长沙几种常见植物物候变化的高光谱响应特征研究

曹怡璇

摘要：高光谱遥感具有高光谱分辨率的优势，在农林植物保护、城市绿化方面有着广泛的应用前景。利用美国生产的SOC710VP地面成像光谱仪采集了长沙樟、杏及玉兰树物候变化的高光谱响应特征数据，数据表明其具有明显的季节特征，与植物物候特征关系密切，可以很好地反映树木的生理状况，为长沙的植物保护提供了体征数据档案，此外，通过上述树叶高光谱响应特征看出，樟树在冬季不同于杏和宝华玉兰，虽然其树叶生长大量棕色斑点，其叶绿素含量及含水量都相应变低，但仍保持前三季的曲线形状，表明其仍具有生命力，这就是杏叶和玉兰叶都凋落而樟树保持茂密树叶的原因。

关键词：长沙；高光谱；物候；叶绿素

高光谱遥感由于其高光谱分辨率的巨大优势，正在成为当代空间对地观测的主要技术手段，在环境遥感、土地利用、农林植物、水体环境等领域有着广泛的应用前景。本文作者利用美国安洲公司生产的SOC710VP高光谱地面成像光谱仪采集了长沙几种常见阔叶树叶片的高光谱响应特征数据，通过光谱分析技术研究其季节性变化特征，以及与受气候影响而出現的以年为周期的植物物候生长发育状况之间的相关关系。获取这种非接触的、非破坏性的植物物候遥感信息，并分析其与植物含水量、叶绿素含量及叶片光化学指数等生物物理参量的密切关系，可以对植被生长、病虫害防治及营养状况分析和评估提供良好的数据支撑，为长沙市绿化植物的科学管理提供依据。

1 高光谱数据采集及处理

地面成像光谱仪适用于农作物、森林等植被及水体环境的光谱特性测量，可从单叶 片到群落冠层尺度测量植物光谱反射率及光合作用变化情况，光谱数据可用于植物分类、胁迫生理、生长状况、病虫害遥感监测及预警等；光谱仪采用透射技术，光通过率高、偏振效应小，鬼像和杂散光低。仪器结构小巧便携，便于野外移动使用。

长沙主要有樟树、杏及宝华玉兰等多种阔叶树种，采用美国安洲公司SOC710VP地面成像光谱仪采集上述树叶春夏秋冬四季的高光谱数据，并其转换为反射率，获得高光谱反射数据文件float文件及其头文件。图1为树叶高光谱数据采集界面图，图2～4分别为宝华玉兰、银杏及樟树树叶的高光谱曲线图。

2 分析与讨论

植物的光谱反射特征是其化学和形态学特征所决定的，而这种特征与植物的生理状况及物候变化密切相关。图2、3、4分别为宝华玉兰、杏树及樟树等树叶在四个季节的光谱曲线图，整体来看，三种树叶具有典型绿色植物的反射光谱特征，即在可见光波段呈现“两谷一峰”，在450nm和650nm左右波段处的光大部分被叶绿素吸收进行光合作用，反射少因而出现低谷，三种植物在春季时，均在550nm左右绿光波段处具有小的叶绿素反射峰，在春夏季节，由于日照时间增长，植物细胞合成较多的叶绿素，其含量占优势，叶片呈绿色，而在秋季，短日照、低温等外界环境因子对植物产生影响，使植物叶片细胞内叶绿素的含量减少，而低温有利于类胡卜素的合成，叶片细胞内类胡萝卜素和叶黄素含量增加，因而叶片呈现黄色。曲线在700～750nm波段范围内反射值显著增大，在750～1000nm的近红外波段内基本呈水平直线，由于叶肉海绵组织结构中有许多空腔，具有很大的反射表面，反射率高达0.7。

图2中蓝、点线、湖蓝及红色曲线分别为宝华玉兰的各季节叶片反射率，可见，春夏季的反射曲线均在可见光的绿色波段550nm处出现一个波峰，而在其两侧各出现一个波谷，这是由于绿叶中的叶绿素对此波段的光线进行强吸收所致，因此这两季的叶片呈现绿色，叶片生长情况正常。随着季节推移，到秋季明显可见湖蓝色曲线的波峰出现在600～640nm处，此处正是橙黄色波段范围，因而叶片呈现黄色。

700～1000波段反射率显示春季叶片含水量最高，其次是夏季和秋季，这和春季雨水多，夏季蒸发量大，秋季干燥这些季节性气候特征密切相关，冬季叶片枯萎，红色曲线大致呈斜线形，在整个400～1000nm处的反射率均较其他季节曲线低很多，显然，其叶绿素和含水量都极低，叶片几乎没有生命力。

图3中蓝、点线、棕色及红色曲线分别为杏叶春夏秋冬四季的反射光谱图，随着夏季到秋季的转变，其绿色波峰转变为575～640nm的黄橙波峰，波峰宽度增大，呈现一平台式反射率，达到0.4，比玉兰和樟树叶反射率都高，此时叶片呈黄色。由近红外波段反射率看秋季明显比春夏季的低，表明其含水量显著降低。 冬季叶片反射曲线与玉兰类似，明显不同于前面三季，在可见光谱范围其反射率均低，低于0.2。

图4中黑、点线、紫和红色曲线分别为樟树叶春夏秋冬四季的反射光谱，可见，樟树叶在春夏季的绿色波峰明显高于秋冬季，冬季叶片绿色波峰不明显，只略微高于黄橙段的反射率，该季节叶片出现较多褐色斑点，但不同于玉兰叶和杏树叶，其在近红外波段仍保持正常植物的陡坡型高反射率，达到0.4，表明其仍具有较强生命力，这和落叶树有显著不同。由于光谱仪可测范围为400～1000nm，三条曲线在400和1000nm波長处跳跃较大，说明在这两个端点的值受测试范围影响数据不够稳定。

3 结论

（1）樟、杏及宝华玉兰树叶的高光谱响应特征具有明显的季节特征，据此获得植物物种的物候特征，可以很好地反映树木的生理状况，为长沙的植物保护提供了体征数据档案，通过同地点的同树种树叶不同时期高光谱数据的比较分析，可及时了解树木乃至植被的生物生长周期状况，为植物的健康生长，发生疾病能及时干预提供良好的信息渠道。

（2）通过上述树叶高光谱响应特征看出，樟树在冬季不同于杏和宝华玉兰，虽然其树叶生长大量棕色斑点，其叶绿素含量及含水量都相应变低，但仍保持前三季的曲线形状，表明其仍具有生命力，这就是杏叶和玉兰叶都凋落而樟树保持茂密树叶的原因。

参考文献：

[1]李少平，吴正方，赵云升.长白山牡丹岭典型阔叶树叶变色期高光谱及红边特性，红外与毫米波学报，2016，35（5）：584591.

[2]祁亚琴，吕新，陈冠文.基于高光谱数据提取棉花冠层特征信息的研究.棉花学报，2011，23（2）：167171.