西鄂尔多斯保护区沙冬青高光谱特征分析

赵向苗，高润宏*，牛若恺，卢玉婷，高健斌

(1.内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2.西鄂尔多斯国家级自然保护区管理局，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)又名蒙古黄花木，属于亚洲中部荒漠地区唯一的常绿阔叶灌木，是古地中海第三孑遗植物，作为阿拉善地区的主要建群种，对荒漠区生态稳定起着不可替代的作用。沙冬青已被列入第1批珍稀濒危保护植物名录中[1]。到目前为止，沙冬青人工种植不断扩大；但由于人为破坏、城镇矿区建设等干扰及受自身生境条件的影响，天然分布面积在不断减少，处于更加濒危状态。因此，通过高光谱遥感技术掌握沙冬青的空间分布，对其生长状态以及保护利用具有重要的生态意义。

高光谱技术作为高光谱遥感技术中不可分割的一部分，凭借其在“非破坏”的前提下，无损快速的获取植物光谱信息来监测植物生长状态，为高光谱遥感监测技术提供理论基础。植被高光谱遥感在生态领域也具有重要作用，它涉及的应用研究领域较为广泛。主要集中植被形态及活力探测研究，土地覆盖的监测以及关于冠层水文状态和生物化学参数的估计等方面。在研究植被变化的过程中，传统的野外调查方法大部分都具有破坏性，不仅费时费力，而且受到野外条件限制；特别是对于一些难以到达的地方，例如高山、沙漠等，高光谱技术的出现使其快速、无损监测植物生长具有更加现实的意义和优势[2]。由于绿色植物的形态特征、化学组成成分以及对物候差异的适应等不同，因而其吸收和反射的电磁波也不相同，在获得的光谱曲线中表现为不同的光谱特征。关于通过植物的光谱特征来反映其生长状态，国内外的学者已经开展了大量调查和分析研究[3-7]。

国内关于沙冬青的研究进展成果较多，且研究分析主要以其生理特征[8-11]、种群扩散[12-15]、抗逆性基因及其机理[16-19]等为基础进行研究，关于其高光谱遥感监测研究较少。刘美等[20]通过对沙冬青高光谱特征提取分析，探究冬季识别新疆沙冬青群落主要物种的可行性以及2种沙冬青的光谱特征差异，取得了较好的成果。但由于气候及野外条件影响，未能分析沙冬青叶片理化参量与光谱曲线之间的相关性。基于前人研究基础，本试验以西鄂尔多斯自然保护区广泛分布的沙冬青为研究对象，获取不同龄级沙冬青冠层光谱，运用马氏距离法选取其原始光谱、一阶微分光谱、二阶微分光谱特征差异显著波段进行分析，通过分析选择出识别不同龄级沙冬青光谱差异显著的波段；将冠层原始及其微分光谱与叶片叶绿素含量进行分析，通过相关性的大小来实现从宏观尺度理解沙冬青的生长状况与叶绿素含量间的关系。

1 研究区概况

本研究选择西鄂尔多斯自然保护区为试验点。该区域地理位置106°40′-107°44′E，40°13′-26°10′N，平均海拔1 091.6 m；土壤类型主要为棕钙土；年平均气温9.3℃，年日照时数3 000 h，年平均降雨量162.4 mm，蒸发量高达3 481.1 mm[21]。经调查得出自然保护区内共有植物335种。其中，属于国家级重点保护植物有沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、半日花(Helianthemumsongaricum)、四合木(Tetraenamongolica)、蒙古扁桃(Prunusmongolica)、绵刺(Potaniniamongolica)、革包菊(Tugarinoviamongolica)、胡杨(Populuseuphratica)等7种。

