伊犁绢蒿荒漠草地植物光谱特征

武红旗，范燕敏，靳瑰丽，夏小伟

（1. 新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2. 新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052；3. 新疆草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

遥感技术发展迅猛，在草地生产中已得到广泛应用，为草地快速监测、估产提供了新的手段，从早期多光谱遥感[1]到高光谱遥感[2-3]，从归一化植被指数[4-5]到多种植被指数[6]与波段深度指数[7]等。国内外大量基于遥感技术的研究主要集中在植被生化参数[8-10]的反演、叶面积比[11-13]的估算、叶绿素的估测[14]、植被分类与识别[3,15]等方面。目前，利用典型植被的高光谱特征曲线或特征参数，是植物识别及制图的主要方法[16-17]。周扬帆等[18]通过分析植物的光谱特征，表明比值植被指数(ratio vegetation index，RVI)、增强型植被指数(enhanced vegetation index，EVI)可显著区分马铃薯(Solanum tuberosum)与主要粮食作物。杨凯等[19]研究表明，利用可见光波段反射曲线特征可识别紫花针茅(Stipa purpurea)，红边位置可识别藏北嵩草(K. tibetica)。林川等[20]分析了野鸭湖湿地植物的冠层光谱，选取红边位置、红边幅值、绿峰位置等8个光谱特征变量进行植被生态类型识别，分类精度在85%以上。魏秀红等[21]利用物种的近红外波段反射率、红边位置、修改型土壤调节植被指数等5个光谱参数建立判别函数，对伊犁绢蒿荒漠草地9种植物进行了分类。

伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地为中亚气候型荒漠，分布于北疆低山平原区，对新疆畜牧业生产及生态环境具有重要意义。由于过度利用出现不同程度的退化，群落的优势种伊犁绢蒿半灌木逐渐被一年生植物所取代，退化指示种比重增大，造成不同退化程度下伊犁绢蒿荒漠草地群落组成差异很大[22]，加之荒漠草地植被稀疏，生长受气候影响较大，使得在进行大面积草地的监测方面存在很大难度。针对荒漠草地物种组成不同、监测难度大的问题，借鉴前人研究成果，对伊犁绢蒿荒漠草地两个植被群落及主要植物在不同季节的高光谱特征参数进行对比，探讨遥感分类的适宜时间和光谱参数，为荒漠草地分类及物种识别建模提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

伊犁绢蒿荒漠草地在新疆平原及山地丘陵处均有分布，由于受气候、地形等的影响，该类群落的物种组成具有一定的差异性，因此选取乌鲁木齐市米东区与石河子紫泥泉种羊场两处伊犁绢蒿荒漠草地为研究对象。

研究区1位于新疆乌鲁木齐市米东区芦草沟乡(87°45′ E，43°53′ N)，群落代号W，海拔930 m，年平均降水量212 mm，年均温7.3 ℃，无霜期165 d，全年多西北风。伊犁绢蒿半灌木为建群种，伴生叉毛蓬(Petrosimonia sibirica)、木地肤(Kochia prostrata)、角果藜(Ceratocarpus arenarius)和葶苈(Draba nemorosa)，春季涩芥(Malcolmia maritima)和弯果胡卢巴(Trigonella arcuata)等短生植物发育较好。

研究区2位于新疆石河子紫泥泉种羊场(85°49′ E，44°1′ N)，群落代号S，海拔980 m，年平均降水250～380 mm，年均温6.5 ℃左右，无霜期170～190 d。伊犁绢蒿半灌木为建群种，伴生木地肤、草原苔草(Carex liparocarpos)、羊茅(Festuca ovina)，春季伊犁郁金香(Tulipa gesneriana)、顶冰花(Gageasp.)、角果毛茛(Ceratocephalus orthoceras)及黄芪(Astragalussp.)等短生植物发育较好。

由于伊犁绢蒿荒漠草地生境恶劣，主要靠积雪融水补给，夏季高温少雨，群落的建群种伊犁绢蒿在夏季具有休眠现象，在春末夏初和秋季植物的生物量较大[23]，因此只能在伊犁绢蒿未进入休眠或解除休眠后运用高光谱对该类草地进行监测，故本研究仅对5月和9月草地群落特征及高光谱进行分析。

两个群落的特征如表1所示。在春季和秋季，两个群落的伴生种均发生了变化，并且S群落在高度、盖度和生物量等方面均优于W群落。

1.2 野外光谱采集及数据处理

1.2.1 野外光谱采集

采用美国SVC HR-768便携式光谱仪(350～2 500 nm)分别于2015年5月和9月测定研究区植物群落及单种植物光谱。乌鲁木齐米东区草地处于山前丘陵，地形差异较大，沿山顶、山腰和山脚各设置一条样线，样线间隔10 m，每条样线上设置8个1 m × 1 m样方，每个样方间隔3 m，共24个样方；石河子紫泥泉由于地势平坦，设置两条平行样线，样线间隔20 m，每条样线上设置5个1 m ×1 m样方，每个样方间隔10 m，共10个样方。

