基于高光谱技术的胡杨叶片生化组分反演研究进展

张冬冬 温云梦 王家强

摘 要：近些年，高光谱技术被广泛应用于植物生长监测方面。植物叶片中的氮、水和色素等含量不仅会影响植物的生长，还会影响光谱反射率对植物叶片的响应结果。因此，研究利用光谱反射率如何高效、快速、实时地估测叶片中氮素含量、水分含量及色素含量等生理学参数，进而利用高光谱遥感技术监测植物生长发育和健康状况具有重要意义。该文以塔里木河流域的胡杨为对象，阐述了基于高光谱技术的胡杨叶片生化组分反演研究进展，为促进干旱区生态环境建设及植被恢复提供参考。

关键词：高光谱技术;胡杨;生理参数;研究现状

中图分类号 S792.119;P407.8文献标识码 A文章编号 1007-7731（2022）06-0032-04

Research Progress on Inversion of Biochemical Components in Populus euphratica Leaves Based on Hyperspectral Technology

ZHANG Dongdong   WEN Yunmeng   WANG Jiaqiang

（College of Agriculture， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract： In recent years， hyperspectral techniques have been widely used in plant growth monitoring. The content of nitrogen， water and pigments in plant leaves not only affects the growth of plants， but also affects the results of spectral reflectance response to plant leaves. Therefore， it is important to study how to estimate physiological parameters such as nitrogen content， water content and pigment content in leaves efficiently， rapidly and in real time using spectral reflectance， and then monitor plant growth and development and health using hyperspectral remote sensing technology. Taking Populus euphratica in Tarim River basin as the research subject， this paper reviewed the research progress of biochemical components inversion of Populus euphratica leaves based on hyperspectral technique， and provided reference for promoting ecological environment construction and vegetation restoration in arid area.

Key words： Hyperspectral technology; Populus euphratica; Physiological parameters; Research status

遥感技术具备多时相、高效率、全天候等优点，能够大区域连续动态监测，还具有比传统生理生化实验方法效率高、花费少、快速便捷的优势[1]。与传统遥感相比，高光谱遥感具有光谱分辨率高，波段窄、多，信息连续性强和大的优点，而传统遥感波段宽、少，信息间断多，不能够探测到事物连续的光谱信息。高光谱遥感是分辨率小于0.1μm且获取连续地物光谱图像的遥感技术，因此获取的数据信息会比传统遥感的信息更丰富、更完整、更精确[2]，并提供可选择的任意波段，在此基础上能够选择适合的波段进行分析与研究。在数据处理阶段，高光谱技术产生的数据可以通过导数计算等方式来解决噪音及环境所带来的结果误差。因此，高光谱技术在环境保护、地质找矿、植物监测等多方面被广泛应用。

胡杨（Populus euphratica）别称并叶杨，是一种干旱大陆性气候的树种，作为荒漠河岸林中具有优势且古老的树种之一，其喜光、耐熱、耐旱、抗盐碱、抗风沙，因此具有防风固沙、稳定河道、保障绿洲农牧业生产和维持绿洲生态系统持续健康发展的重要作用[3-5]，对于荒漠地区的生态环境保护具有重要意义[6-7]，同时还有科学价值和医学作用。在我国新疆，胡杨林主要分布在37°～47°N，尤其是塔里木河流域的胡杨林，其规模大、跨度长，基本上沿着塔里木河的流向繁衍蔓延，成为塔里木河无处不在的象征。塔里木盆地的胡杨林凭借其高大群集的优势，长期与风沙灾害抗衡，阻挡风沙侵袭，保护了盆地一些地区的生态平衡和盆地边缘的绿洲，其兴衰与盆地边缘绿洲的存亡息息相关。然而近年来，受人类活动的影响，塔里木河两岸地下水位下降，导致天然胡杨林的大面积衰退，加大对胡杨林的保护和研究已迫在眉睫[8]。

在植物及土壤的研究上，运用高光谱技术能够得到较为客观、真实的植物和土壤信息，可以极大程度地避免地表反射率和大气吸收散射等的影响[9]。通过测定光合作用和叶绿素含量等植物生理参数，可以描述植物的物质代谢、能量转化、生长发育和环境变化下的生理响应等生理特点[10]。而拥有非接触、便捷、高效和对植物无损等特点的高光谱技术，能够准确、方便地获取植被光谱特征信息，因此可以应用在植被生理状态的监测上。为此，本文以荒漠河岸林植物胡杨为对象，根据基于高光谱技术研究植被生理学参数的相关文献资料，阐述了胡杨叶片的生理学参数变化特征研究进展，为促进干旱区生态环境建设及植被恢复提供参考。

