内蒙古不同植被光谱特征分析＊

刘 月，春 喜，张美杰，刘美萍，胡和达来

（内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022）

1 引言

在全球变化研究中，植被公认为是能够反映区域生态环境变化的敏感指示器，而植被光谱特征分析可以有效的指示植被覆盖和群落结构变化，因此已成为研究热点〔1－3〕。前人通过大量的野外仪器测量和室内模拟分析，得出植被地面光谱曲线图，揭示生物物理特性的光谱特征和规律，建立了一系列地物光谱数据库〔4－6〕。通过各种方法对植被光谱各波段进行分析，其中一些学者认为植物光谱的红色边缘属性能够显示植物叶绿素含量〔7－9〕，并广泛应用于植被光谱特征的分析、不同植被的理化性能、覆盖度、植被分类、植被调查、区域的生态环境调控及演变、遥感反演、农作物评估植被以及计算机识别和自动提取等领域〔10－11〕，备受关注〔12－14〕。但是对于干旱区不同植被的光谱特征和规律的认识有待于进一步研究。本文采用光谱仪器，数次野外测试和数据分析，得出不同植被的光谱数据源，揭示其特征及其差异性。

2 研究方法

2.1 研究区概况

本文野外采样点，一是内蒙古阿拉善左旗吉兰泰盐湖周围及乌兰布和沙漠腹地的干旱草原植被。二是内蒙古锡林郭勒盟典型草原宝绍代湖泊周围典型草原植被。三是位于和林县内蒙古师范大学盛乐校区人工草地（草甸草原）。

2.2 野外调查

实验测试：采用美国ASD（Analytical Spectral Device）公司的Field Spec Pro FR2500便携式光谱仪，其波段值范围为350～2500nm，采样间隔为1.4nm，光谱分辨率为3nm。采样方法和过程参照〔15－16〕①观察时间：在夏季当天的12∶00～15∶00时段，保证太阳的高度和照度。②观测当天满足天气晴朗，光照稳定，并避开阴影和邻近的运动物体，风力等于或小于3级。③在观测实验前对光谱仪集中进行统一调试和比对，对光谱仪和参考板进行检验，保证测量的准确性。④测试之前先以白板进行定标，白板应水平放置，倾斜角＜1°。⑤探头测量高度固定在1m，保证每次测量位置相同。⑥在测试中，每个样品采集5条光谱曲线，算术平均后得到该样品的实际反射光谱数据，保证数据的精确度，并避开个别误差带来的不确定性。各采样点的描述见表1和特征见图1。

表1 八种样品名称及颜色参照表

3 结果与讨论

3.1 植被光谱特征

上述采样点的植被光谱既存在一致性又有差异性。其一致性表现在，500nm处出现吸收谷；在可见光的550nm（绿处）附近有一个反射率为百分之十几的小反射峰；在680nm（红）附近有明显的吸收带，这可能由叶子色素特别是叶绿素所决定〔17－18〕；在680～750nm 之间出现峰值，反射率急剧增高，在光谱研究中它被称为植被“红边”，是植被具有诊断性的光谱特征，“红边”的位置、高度和斜率会因植被的不同及同一植被的不同生长状况而存在差异〔9〕；在800nm左右是一个相对平坦的、反射率高的区域，它可能由植被的细胞构造所决定〔19〕。

不同类型的植被光谱特性存在差异性：从图2可以看出，在可见光波段400～700nm，干旱植被（即小叶锦鸡儿灌丛、白刺、沙冬青、梭梭林）反射率明显高于典型草原植被（草甸滩地）和人工草坪植被（榆叶梅丛），可能受到叶绿素含量的影响。草甸滩地绿峰不明显，主要由于生长和距地面很近，受土壤背景的影响；在680nm～760nm处草甸滩地反射率出现陡坡程度为0.2，明显要低于榆叶梅丛，主要是草甸植被覆盖度比较低造成的。白刺在450nm出现强烈的吸收谷，达到0.5左右，而在680nm处的吸收谷表现不明显，相对于其它干旱植被（小叶锦鸡儿灌丛、沙冬青、梭梭林）平均高出0.1左右，出现这种现象可能由于白刺的生长状况及测试误差的结果。梭梭林在可见光波段峰值明显高于其它干旱植被，达到0.8。各类型植被主要受叶绿素、细胞结构、叶面积指数和土壤背景等因素的影响呈现不同的光谱曲线〔20〕。

