天山中部温性草原优势种波谱库建设研究

郑逢令，阿斯娅·曼力克

（新疆畜牧科学院草业研究所3S技术应用实验室，新疆 乌鲁木齐 830000）

天山中部温性草原优势种波谱库建设研究

郑逢令，阿斯娅·曼力克*

（新疆畜牧科学院草业研究所3S技术应用实验室，新疆 乌鲁木齐 830000）

本文介绍了国内外光谱库发展的情况，着重讨论了农业应用领域对植被光谱的研究和波谱库的建设和使用的情况，阐述了建立温性草原植被波谱库的必要性和紧迫性，提出建立天山中部山地温性草原建群种波谱数据库对新疆草地退化遥感监测有重要意义，也将为未来的实时监测平台的建立打下基础。

温性草原；波谱库

1 建立光谱库的必要性

新疆地处干旱区，草地是新疆陆地生态系统的主要类型，其面积5.73×107hm2，占全疆土地面积的34.4%[1]，对于水土保持、水源涵养和防风固沙具有重要作用，是保障新疆生态安全的主体屏障之一。

近半个世纪以来，由于气候变化和超载过牧[2]，导致草场退化，生产力下降，可利用面积萎缩等严重生态问题。这对维护新疆生态安全和边疆的稳定是极其不利的。面对新疆草原生态恶化的严峻形势，亟需借助先进的技术手段，对新疆草地资源现状和动态变化进行监测，为草原生态科学治理规划和草原生态建设提供直接依据。

以空间定位(GPS)技术、遥感(RS)技术、地理信息系统(GIS)技术为代表的地球空间信息技术在资源调查与评估、资源变化监测、资源管理等领域中正发挥日益重要的作用[3]。

波谱库是表达地球空间信息的基础和遥感技术的基石。定量遥感离不开地物波谱数据库以及相应的遥感知识库和模型库的支持，随着数据库技术的发展和普及，越来越多的系统以数据库的形式将地物波谱组织起来，实现波谱信息的查询和显示。

2 国外发展情况

上世纪80年代后期，美国地质调查局 (USGS)针对矿产资源遥感勘探的需要发展了波谱数据库（SpeLba），该数据库包括了444种矿物和对矿产资源有指示性的典型植被及混合材料样品，共有498条波谱反射数据，波谱范围0.4～2.5μm，波谱分辨率4 nm(0.2～0.8μm)和10nm(0.8～2.5μm)。该波谱库不断更新，由第1版发展到目前网上运行的第4版，可实现网上在线搜索、光谱分析、绘图功能以及对应混合物的辐射转换等。

3 国内发展情况

在我国，我国地物波谱测量研究可以从20世纪70年代末的腾冲航空遥感试验算起，在进行遥感飞行试验的同时，也进行了地物波谱测量工作。20世纪80年代，中国科学院空间科学技术中心在宁芜地区建立了遥感试验场，获得了该地区岩矿、水体、土壤、植被及农作物1 000余条光谱曲线，出版了《中国地球资源光谱信息资料汇编》。20世纪90年代初，中科院遥感应用研究所的童庆禧等编著了《中国典型地物波谱及其特征分析》，给出了我国277种典型地物的波谱特征[4]。与此同时，中国科学院安徽光机所、遥感所、南京土壤所、兰州冰川所等单位，建立了我国第一个综合性“地物波谱特性数据库”。该波谱数据库采集300余种地物约15 000条地物波谱，并存放了相应的环境参数、大气参数及理化参数等辅助信息。该系统具备常规波谱数据处理技术、统计分析和应用模式分析以及地面与航空波谱数据的参照功能。这些波谱库的建立和应用在一定程度上促进了遥感技术在我国地质、水文、海洋等各个领域的应用[5,6]。

2004年，由北京师范大学主持，多个单位参加的以农业、地矿、水环境领域的典型地物为主，研究地物波谱和相应目标环境参数获取分析技术标准与规范、收集己有典型地物波谱数据和图像样本数据、进行地物波谱模拟与知识结构构建、波谱数据库系统建设、波谱库应用示范研究。在此基础上构建了中国典型地物波谱数据库系统，该系统涵盖小麦、玉米、水稻、油菜、棉花、水体和部分岩矿，基于B/S架构，采取COM组件模型、ASP开发和ADO数据连接技术，它除了可以基于互联网提供实时波谱服务、具有严格的质量控制体系外，还具有模型库支持的地物波谱在时间和空间尺度上的扩展功能以及涵盖对波谱尺度扩展提供辅助支持的先验知识库。该库为一个多层的分布式环境，除了收集大量的观测波谱以外，系统还提供了波谱的内插和外延功能。这些功能是在基于模型库和先验知识库的支持下完成，它将波谱数据库、先验知识数据库、遥感模型库和遥感影像库结合起来，形成“四库合一”的有机整体。入库波谱数据达到1万条。至此，中国典型地物波谱库已走出了传统数据库的范畴，是我国历史上较完备的地物波谱收集与管理，在国际上也具有较重要地位[7]。