2 材料与方法

2.1 材料与数据获取

2.1.1 沙冬青冠层光谱数据测定 本研究通过室外测量结合室内实验来完成，光谱仪使用ASD便携式地物光谱仪(ASD FieldSpec FR)，波长范围350～2 500 nm，采样间隔为1.4 nm，光谱分辨率为3 nm，视场角为25°。测量对象选择西鄂尔多斯自然保护区野外自然分布的沙冬青。测定时每隔30 min对白板进行校正。野外测量时间以2020年7月25日和9月25日为主。以野外测量操作及规范为基础，选择当地时间11:00-13:00天气晴朗、无云，风力<3级以及受野外自然条件干扰较小的条件下测量。在对不同龄级(冠幅：Ⅰ(幼龄)≤75 cm，75 cm<Ⅱ(中龄)≤225 cm，300 cm<Ⅲ(老龄))沙冬青冠层光谱测定时，每次每个龄级随机选择10株进行测定，仪器每隔5秒记录1次数据，采集过程中每个光谱值重复采集10次，将10组数据平均值作为样品最终反射光谱值。

2.1.2 沙冬青叶片叶绿素含量测定 沙冬青叶片采集在光谱测量之后进行，根据光谱测定植株，选取其测定区域内龄级、大小一致的叶片于黑暗低温条件下迅速带回。将叶片擦拭干净，去除掉其主脉快速剪碎混匀，称取0.2 g(可视样品叶绿素含量高低而增减用量)剪碎样品置于80%无水乙醇10 mL溶液中，置于常温避光环境24 h直至叶片全部褪绿后，用80%乙醇顶容至25 mL，此溶液即为叶绿素提取液。最后，通过紫外分光光度计分别测定叶绿素提取液在663、645 nm和440 nm波长处的吸光度(A)，以重复3次的平均值作为测定的最终结果。通过以下公式计算色素浓度:

Chl-a=12.7A663-2.69A645

(1)

Chl-b=22.9A645-4.68A663

(2)

Chl-ab=Ca+Cb=20.21A645+8.02A663

(3)

Car=4.7A400-0.27×(Chl-a+Chl-b)

(4)

Chl-t=浓度(mg/L)×提取液体积(mL)/样品鲜重(g)×1000

(5)

式中,Chl-a,Chl-b,Chl-ab,Car分别表示色素提取液中叶绿素a、叶绿素b、叶绿素和类胡萝卜素的浓度，mg/L；Chl-t表示单位面积的色素含量，mg/g；A664，A645及A440分别表示提取液在663、645 nm及440 nm处的吸光度。

2.2 研究方法

2.2.1 光谱一阶微分 光谱曲线一阶微分可以消除仪器本身以及野外条件影响造成光谱数据之间的系统误差，通过光谱微分技术有助于去除部分受背景、噪声影响杂乱无章的线性光谱对目标光谱的影响，更好地提取目标光谱信息[21]。

(6)

式中,λi表示每个波段的波长；R′(λi)为波长λ的一阶导数。

2.2.2 光谱二阶微分

(7)

式中，R′(λj)为波长j和波长j+2之间的二阶微分光谱；R(λj)为第j波长原始光谱反射率；R(λj+1)为第j+1波长原始光谱反射率；R(λj+2)为波长j+2原始光谱反射率。

2.2.3 马氏距离法

(8)

式中，MD(K)为不同光谱曲线在k波段的马氏距离；Xk为不同光谱曲线在k波段的差值矩阵；μ为零点向量矩阵；∑为协方差矩阵[6]。不同龄级之间的马氏距离在SPSS中计算。