表1 研究区群落特征Table 1 Community characteristics of the study area

光谱采集选择在晴朗、干燥、微风、无云的天气，为减少太阳高度角对反射率的影响，测定时间为北京时间12:00-14:00。每次开机进行一次暗电流校正，测定群落光谱反射率时，探头与地面始终保持垂直，距冠层1 m，在样方中均匀地测5条光谱反射率曲线。单种植物光谱测定时，每种植物挑选5～10株(对于植株较小的选取由单一植物构成的区域)，距植物冠层顶60 cm测定光谱反射率。

1.2.2 数据处理

光谱数据受仪器温度和电流影响，可能会出现异常大或小的光谱反射率，在Excel中按样本归类，对比、剔除光谱反射率异常的数据，然后将剩余数据取平均值作为样本的高光谱反射特征。采用9点加权平滑对样本光谱进行去噪[22]，然后在ENVI 4.7中去包络线，以便有效地突出光谱曲线的吸收与反射特征，并将其标准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，从而提取出特征波段，以供分类识别[23]。

1.3 数据分析

遥感研究中最常用的植被指数为NDVI，它对绿色植被变化灵敏，对土壤或者枯草不灵敏，能够较好地反映出草地的覆盖度、生物量和叶面积指数变化，与地上现存净初级生物量有较好的相关性[24]。钱育蓉等[24]研究认为，植物的有效光谱波段大致范围为500～900 nm，本研究在此波段范围对植物反射光谱进行分析，并且选取红波段691 nm与近红外波段781 nm的相对反射率计算植被指数NDVI。公式如下：

式中：R781和R691分别代表植被在波段781和691 nm处的相对反射率。

2 结果与分析

2.1 5月主要植物的反射光谱特征及植被指数

两研究区的伊犁绢蒿去包络线光谱曲线相近似，W群落里涩芥与伊犁绢蒿的光谱曲线相近，S群落里3种主要植物光谱曲线相差很大(图1)。在400～500 nm蓝紫光范围内主要植物特征光谱曲线差异很大，伊犁绢蒿、叉毛蓬和木地肤有一个反射峰，苔草与涩芥在这一范围内不具有明显的峰。在绿光波段两个群落内主要物种的反射率差异较大。在680 nm波段吸收特征差异较大，其中叉毛蓬吸收深度最小，苔草吸收深度最大，吸收深度依次为苔草 ＞ 涩芥 ＞ 伊犁绢蒿 ＞ 木地肤 ＞ 叉毛蓬。

荒漠草地春季主要物种NDVI值间存在差异，伊犁绢蒿NDVI值大于木地肤与叉毛蓬，小于苔草，与涩芥的NDVI值相近(图2)。植物不同，叶片构造有差异，导致不同植物在近红外波段的相对反射率不同，如图2所示，主要植物在781 nm的相对反射率差异较大且呈集群状分布，苔草的相对反射率值最大且远离土壤线，其次为木地肤，叉毛蓬的反射率值最小且最接近土壤线；各植物在691 nm的相对反射率差异较小，因此两个群落的主要植物的光谱反射率分布在Rr-Rn二维空间的不同区域。比值植被指数(RVI)为植物在781 nm的反射率与691 nm的反射率的比值，RVI与叶绿素含量相关性高，各植物的RVI差异较大，表现为苔草 ＞ 木地肤 ＞ 涩芥 ＞ 伊犁绢蒿 ＞ 叉毛蓬。

S群落在781 nm的相对反射率高于W群落，W群落在691 nm的相对反射率较分散，导致S群落的RVI明显大于W群落(图3)，结合NDVI与红波段、近红外波段相对反射率(图2)分析可知，S群落中苔草和木地肤的RVI高于W群落的叉毛蓬和涩芥，因此群落的RVI与群落的物种组成、结构及盖度等有关。5月S群落的Rr-Rn光谱特征空间垂直于土壤线，而W群落的Rr-Rn光谱特征空间平行且靠近土壤线，表明5月W群落的盖度和生物量不及S群落。

图1 5月主要植物去包络线光谱Figure 1 Continuum-removed spectral reflectance of main plant in May

图2 5月主要植物的NDVI与红波段、近红外波段相对反射率Figure 2 NDVI and relative reflectance in red and near-infrared bands of main plant in May

图3 5月群落的红波段、近红外波段反射率Figure 3 Relative reflectance in red and near-infrared bands of plant community in May

