內(nèi)蒙古草地光譜特征分析

摘 要：通過野外定點光譜采樣，對線葉菊、羊草等幾種常見的草甸草原類型進行光譜特征分析和種類識別，并分析了不同退化梯度草原的光譜特征。結(jié)果表明通過高光譜可以很好的體現(xiàn)不同草地類型、不同植物光譜差異特征。羊草在可見光比針茅的反射率大，而一階導數(shù)，針茅的峰值比羊草大，紅邊位置與紅邊面積有所不同，且存在BEP“紅移”。并發(fā)現(xiàn)在可見光區(qū)域重度退化草原的光譜反射率大于輕度退化的光譜反射率，而在近紅外要小于輕度退化的光譜反射率。

關(guān)鍵詞：草地；退化梯度；光譜特征

中圖分類號 S812 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）01-02-118-03

草地類型是反映草地發(fā)生和演替規(guī)律，具有一定自然特征和經(jīng)濟特征的草地單元。草地類型的形成易受草地植被環(huán)境條件和人類活動的綜合影響。草地類型的不同，其生態(tài)價值、經(jīng)濟效益不同[1]。草地類型的演替影響著草地系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如何在大尺度下準確的摸清草地類型的分布，對于指導生產(chǎn)、保護生態(tài)環(huán)境以及為政府提供技術(shù)支撐等方面將起到不可替代的作用。因此估測、摸清草地類型及其分布是草地監(jiān)測的一項重要任務(wù)。傳統(tǒng)野外調(diào)查方法很難大面積、準確的對草地類型進行監(jiān)測。遙感技術(shù)是從航空攝影測量逐步發(fā)展起來的一門技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，特別是在資源調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測等工作中越來越顯示其優(yōu)越性[2-5]。這在草地分類、草地估產(chǎn)和草地變化監(jiān)測等方面的研究中也不例外，并且取得了顯著的成績。但由于在這些研究中大多采用TM、ETM 以及MODIS 數(shù)據(jù)，分類方法采用人工目視解譯和計算機分類，受數(shù)據(jù)空間分辨率和光譜分辨率的局限，使得信息的提取精度受到限制。為了提高分析精度必須進行大量的野外實地調(diào)查，但結(jié)果仍不能令人滿意，實用性差[6-9]。從20 世紀90 年代開始，高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用得到進一步發(fā)展，以高光譜分辨率為特征的成像光譜測量技術(shù)是當代遙感前沿技術(shù)之一，為在光譜維上進行定量的、高精度的植物研究提供了一種新方法。高光譜的應(yīng)用使遙感從目視判讀過渡到定性判讀，再過渡到半定量、定量研究，通過自動識別和分類等技術(shù)處理，大大地提高了判讀的精度，減少了人為作用的干擾[10-17]。目前，內(nèi)蒙古草地退化普遍，草地類型演變的速度在加快，嚴重制約著牧區(qū)畜牧業(yè)的發(fā)展，但草地的退化程度不同，如何能夠快速、準確地獲取草地的退化區(qū)域、退化程度，是草地建設(shè)中的一個重要課題。娜日蘇、蘇和等研究草甸草原退化程度的光譜特征，發(fā)現(xiàn)隨著退化程度的增加，其反射率也隨著增加[18]。范燕敏、武紅旗、靳瑰麗研究了新疆不同草地類型、退化程度的植被光譜特征，實現(xiàn)了草地遙感的定量研究[19]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 內(nèi)蒙古自治區(qū)位于我國北部邊疆，西北緊鄰蒙古和俄羅斯。全區(qū)面積118萬km2，全境以高原為主，多數(shù)地區(qū)在海拔1000m以上，東起東經(jīng)126°29′，西北東經(jīng)97°10′，是我國跨經(jīng)度最大的省級行政區(qū)。該地區(qū)為典型的中溫帶季風氣候，具有降水量少而不勻、寒暑變化劇烈的顯著特點。內(nèi)蒙古天然草原遼闊而寬廣，總面積位居全國五大草原之首，是我國北方重要的生態(tài)屏障和畜牧業(yè)生產(chǎn)基地。長期以來，由于氣候干旱及對草原的過度利用，使草原大面積退化、草原類型變得更加單一。

