of different hyperspectral vegetation indices

表2顯示3種植被類型的6種植被指數。NDVI指數值表現出低地山地草甸要高于蒿屬荒漠和干荒漠類草甸，基本上是隨生態環境的改善，而呈逐漸增大的趨勢，是進行植被監測較優的指標。GNDVI的變化趨勢表現為蒿屬荒漠草甸＜干荒漠類草甸＜低地山地草甸。經過土壤背景調節后，干荒漠類草甸的OSAVI指數值遠高于其他2種植被。3種草地類型的PRI相差不大，低地山地草甸最高，而蒿屬荒漠最低。可見光大氣修正植被指數VARI則表現為蒿屬荒漠類草甸＞低地山地草甸＞干荒漠類草甸。經過修正葉綠素吸收的影響后，干荒漠類草甸MCARI指數值最高，低地山地草甸次之，蒿屬荒漠類草甸最低。這些結果可以為基于MODIS數據的植被動態監測和基于高光譜遙感數據的植被類型精細劃分提供依據。

表2 3種植被類型的指數特征Table 2 Index feature of representative vegetation types

3 結論

1）蒿屬荒漠類草甸、干荒漠類草甸和低地山地草甸3種類型植被的光譜反射曲線均保有所有綠色植被的反射光譜響應特征。但由于生長環境的不同等因素所造成的生理生化參數的差異，導致在可見光波段，干荒漠類草甸植被（角果黎、白蒿、紅砂、梭梭），除角果黎外，其冠層反射率要低于低地山地草甸（博洛塔絹蒿、苔草）和蒿屬荒漠草地（伊犁絹蒿、駱駝蓬）。而在近紅外波段，角果黎（干荒漠類草甸）、駱駝蓬（蒿屬荒漠）、梭梭（干荒漠類草甸）冠層光譜反射率明顯高于低地山地草甸植被和部分蒿屬荒漠草甸植被。

2）同一類型草地不同植被的冠層反射光譜曲線存在明顯的不同，在可見光波段，蒿屬荒漠類草甸植被的光譜反射率表現為伊犁絹蒿大于駱駝蓬；干荒漠類草甸植被的光譜反射率表現為角果黎＞白蒿＞梭梭≈紅砂；低地山地草甸植被的光譜反射率表現為苔草大于博洛塔絹蒿。而在近紅外波段，蒿屬荒漠類草甸植被的光譜反射率表現為伊犁絹蒿小于駱駝蓬；干荒漠類草甸植被的光譜反射率表現為白蒿≈紅砂＜梭梭＜角果黎；低地山地草甸植被的光譜反射率表現為苔草小于博洛塔絹蒿。

3）從對光譜紅邊特征的參數分析來看，3類草地類型不同植被類型的紅邊位置、紅邊斜率和紅邊面積差別較大，其中干荒漠類草甸的梭梭紅邊位置最高，而低地山地草甸的博洛塔絹蒿紅邊位置最低；紅邊位置紅邊斜率和紅邊面積表現一致，其中蒿屬荒漠類草甸的駱駝蓬的紅邊斜率和紅邊面積最大，而低地山地草甸的苔草紅邊斜率和紅邊面積最小。

4）對6種代表性的植被指數分析得出，PRI、OSAVI、MCARI指數均表現為蒿屬荒漠類草甸＜低地山地草甸＜干荒漠類草甸。NDVI植被指數則表現為低地山地草甸最大，而干荒漠類草甸最小。GNDVI指數表現為低地山地草甸最大，蒿屬荒漠類草甸最小。經土壤背景調節后，干荒漠類草甸OSAVI值最高。而經過消除大氣中氣溶膠對植被指數的干擾后，蒿屬荒漠類草甸的抗大氣植被指數VARI高于其他2種植被。

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