1 胡杨生理参数的光谱反演研究

1.1 叶片水分含量 水是植物生长与生存的重要影响因子，干旱区植物生长对水有极大依赖性，尤其是塔里木河下游河道断流近30年，加之气候干燥、降水稀少，导致地表径流缺乏。在干旱条件下缺水会对植物造成水分干旱胁迫，水分含量的不足成为影响植物生长的重要因素[11]，会损伤植物的生理代谢和光合作用，导致植物生长受阻，而植物只有在一定的细胞水分下才能进行呼吸作用[12-13]、光合作用[14]等正常的生理活动。因此，研究荒漠植物胡杨生长的水分条件，对胡杨的生长状况监测具有重大意义。很多学者采用高光谱技术提取与分析胡杨叶片含水率信息。王涛[15]基于不同光谱预处理获取的胡杨叶片近红外光谱信息，采用2种算法筛选出特征波段并进行建模研究，得出采用SNV-SPA-PLS方法可实现胡杨叶片水分含量的快速检测;宋玉[16]运用高光谱技术对新疆艾比湖流域的胡杨叶片含水率进行反演研究，得出逐步多元线性回归模型对胡杨叶片含水率的估算能力更好，用反射率一阶导数光谱检验胡杨叶片含水率的效果较好，R2高达0.92，RMSE为0.013，RPD为3.13;林海军[17]研究胡杨在不同地下水埋深条件下的光谱特征及叶片含水率，表明叶片含水率随地下水埋深下降而降低，且胡杨光谱对地下水埋深变化无明显的响应规律，还得出1466～1646nm波段为胡杨叶片光谱对水分响应的敏感波段，以敏感波段的吸收深度与含水率进行模型估测研究，这为后人使用高光谱数据进行胡杨生境监测与反演提供了理论依据;赵钊[18]对荒漠植物光谱反射率与含水率进行研究，发现1450nm附近，荒漠植物光谱对水分吸收反应明显，1405～1646nm为荒漠植物对水分的敏感波段，其能够有效反映荒漠植物含水率的大小，且含水率的大小与地下水埋深变化趋势一致，在1450nm附近的水分吸收谷更能反映其变化趋势。由此可见，利用高光谱技术对胡杨叶片水分含量进行研究，不仅可以实现胡杨叶片含水量的估测，还能够判断地下水埋深变化。

1.2 氮素 氮素作为植物生长必需的基本营养元素，不仅会影响植物生长发育[19-20]，还会显著影响植物的分布[21]。同时氮素含量的适度增加能够促进植物渗透调节物质的积累[22]，更能够提高植物的抗旱能力[23]和植物光合效率[24]。而且氮素增加可以调节土壤养分结构，强化植株氮素吸收，促进植株生长[25～26]，成为直接影响植物生长发育、保证植物品质和产量的重要生理参数。因此，胡杨叶片氮素含量的高光谱技术监测能够诊断胡杨生长特征与健康状况，为保护绿洲生态系统的稳定提供理论基础。随着高光谱技术的发展，其无害、无损等优势受到国内外学者的青睐，被广泛应用在植物营养的诊断方面。塔里木河流域属于荒漠干旱区，土壤养分缺氮、少磷、富钾[27]，除了水分以外，氮素成为植物生长发育的主要限制因子[28]。在胡杨的幼苗阶段，如果遇到干旱胁迫，合理的增施氮可以增强幼苗地下部分生长与光合能力，还可以对干旱胁迫具有补偿效应，促进幼苗快速生长，度过脆弱期[29]。在植物缺氮时，氨基酸、蛋白质与核酸等物质的合成会受到影响，造成植物光合作用的效率降低，且其含量的变化还会导致植物叶片生理及形态结构发生变化[30]。王植[31]利用高光谱技术对桃树叶片氮含量进行研究，发现用叶片光谱一阶微分后的数据建模分析，能够较好地反映氮素含量。由此可见，利用高光谱技术可以实时、动态、高效地探测胡杨叶片营養元素，进一步监测胡杨生长特征和健康状况。

1.3 色素 植物叶片中存在着多种色素，对于植物正常生长具有重要的生理意义，尤其是在捕获光能及对光合作用器官的光保护方面发挥着关键作用[32-33]。当受到环境胁迫时，色素的含量也会发生变化。传统的植物叶片色素含量的测定方法具有破坏性取样、低效率、高成本、专业仪器设备需求高等缺点[34-35]，而运用高光谱技术可以实现快速、无损地估测植物色素[36-39]。因此，大量学者利用高光谱技术对植物色素进行遥感估测与监测。武建林[8]对胡杨2种叶形的类胡萝卜素含量与高光谱反射率的相关性进行分析研究，发现两者间的相关系数会受季节、叶形、类胡萝卜素含量的单位等因素影响，相关性较为复杂。许丹[40]通过分析塔里木河流域上游天然胡杨叶片中的叶绿素，结合高光谱遥感进行相关性研究，得出2个有特殊意义的波长位置，分别为645nm和769nm，能够用于指示胡杨叶片叶绿素与反射率的相关性。王家强[41]基于高光谱技术对胡杨叶绿素进行建模研究，得出叶绿素与高光谱指数NDVI705的相关性更强，同时建立的多元线性回归模型最优，能够估测胡杨的叶绿素含量和监测评价胡杨生理状态和健康状况。国外学者Horler[42]对植物叶绿素含量与光谱反射率进行相关性分析研究，发现植物光谱的红边位置能够较好地估测植物叶绿素浓度;Curran[43]则研究发现植物光谱的红边位置对植物冠层的叶绿素浓度更敏感。随着拥有高光谱技术的航空与航天成像光谱仪的出现，其能够便捷地获取植被光谱[44]，并可以在一定空间尺度上对色素含量进行无损动态监测与制图研究[45]。

2 结语

高光谱技术测定植物生理学参数比传统测定植物生理学参数更快速、高效和可靠等，这些优势促使国内外学者针对胡杨营养元素、水分含量与抗逆生理及生态适应等方面开展了广泛研究。而对于塔里木河流域的胡杨来说，可以借鉴这些研究方法实现对塔里木荒漠区植物生理参数及长势的区域监测，建立行之有效的高光谱植物长势监测技术，为促进干旱区生态环境建设及植被恢复提供科学依据。

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（责编：徐世红）