2.2 9月主要植物的反射光谱特征及植被指数

9月群落的植物组成较5月有明显的变化，S群落的伊犁绢蒿在9月出现生殖枝较多与叶片较多的两种生长状态，W群落的伊犁绢蒿则主要以叶片为主。S群落的植物反射光谱相近；W群落的植物光谱有差异，尤其是叉毛蓬的光谱反射率远高于其他两种植物(图4)。在400～600 nm范围，角果藜仅在绿光波段有一个明显反射峰外，其他植物在蓝紫光、绿光波段均具有两个反射峰，但叉毛蓬的绿光反射不明显。两种生长状态下伊犁绢蒿的光谱曲线差异很大，在680 nm生殖枝的吸收深度大于叶片的吸收深度。物种之间吸收特征差异很大，其中叉毛蓬吸收深度最小，角果藜吸收深度最大。

在成熟期叉毛蓬和伊犁绢蒿的NDVI值均较返青期降低，木地肤、角果藜和叶片较多的伊犁绢蒿3种植物之间的NDVI较接近，叉毛蓬的NDVI明显低于其他几种植物(图5)。主要植物在红和近红外波段的反射特征值分布较分散，相互混在一起，导致两个草地群落在Rr-Rn空间光谱特征混杂在一起(图6)，因此两个群落之间以及各植物之间的RVI差异不大，主要原因是由于成熟期两群落里低端元的涩芥及高端元的苔草退出群落，其他植物的RVI分散，致使9月两群落的RVI分布无差异。

3 讨论

本研究中，5月和9月的植物反射光谱曲线中，在400～600 nm范围，植物大多具有两个反射峰，分别位于蓝紫光波段和绿光波段，这可能是植物体内各种色素含量的差异造成的，也可能是光谱噪声。9月叉毛蓬的光谱反射率较高，主要是由于9月植物进入成熟枯萎期，盖度降低，植物的高光谱受土壤背景影响显著，致使其光谱反射率增大，绿光波段反射不明显。

本研究中，5月与9月不同的群落结构下群落及物种光谱特征之间有明显的差异，且5月植物的NDVI高于9月。5月各物种的RVI分布在不同的光谱特征空间，因此通过RVI可以将主要植物以及2个群落区别开来，而在9月由于两群落的主要植物的NDVI较接近，并且RVI分散且相互混杂，很难将群落区别开来。本研究结果与钱育蓉等[24]的研究结论一致，即荒漠植物在凋落枯萎期的NDVI和RVI低于5月份，不同草地类型、不同季相的荒漠植被与NDVI和RVI具有较高的数据相关性。

图4 9月主要植物去包络线光谱Figure 4 Continuum-removed spectral reflectance of main plant in September

付元元等[25]研究认为，当植被生长状态不同，生物量有差异，光谱曲线的红吸收谷(550～750 nm)的光谱特征会随之发生改变。刘波等[26]研究认为，典型优势植物的光谱特征差异体现在红边位置、红边形状、红谷和纤维素吸收波段处，本研究中，5月和9月大多数植物的红吸收谷特征存在差异，因此，可以对红吸收谷进行光谱深度分析，提高植物的分类精度。

由于高光谱遥感提供了精细的遥感信息，有助于进行更加细致的地物分类识别，但传统的比值或差值法难以消除土壤等背景的影响，造成利用植被指数反演植物叶绿素含量、产量等精度较低，姜海玲等[27]认为是因为NDVI的构成形式简单，考虑的影响因素较少。目前，有研究利用多种光谱数据的处理方法，如一阶导数或二阶导数消除土壤背景的影响，以提高植被分类精度[28-30]。魏秀红等[21]通过光谱一阶微分技术、归一化和Rr-Rn光谱特征空间3种光谱处理方法仅识别了荒漠草地物种，本研究利用高光谱的两个波段进行主要植物的光谱特征比较，并且基于5月群落光谱的Rr-Rn光谱特征空间，可将两个物种组成有差异的群落区别开来。本研究的不足之处在于没有充分利用高光谱的优势，在以后的研究中需要借鉴相关的高光谱数据分析方法，挖掘高光谱的应用潜力。

图5 9月主要植物NDVI与红波段、近红外波段反射率Figure 5 NDVI and relative reflectance in red and near-infrared bands of main plant in September

图6 9月群落的红波段、近红外波段反射率Figure 6 Relative reflectance in red and near-infrared bands of plant community in September

4 结论

通过对比两个物种组成不同的伊犁绢蒿荒漠草地在5月和9月的反射光谱特征和植被指数NDVI和RVI，结果表明，伊犁绢蒿荒漠草地不同植物的绿光反射率和红光吸收深度存在显著差异，利用这一特征，可以识别不同物种。利用5月物种和群落的NDVI和RVI可识别草地物种和群落。在9月，植被稀疏，受植被下垫面的影响，植物在绿光波段的反射率下降，并且物种之间的NDVI和RVI较接近，难以区分群落。