1.2 數(shù)據(jù)采集 根據(jù)內(nèi)蒙古氣候因素及草地類型的分布，選擇了呼倫貝爾市草地作為研究區(qū)域，主要研究了草甸草原，優(yōu)勢種為線葉菊、針茅、羊草、寸草苔、冷蒿等。利用FiledSpec3型光譜儀在野外采集光譜數(shù)據(jù)，該光譜儀波長范圍為350～2500nm，光譜分辨率350～1050nm為3nm，1000～2500nm為10nm。采集光譜時盡量在晴朗無云的天氣，同時為了減少不同太陽高度角對反射率影響，測定時間為北京時間12：00-14：00。在測定光譜反射率時，探頭與地面始終保持垂直，高度1 m 左右，對地物測定前先采集1 次參照板的反射數(shù)據(jù)，然后采集地物光譜，計算地物的相對反射特征曲線。

1.3 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理 對植物光譜曲線進行去噪處理。光譜曲線在350～900nm間較平滑，之后隨著波長的增大，噪聲增大。350～900nm已經(jīng)包括了植物遙感常用的可見光和近紅外波段。采用移動平均法對實測光譜進行去噪處理，即選取測定樣本某一點前后光譜曲線上一定范圍測定其平均值，作為該點的值。公式如下[11]：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草地類型的光譜特征分析 在呼倫貝爾市草甸草原選擇線葉菊型、羊草型草地，典型草原選擇針茅、隱子草型草地作為研究對象。由圖1可以看出，不同草地類型的反射光譜差異很大。線葉菊型、羊草型的草地覆蓋度大，植物對可見光的吸收和近紅外線的反射強烈。由于植物含水量高，所以在近紅外區(qū)有一個水分的吸收谷。光譜曲線由紅光過渡到近紅外光的一個“陡坡”稱之為“紅邊”，“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[8] 。山地草甸線葉菊型和羊草型的光譜曲線“紅邊”的斜率較大，典型草原草地針茅、隱子草型光譜曲線“紅邊”的斜率很小，“紅邊”不明顯。草地的光譜性主要受植物類型、覆蓋度、含水量等決定。

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2.2 不同植物的反射光譜特征 圖3 顯示羊草、針茅的反射率走向很相似，羊草在可見光的反射率比針茅的要高。單從反射率很難區(qū)分，但是從它們的一階導數(shù)可以明顯區(qū)分出。對葉片光譜特征進行分析并參量化地表達這些特征。從圖4 可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律： 針茅的反射率一階導數(shù)峰值比羊草的反射率一階導數(shù)靠后，其峰值比羊草峰值高，且針茅的紅邊面積要大于羊草。

2.3 不同退化梯度的光譜反射特征 從圖5光譜的特征可看出，重度退化草原的光合作用降低，對紅光吸收減弱，在近紅外區(qū)反射減弱，比輕度退化的反射率降低了25%；重度退化的草原對紅光的吸收大大減弱。通過“紅邊”可以反映植被的健康狀況，退化植被通常在可見光區(qū)反射率升高而在近紅外區(qū)反射率較健康植物降低。

3 討論與結(jié)論

本研究主要采用高光譜與地面數(shù)據(jù)結(jié)合，分析了不同草地類型、不同植物、不同退化程度草地的光譜特征，發(fā)現(xiàn)了不同草地類型、退化程度的微弱光譜差異，為遙感在大尺度上詳細區(qū)分草地提供了理論依據(jù)。由于植物的反射光譜特征可反映出植物的生理生化特點，利用此特點可進一步研究植物的組織、結(jié)構(gòu)，植物的植被指數(shù)、光合有效輻射、葉綠素含量等與植物光譜反射的相關(guān)關(guān)系，為利用高光譜遙感進行草地植物研究奠定基礎(chǔ)。

導數(shù)光譜分析有利于抑制土壤背景信息， 同時可以突出植被的“紅邊”特征，說明導數(shù)光譜在消除土壤等背景影響、突出目標及消除同物異譜現(xiàn)象上具有很好的實用性，能夠提高草地植被類型的識別精度。可利用此特點進行蓋度和地上生物量的估測。

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（責編：施婷婷）