植物葉綠素含量對植物光譜特征敏感波段的探究

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(jìn)行去噪處理和包絡(luò)線去除后，分析海桐的原始光譜、包絡(luò)線去除曲線、海桐對SPAD值的光譜響應(yīng)光譜、一階導(dǎo)數(shù)光譜進(jìn)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(guān)鍵詞]遙感；葉綠素含量；包絡(luò)線去除；導(dǎo)數(shù)光譜

[中圖分類號]P343.3 [文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)江寧校區(qū)。河海大學(xué)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(fēng)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測量前先用白板標(biāo)定。樣方的大小設(shè)置為1m×1m，每個樣方設(shè)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(biāo)。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(guān)，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(yīng)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(fù)采集10次，取平均值作為最終葉綠素含量的測定值。

（3）包絡(luò)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(jìn)一步處理，以突出光譜特征。包絡(luò)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(jìn)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(luò)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(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)數(shù)光譜。一階導(dǎo)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(dǎo)出光譜，可以準(zhǔn)確地判定各特征參數(shù)的位置，提高鑒定的準(zhǔn)確性。

式中，R′（λi）是第i波段的一階導(dǎo)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(jié)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(jìn)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(luò)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(luò)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(yīng)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(yīng)越來越強(qiáng)烈，尤其是在500nm和670nm波段最為強(qiáng)烈，出現(xiàn)了兩個峰值。把不同的SPAD值的光譜響應(yīng)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(dǎo)數(shù)光譜曲線中對應(yīng)的位置是紅邊左側(cè)第一個一階導(dǎo)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(xué)者得出的結(jié)論相符。

4 結(jié)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(luò)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(yīng)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(jìn)行處理后，可以明顯看出不同SPAD值植被的光譜響應(yīng)強(qiáng)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(jié)合海桐的一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線，我們得出了下面的結(jié)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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