4 草地光谱分析及光谱库的建立情况

在草地光谱研究领域，上世纪八九十年代，李岩（1983）；金丽芳 （1985）；张玉勋等（1991)将卫星数据与地面光谱数据结合，进行草地生物量监测、草原植被长势监测、草地估产，探索不同草地类型或群落之间光谱差别等工作[8,9,10]。刘富渊，贾慎修 （1984）在内蒙古巴林右旗草原进行了草地光谱测试，对影响草地光谱反射的几个基本因子进行分析，并对不同草地群落光谱反射特性与不同利用状况下草地光谱反射率变化的关系进行了研究[11]。王艳荣等(1990)分析了各波段反射率与不同植被牧草产量的相关关系，利用6种比值植被指标和正交指标建立产草量的估算模式并进行了精度检验[12]。龙瑞军等（1994）研究了高山草地反射光谱与牧草长势的相关性，指出草地植被盖度对光谱反射有显著影响。并对祁连山东段高山草地5种植物群落光谱进行了测试，研究草本植物和灌木种群、土壤背景和测试仪器高度对群落的光谱反射的影响。探讨利用遥感技术区分草地类型的可行性，揭示高山草地植物群落间光谱反射的差异性，分析光谱绿度值与地上植物量间的数量关系[13,14]。王艳荣 (1996，1997，2001)研究了戈壁针茅草原产草量与近地面反射特征的相关性。根据1994、1995两年近地面光谱反射数据，利用主成份(PCA)法分析了草甸草原与典型草原和荒漠草原之间反射特征的差异。测试并分析了在生长季节不同放牧强度对羊草草原植被反射波谱特征的影响。结果表明，不同放牧强度草地植物群落在种类组成、结构和生物量等方面均明显不同，导致植被反射波谱差异显著。[15,16,17,18]黄敬峰（1999）等，根据1992-1994年天山北坡中东段主要牧草群落光谱观测数据与产量的分析表明，天然草地光谱植被指数可以较好地反映牧草产量的年际变化和不同类型天然草地的产量差异。黄敬峰等（1999）应用1992-1994年乌鲁木齐、阜康试验区不同草地类型的光谱观测数据、相应牧草产量数据及NOAA/AVHRR数据，建立了新疆北部不同类型天然草地牧草产量光谱监测模型。黄敬峰（2000）等 用1989-1991年的光谱观测资料、牧草产量资料分析天山北坡天然草场光谱植被指数的日变化、季节变化和年际变化规律，比较不同草场类型的植被指数差异，为应用NOAA气象卫星资料开展天然草场牧草长势监测及产草量预测研究提供参考,并利用天然草地牧草光谱观测资料、牧草产量资料、气象资料和NOAA/AVHRR资料,建立了天建立了天然草地牧草产量遥感预测模型及气象预测模型[19,20,21,22]。2006年，范燕敏等利用GER1500光谱仪实地测定新疆部分天然草地类型及植物的反射光谱数据，并对反射光谱曲线进行了初步分析[23]。2010年,王焕炯等针对退化草地，利用地面实测光谱数据进行了高光谱草地退化监测研究。选择内蒙古呼伦贝尔市的温性草甸草原为研究对象，测量了草甸草原的羊草、克氏针茅、冷蒿等多种植物的叶片、冠层以及多种植物混合的群落反射率光谱数据。通过有效的光谱特征参量化方法，提取叶片和冠层光谱的光谱特征，准确区分了草甸草原的几种建群和退化指示草本植物[24]。

以上国内外相关研究综述可以得知草地光谱研究和地物波谱数据库建设和发展的脉络。对新疆天然草地而言，已有研究主要在草地光谱测量与处理的方法、并将其应用在植被盖度、植被长势、生物量、群落和植被类型识别、草地退化程度等方面进行探索。随着定量遥感技术和高光谱技术的飞速发展以及新疆农林牧业可持续发展的要求，需要我们及时掌握新疆草地退化的面积、类型、位置，而建立不同草地类型光谱数据库是解决这些问题的基础和关键。天山北坡中段是指从乌鲁木齐到乌苏完整统一的自然综合体。建立天山中部山地温性草原建群种波谱数据库，为研究区草地资源实时监测平台的建立打下基础。

[1]景辉,张步廉，赵永卫.新疆草地现状、退化原因及治理对策[J].新疆畜牧业，2010，（09）：58～61.