3 结果与分析

3.1 不同龄级沙冬青冠层光谱特征

3.1.1 不同龄级沙冬青冠层原始光谱特征分析 对观测到的沙冬青冠层光谱数据进行分析，得出不同龄级沙冬青光谱变化曲线特征(图1)。

图1 不同龄级沙冬青光谱特征分析

由图1可知，不同龄级沙冬青在整个夏季生长期内光谱曲线整体上较接近，且不同龄级光谱曲线存在较为显著的差异。在350～650 nm的可见光范围内，光谱反射曲线属于平稳上升状态，在达到第1个峰值后随即下降，该波段的数值与其它波段相比较低，表明该波段吸收的紫外光和蓝紫光较多，则反射和透射较少。但由于此波段范围内叶绿素出现绿色强反射，产生“蓝边”和“黄边”峰值，因此观察到植物叶片为绿色。此波段幼龄沙冬青反射率明显高于其他2个龄级，说明幼龄沙冬青体内叶绿素含量较多。在750～950 nm波长范围的“红边”区域内，光谱反射率随波长的增加而上升，曲线较陡几乎处于直线上升状态，其斜率的大小与植物单位面积叶绿素的含量有关。此波段反射率是获取“红边”特征的重要信息，在该区域幼龄沙冬青反射率高于老、中龄，这是由于幼龄沙冬青叶绿素含量较多且呈水胶溶状态，对其形成强烈的红外反射造成光谱吸收特征的变化。在900～1 200 nm范围“红肩”区域内，不同龄级沙冬青叶片由于受叶片内部结构和水分吸收，以及氧吸收的阻碍等因素影响，则表现出2个微弱的低谷。综合来看，夏季沙冬青处于生长期，由于叶色差异较大，则幼龄与老龄、中龄的冠层反射率相差较大。

3.1.2 不同龄级沙冬青冠层微分光谱特征分析 不同龄级沙冬青冠层反射光谱曲线由于其叶片内部结构差异、土壤条件差异以及外界环境的不同均会产生不同的特征，通过一、二阶微分处理后，可以尽可能的消除由于仪器自身以及外界环境条件对光谱曲线产生的影响，有利于更好地反映内在特性。从图2、图3可看出，3个龄级沙冬青冠层光谱曲线在700～750 nm范围的“红边”区域产生了明显的小波峰，由此说明在此波段沙冬青内部组织结构细胞产生了明显的变化。通过比较发现幼龄沙冬青峰值起伏变化较明显，在719 nm波长处出现了极大峰值，这主要是由于幼龄沙冬青长势的原因造成的。

图2 沙冬青一阶微分光谱特征

图3 沙冬青二阶微分光谱特征

3.2 马氏距离法对光谱波段选择

3.2.1 马氏距离法对原始光谱波段选择 不同龄级沙冬青冠层原始光谱曲线如图1所示，通过对比得出其曲线总体呈现一致趋势，但在某些波段依旧存在显著差异，反映光谱特征信息差异主要集中在这些区域。图4表示的是马氏距离法对原始光谱差异波段选择，马氏距离值越大则表示差异越明显，越容易进行区分；进行波段选择时需遵循两个基本原则：1)为有效剔除大量差异较小波段，马氏距离值必须高于各个波段的平均值；2)为更好地与高光谱数据结合，进行光谱识别时马氏距离值高的波段必须连续出现10 nm以上；根据计算，原始光谱各波段马氏距离平均值为2.9，在差异高的波段的马氏距离大于平均值的基础上，得出不同龄级原始光谱中差异显著的波段有：350～376、337～432、550～567、734～860、1 125～1 200 nm；350～376、337～432 nm波长范围位于紫外光和蓝紫光区域，此波段为植物光谱的“蓝边”区域；550～567 nm波长范围为叶绿素的典型吸收带；734～860 nm波段属于沙冬青“红边”位置；1 125～1 200 m波段属于叶片水分强烈吸收带附近；由此可见，运用马氏距离法对特征波段的选取包含了植物光谱基本特征。通过马氏距离法对差异显著波段反射率值每10 nm求平均(以下处理选择相同的波段范围)，共获得45个光谱反射率平均值用于不同龄级识别。

图4 马氏距离法对原始光谱差异波段选择

3.2.2 马氏距离对一阶微分光谱波段选择结果 图5所示为马氏距离法对一阶微分光谱差异波段选择。根据计算，一阶光谱各波段马氏距离平均值为11，在差异高的波段的马氏距离大于平均值的基础上，得出不同龄级一阶光谱中差异显著的波段有685～699、700～749、756～769、929～939、1 119～1 171 nm，685～699、700～749、756～769 nm波段沙冬青光谱反射率随着波长增加而急剧升高，光谱曲线形态较陡，接近“红边”位置；929～939 nm波段位于水和氧的吸收带；1 119～1 171 nm位于植物水分强烈吸收带附近，通过马氏距离法对差异显著波段反射率值每10 nm求平均(以下处理选择相同的波段范围)，共获得14个光谱反射率平均值用于不同龄级识别。