图2 八种样品光谱对比图

3.2 植被光谱红边参数特征

光谱数据的一阶微分有利于部分消除大气、土壤背景等成分对目标的影响，突出目标，反映和揭示植被光谱的内在特性〔21－22〕。本文采用如下公式求光谱数据的微分〔23〕。

式中：R为反射率；λi为第i波段的中心波长。

图3 八种样品一阶导数光谱图

图4 八种样品光谱的红边

在高光谱遥感中，采用微分技术寻找关键波段可描述植被的红边特性〔24－25〕。由红光过渡到近红外的“红边”是描述植被色素状态和健康状况的重要的指示波段〔26〕。如图3所示可以看出：导数光谱运算在680nm～760nm可以大大强化红边特征，在其它波段无明显变化。

从图4可以看出，八种样品光谱的红边都出现峰值现象，这跟大多数绿色植物的红边相似。由于干旱区小叶锦鸡儿、草甸叶面积指数大，受沙地背景的影响，红边光谱的峰值现象并不明显，而人工草坪、榆叶梅丛的叶面积指数大，覆盖度高，受沙地背景的影响小，峰值现象越来越明显。在干旱草原的梭梭林在红边位置出现的峰值相对于其它植被提前，出现偏移现象。

从图5可见，不同类型植被的光谱红边斜率（红边幅值）从小到大依次为白刺、草甸滩地、小叶锦金儿、人工草地1（黄）、梭梭林、人工草地2（绿）、沙冬青、榆叶梅丛，主要是由草地植被到灌丛植被，植被覆盖度越高和叶面积指数越大，红边斜率越大〔19〕。

3.3 同一植被光谱对比分析

如图6所示，同种植被在不同的生长状况下呈现不同的光谱特征。在红谷，健康植被的反射率较低，这主要是由于含有较多叶绿素，对红光有较强吸收而造成的。在红边位置，健康植被要比颜色发黄的植物陡，说明生命力旺盛。在近红外波段，不健康植被的反射率较低，主要由于细胞结构遭到破坏造成。可见同一植被类型由于叶子的组织结构、色素含量和含水量不同，反射率大小又具有不同的特点。

图5 植被类型的红边参数

图6 健康植被与非健康植被光谱对比

4 结论

不同植被的光谱曲线呈现明显的“峰和谷”的特征：在550nm（绿处）附近有一个反射率为百分之十五的小反射峰，可见光500nm和680nm处的蓝、红光波段存在低谷。近红外700nm～1200nm处出现高原反射区。不同类型植被光谱特征又存在差异性：

在可见光波段350nm～750nm，干旱植被（小叶锦鸡儿灌丛、白刺、沙冬青、梭梭林）反射率明显高于典型草原植被（草甸滩地）和人工草坪植被（榆叶梅丛）；在近红外波段750nm～1350nm，人工草坪及灌丛的反射率明显高于草甸滩地，由于植被类别间叶片内部结构变化大，人工草坪及灌丛叶面积指数大，覆盖度高，草甸也受到沙地背景的影响，因此植被在近红外的反射率差异较大。

受到植被长势的影响，同一植被类型的光谱反射率差异较大。在红谷，健康植被的反射率较低，这主要是对红光有较强吸收而造成的。在红边位置，健康植被要比颜色发黄的植物陡，说明生命力旺盛。

八种植物样品光谱的红边出现峰值现象，这跟大多数绿色植物的红边相似。从定量描述光谱红边斜率来看，八种植被从小到大依次为：白刺、草甸滩地、小叶锦金儿、人工草地1（黄）、梭梭林、人工草地2（绿）、沙冬青、榆叶梅丛。人工草地植被红边斜率值最大，干草原的该值最低，典型草原的参数在二者之间，反映出由干旱植被到灌丛植被，植被覆盖度越高和叶面积指数越大，红边斜率越大。

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