[2]鞠强,努尔巴衣·阿不都沙勒克,潘晓玲.新疆草地退化及其治理[J].新疆环境保护,2004,26(3):43～46.

[3]李德仁.地球空间信息学及在陆地科学中的应用[J].自然杂志，2006,27(06):316～322.

[4]苏理宏,李小文,王锦地,唐世浩.典型地物波谱知识库建库与波谱服务的若干问题[J].地球科学进展, 2003,18(02):185-190.

[5]田庆久,宫鹏.地物波鹏数据库研究现状与发展趋势[J].遥感信息,2002,(3):1～7.

[6]阮建武.基于地物波谱数据库的分类识别研究[D].吉林大学博士学位论文，2004:28-31.

[7]屈永华,刘素红,王锦地,李小文,苏理宏.中国典型地物波谱数据库的研究与设计[J].遥感信息,2004,(02): 5～8.

[8]李岩.天然草场光谱的时空分布与最佳解译图象的选择——以新疆天山北坡为例[J].干旱区地理,1983, (03)37～41.

[9]金丽芳,徐希孺,张猛.内蒙古典型草原地带牧草产量估算的光谱模型[J].草业科学,1986,(02):51～54.

[10]张玉勋,李建东(1991).草地植物群落地上生物量非破坏性估测方法的探讨[J].植物生态学报，15(2): 177～182.

[11]刘富渊,贾慎修.草地光谱反射的基本特性[J].中国草地学报,1986,(06)26～30.

[12]王艳荣,雍世鹏.内蒙古锡林郭勒草原植被的光谱反射特征与牧草产量相关性的分析[J].植物生态学报,14(3):258～266.

[13]龙瑞军，牟新待，陈功.高山草地的反射光谱与牧草长势的相关分析[J].草业科学,1994，(01):53～55.

[14]龙瑞军，牟新待，陈功.高山草地的光谱反射特征及其估产模型[J].草业学报,1994,3(02):59～64.

[15]王艳荣，雍伟义.荒漠草原近地面反射特征研究──戈壁针茅（Stipa gobica）荒漠草原近地面反射光谱特征与产草量的相关分析[J].内蒙古大学学报(自然科学版),1996,27(05):554～561.

[16]王艳荣.草甸草原近地面光谱反射特征及其与典型草原、荒漠草原的比较研究[J].内蒙古大学学报(自然科学版),1997,28(03):407～413.

[17]王艳荣.利用植被近地面反射波谱季节特征对大针茅草原不同利用强度的植物群落的鉴别研究[J].内蒙古大学学报(自然科学版),1997,28(05):93～97.

[18]王艳荣.不同放牧强度对羊草草原近地面反射波谱特征的影响研究[J].中国草地,2001,(02):2～7.

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[20]黄敬峰,王秀珍,胡新博.新疆北部不同类型天然草地产草量遥感监测模型[J].中国草地，1999，(01):7～11.

[21]黄敬峰，王秀珍，蔡承侠，胡新博.利用气象卫星AVHRR资料监测北疆天然草地牧草产量[J].农业工程学报，2000，16（2）：123～127.

[22]黄敬峰，王秀珍，王人潮.天然草地牧草产草量遥感综合监测预测模型研究,遥感学报[J].2001，5（1）：69-74.

[23]范燕敏，武红旗，靳瑰丽.新疆草地类型高光谱特征分析[J].草业科学，2006，23（6）：15～18.

[24]王焕炯,范闻捷,崔要奎等.草地退化的高光谱遥感监测方法[J].谱学与光谱分析，2010，30(10):2734～2738.

Study on Construction of Spectral Library of Dom inant Species in W arm Steppe of the Central Tianshan M ountain

ZHENG Feng-ling，ASIYA·Manlik*
(Grassland Research Institute,Xinjiang Academy of Animal Science,Urumqi830000,China)

This article describes the developmentof domestic and international spectral library,focused on the use of agricultural applications areas of vegetation spectra and spectral library constructure and expounded the necessity and urgency of establishing warm grassland vegetation spectral library,the establishment of constructive species spectral database of Central TianShan mountain temperature grassland will play a very important role on grassland degradation remote sensing monitoring will also lay the foundation for the establishment of real-timemonitoring platform..

warm steppe；spectral library

S812.5

A

1003-6377（2014）01-0022-04

2013-12-27

院所改革专项“温性草原禾本科牧草波普数据采集与特征分析”（2010018）；条件平台建设项目：新疆草地动态监测试验平台建设（PT1103）

郑逢令（1974-），男，在读博士生。

阿斯娅·曼力克（1970-），女，研究方向为草地资源与生态。