图5 马氏距离法对一阶微分光谱差异波段选择

3.2.3 马氏距离对二阶微分光谱波段选择结果 图6所示为马氏距离法对二阶微分光谱差异波段选择，根据计算，二阶光谱各波段马氏距离平均值为7.9，在差异高的波段的马氏距离大于平均值的基础上，得出不同龄级二阶光谱中差异显著的波段有714～724、755～764、928～941、961～970、990～1 000、1 119～1 130 nm；其中714～724、755～764 nm接近“红边”位置；928～941、961～970、990～1 000、1 119～1 130 nm均位于植物水分强烈吸收带附近，通过马氏距离法对差异显著波段反射率值每10 nm求平均，共获得7个光谱反射率平均值用于不同龄级识别。

图6 马氏距离法对二阶微分光谱差异波段选择

3.3 沙冬青冠层光谱与叶绿素含量相关性分析

3.3.1 不同龄级沙冬青冠层原始光谱与叶绿素含量相关分析 图7表示夏季不同龄级沙冬青冠层原始光谱曲线与叶片叶绿素含量相关系数曲线图。通过相关文献查阅以及相关系数检验表验证得知，在P=0.001水平上的相关性临界值为0.408；表示在P=0.001水平上相关系数的绝对值>0.408时即呈现极显著相关，以下同上。

通过图7可知，3个龄级(老、中、幼)沙冬青叶片叶绿素含量与冠层光谱曲线相关系数基本呈现一致性，三者的相关系数均显示出先降低而后增加的趋势，总体上呈现负相关性。其中，在740～1 000 nm波长范围内中龄和幼龄的相关系数产生了较大的波动性，相关系数绝对值均<0.408，相关性不显著。而当波长在<740 nm的可见光区域，3个龄级沙冬青叶片叶绿素含量与冠层光谱曲线呈现出极显著的相关性。当波长处于425～740 nm范围内，在P=0.001水平下，老龄沙冬青叶绿素含量与冠层光谱反射率相关系数绝对值>0.5，呈现出极显著相关性。其中，当波长处于701 nm处时呈现出最好的相关性，相关系数为-0.569，在波长处于600 nm的相关性也极显著，相关系数达到-0.565。中龄沙冬青叶绿素含量与冠层光谱反射率呈显著性，在波长处于716 nm处时呈现最好的相关性，相关系数达到-0.640，在波长处于600 nm处的相关性也呈现极为显著性，相关系数为-0.419。幼龄沙冬青在波长处于675 nm处呈现出最好的相关性，相关系数为-0.531，当波长处于401 nm波段时的相关性也很大，相关系数达到-0.486。由此可知，老龄的敏感波长为701 nm和600 nm；中龄的敏感波长为716 nm和600 nm；幼龄的敏感波长位于675 nm和401 nm；三者的相关性显著波段均为<740 nm的可见光范围内，由此可知可见光波段属于沙冬青叶绿素光谱反应的敏感波段。

图7 沙冬青叶绿素含量与冠层光谱相关系数

3.3.2 不同龄级沙冬青冠层一阶微分光谱与叶绿素含量相关系数 对不同龄级沙冬青叶绿素总量与冠层一阶微分光谱进行相关分析，其相关系数如图8所示。

与原始光谱相关系数曲线相比较，经过导数处理后的一阶微分光谱曲线与叶片叶绿素含量的关系呈现出更高的相关性，且相关性显著波段数呈现出明显增多的趋势(图8a)。老龄沙冬青555～677 nm、中龄沙冬青656～669 nm和幼龄沙冬青698～750、679～687、620～635 nm波段区域内，叶片叶绿素含量与一阶微分光谱曲线呈现极显著正相关关系。其中老龄在569 nm、中龄在658 nm及幼龄在683 nm最大相关系数分别为0.585、0.558、0.695。老龄在500～548、683～750 nm波长范围内，叶片叶绿素含量与一阶微分光谱曲线呈现显著负相关，在512 nm和683 nm处达到最大相关系数-0.618和-0.656。中龄沙冬青在531～550、670～700 nm波长范围内，叶片叶绿素含量与一阶微分光谱曲线呈现出显著负相关关系，在532 nm和693 nm处达到最大相关系数-0.560和-0.427。幼龄沙冬青在357～379、407～462、518～584、590～605 nm波长范围内，叶绿素含量与一阶微分光谱曲线呈现出显著负相关关系，在374 nm和597 nm处达到最大相关系数-0.687和-0.646。

