植物叶绿素含量对植物光谱特征敏感波段的探究

郑志河

[摘 要]利用SVCHR-1024便携式光谱仪和SPAD502测定实验区的海桐在350-2500nm的植被高光譜反射率和叶绿素含量，先后利用K=7的移动平均模型进行去噪处理和包络线去除后，分析海桐的原始光谱、包络线去除曲线、海桐对SPAD值的光谱响应光谱、一阶导数光谱进行分析，探究SPAD值对海桐的植物光谱特征敏感波段的具体位置。

[关键词]遥感；叶绿素含量；包络线去除；导数光谱

[中图分类号]P343.3 [文献标识码]A

1 实验区概况

实验区位于江苏省南京市河海大学江宁校区。河海大学处于丘陵地区，地理位置位于东经118°46′33.99″到118°47′09.81″，北纬31°54′47.47″到31°55′11.13″之间，实验区属于亚热带季风气候，雨量充沛，年降水量1200毫米，四季分明，年平均温度15.4℃。校园内绿植丰富，主要有海桐、桂花、竹子、香樟、卫矛、紫锦木等植被，其中海桐占较多，分布较广。

2 研究方法

（1）使用SVC HR-1024便携式光谱仪采集两种植被的冠层光谱，该光谱仪有1024个通道，波段范围350～2500nm，其中350～1000nm区间光谱分辨率为1.4nm，1000～1085nm区间光谱分辨率为3.8nm，1850～2500nm 区间光谱分辨率为2.4nm。我们在晴朗无云的天气下在上午10：00到下午2：00之间采集植被的光谱数据。采用25°光纤的对每个样方仅进行数据采集，测量前先用白板标定。样方的大小设置为1m×1m，每个样方设置5个采样点（如图1），取平均值作为该样方的光谱数据。

（2）采用SPAD-502叶绿素含量测定仪测定的SPAD值作为叶绿素含量的指标。SPAD-502叶绿素含量测定仪测定的SPAD值与叶绿素含量之间呈极显著相关，能够代表植被叶绿素含量值。本实验利用SPAD-502叶绿素计在每个样方内，选取在采集光谱对应的样方里的相位位置，用叶绿素计取测量叶片的叶绿素，测量时叶绿素计重复采集10次，取平均值作为最终叶绿素含量的测定值。

（3）包络线去除法。在光谱曲线相似的情况下，直接从中提取光谱特征不便于计算，因此需要对光谱曲线做进一步处理，以突出光谱特征。包络线去除法可以有效突出光谱曲线的吸收、反射和发射特征，并将其归一到一个一致的光谱背景上，有利于和其他光谱曲线进行特征数值的比较。

式中，λj是第j波段的波长，Rcj是波段j的包络线去除值，Rj是波段j的原始光谱反射率；Rend和Rstart是在波谱曲线里的起始点和末端点的原始光谱反射率；λend和λstart是在波谱曲线里的起始点波长和末端点波长；K是在波谱曲线里起始点波段和末端点波段之间的斜率。

（4）差值相比处理。我们对植被的反射率作一个简单的差值处理，用参照SPAD值的植被光谱曲线作为参照，用其余SPAD值的光谱分别去减去参照SPAD的光谱，最后在除以参照SPAD值的光谱反射率，探究随着SPAD值的增长，植被光谱变化最大的波段，计算出的值是一个没有量纲的常数，我们称之为e。同时考虑到SPAD值对光谱反射率的影响可能存在增强和减弱的差异，我们对e取绝对值，记为é，公式如下：

其中，R（λi）为第i个波段的光谱值，R（λj）为第j个波段的参照光谱值。é的值的大小表明叶绿素含量对植被反射率光谱影响的强弱程度。为了得到植被的敏感波段，本实验将不同SPAD值的é值相加，得到对SPAD值最敏感的波段。

（5）一阶导数光谱。一阶导数光谱能显著显示植被光谱曲线的特征点和特征区域的位置，分辨植物光谱特征曲线中小的反射峰和吸收谷。通过一阶导出光谱，可以准确地判定各特征参数的位置，提高鉴定的准确性。

式中，R′（λi）是第i波段的一阶导数光谱值，R（λi+1）和R（λi-1）分别是第i+1波段和第i-1波段的原始光谱值，i+1和i-1分别是第i+1波段和第i-1波段的原始光谱值。

3 研究结果及分析

我们对采集到的数据首先用K=7的移动平均模型进行处理，消除其他噪声对海桐光谱特征的影响。得到图2的曲线，从图2中可以看出海桐的光谱线具有典型的绿色植物光谱曲线特征。海桐在波长550nm左右有一个小反射峰，在波长670nm左右有一个小的吸收谷，在波长670nm之后的红边位置，随着叶绿素含量的不同也发生着变化。但是不能从原始光谱中找寻由SPAD值引起的光谱差异。

采用包络线去除的方法，可以将不同SPAD值的反射波谱曲线归一化到同一个光谱背景下。在包络线去除曲线中，可以很清楚看到，在350～700nm的波段范围内，随着SPAD值的增加，植被反射率明显地降低，即随着叶绿素含量的增加，植被在可见光波段的吸收率明显增加。

从经过差值处理后的海桐光谱响应曲线来看，随着SPAD值的增加，海桐在可见光范围内的光谱响应越来越强烈，尤其是在500nm和670nm波段最为强烈，出现了两个峰值。把不同的SPAD值的光谱响应曲线相加，可以得到海桐对SPAD值的最敏感波段是657.5nm左右。

通过求出不同SPAD值的海桐一阶光谱曲线，发现最敏感波段在导数光谱曲线中对应的位置是红边左侧第一个一阶导数等于0的位置，即原始光谱曲线中红谷的位置。这与大多数学者得出的结论相符。

4 结论

通过植被的原始光谱曲线，可以看出海桐是一种典型植被，其拥有典型的绿色健康植被的光谱特征。通过包络线去除后的不同SPAD值的海桐光谱曲线，我们得到了植被叶绿素含量的差异影响光谱响应最大的是可见光波段。但是具体的是在可见光波段的哪个位置，还无法得到。然后用差值相比法进行处理后，可以明显看出不同SPAD值植被的光谱响应强度，我们从中得到了海桐对叶绿素含量的敏感波段发生在657.5nm处，结合海桐的一阶导数光谱曲线，我们得出了下面的结论：海桐是一种典型的绿色健康植被；海桐光谱特征对于叶绿素含量的敏感波段发生在原始光谱曲线的红光吸收谷位置；并且随着叶绿素含量的增加，海桐在红色吸收谷处的吸收率越大。

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