图8 沙冬青叶绿素含量与一阶微分光谱相关系数

4 结论与讨论

不同龄级沙冬青原始反射光谱曲线变化趋势基本一致，总体符合植被光谱特征的规律性，且幼龄沙冬青反射率差异较明显。沙冬青光谱随着生长期的变化也在变化；整个生长期内，老、中和幼龄的光谱曲线差异较大，在可见光(350～650 nm)范围，植物光谱特征差异主要受各种色素含量的影响，在这其中叶绿素含量的多少呈现出最为重要的作用；此波段幼龄反射率明显高于其他2个龄级，说明幼龄沙冬青体内叶绿素含量较多，出现绿色强反射；而750～850 nm的“红边”区域，在该区域幼龄沙冬青反射率高于老、中龄，这是由于幼龄沙冬青叶绿素含量较多且呈水胶溶状态，对其形成强烈的红外反射造成光谱吸收特征的变化。近红外波段范围内，植物光谱特征差异主要受植物叶片水分吸收的影响，此波段通常称为水分吸收波段，此波段可能受叶片内部结构和水的吸收的影响，则出现两个微弱的低谷。

通过对原始光谱进行一二阶微分变换结果表明:幼龄沙冬青对绿光的反射能力较强；相比较于幼龄，老、中龄对绿光的反射则呈现出较弱的状态。幼龄沙冬青在“红边”波长范围内光谱反射率上升速度较快，在719 nm处出现极大峰值，而老、中龄上升速度较慢。这主要是由于幼龄沙冬青长势的影响所致。

通过分析得出马氏距离法对不同龄级沙冬青光谱差异显著波段的选择具有显著性，且所选择波段均为光谱特征波段。利用马氏距离法对原始光谱和一二阶微分处理，通过对比得出其曲线总体呈现一致趋势，但在某些波段依旧存在显著差异，反映光谱特征信息差异主要集中在这些区域。在原始光谱曲线中通过马氏距离法选择出区分不同龄级的45个波段平均值中，11个值属于可见光波长范围内，34个存在于近红外波长范围。一阶微分光谱中选取的14个波段中，2个存在于可见光波长范围，12个存在于于近红外波段。二阶微分光谱曲线中选择的7个波段全部存在于近红外波段。由此，通过分析可得基于马氏距离法识别不同龄级沙冬青显著差异的波段大多处于近红外波段范围。

通过冠层光谱与叶绿素相关性分析发现3个龄级与叶绿素的敏感波长均为<740 nm的可见光波长范围内，老龄在701 nm波长处相关性最好，相关系数为-0.569，中龄在波长716 nm处相关性最好，相关系数为-0.640，幼龄波长在675nm处相关性最好，相关系数为-0.531。由此说明，可见光波段属于沙冬青叶绿素光谱反应的敏感波。为进一步找出不同龄级叶片光谱曲线对叶绿素含量的敏感波段，对沙冬青叶片原始光谱曲线进行不同变换(一阶微分)处理，微分光谱与叶绿素相关性分析，得出变换后的敏感波段分别为：老龄555～677 nm、中龄656～669 nm、幼龄698～750、679～687、620～635nm波长范围内，沙冬青叶片叶绿素含量与冠层一阶微分光谱的相关性达到极显著正相关。与原始光谱相关系数曲线相比较，经过导数处理后的一阶微分光谱曲线与叶片叶绿素含量的关系呈现出更高的相关性，且相关性显著波段数呈现出明显增多的趋势。

原始光谱、光谱一阶微分、二阶微分，马氏距离法特征波段选取，光谱曲线特征与叶片叶绿素含量相关性分析等均为区分不同龄级沙冬青结构、生长状态以及动态监测提供了理论依据[22-24]。本研究仅涉及夏季生长季典型荒漠植物沙冬青光谱特征，对于不同植物在不同季节的光谱特征以及同种植物在不同环境中光谱特征差异等问题有待进一步研究。