研究区位于蒙古高原(内蒙古通辽市科尔沁左翼后旗阿古拉镇), 地处科尔沁沙地的东南缘, 地理坐标为43° 18'48″-43° 21'24″ N, 122° 33'00″-122° 41'00″ E, 面积55 km²(图1)。该区属温带大陆性季风气候, 年平均气温6.6 ℃, 多年平均降水量389 mm, 且主要集中在6月-9月, 直径20 cm蒸发皿年平均水面蒸发量1 412 mm, 年平均相对湿度55.8%, 属典型的半干旱荒漠化农牧交错地区, 地貌特点为流动、半流动半固定与固定沙丘和草甸、农田相间分布, 地势为南北高翘, 中间低平。区内植被种类繁多, 而天然植被大体分为沙丘植被、草甸植被和林地乔木三大类, 其中沙丘植被主要有黄柳(Salix gordejevii)、冷蒿(Artemisia frigida)、麻黄(Herbal ephedrae)、差巴嘎蒿(Artemisia halodendron)和小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)等。

采用Field Spec4(美国ASD)的便携式光谱仪, 波长范围为350-2 500 nm, 其中, 350-1 000和1 000-2 500 nm处的波段宽分别为1.4和2.0 nm, 光谱分辨率分别为3和2 nm。研究区沿着122° 34'48″ E、122° 37'36″ E、122° 39'00″ E 3条经度带, 纬度自 43° 18'54″ N开始, 大体每隔12″将3条带划分生态点, 综合考虑每个生态点地形地貌、土壤质地及植被状况的情况下, 选取22个点作为光谱测试点(图1)。2015年5月中旬到9月下旬进行测量, 涵盖了沙丘植被的生长初期(5月中旬-6月末)、成熟期(7月初-8月末)和衰落期(9月初-9月末)3个时期, 测量选择天气晴朗无风, 能见度> 10 km, 于10:30-14:00进行, 共实施8次, 且测量的同时对植被拍照。数据采集时先去除暗电流, 然后再进行自动优化与白板的标定; 测量时光谱仪视场角为25° , 采集器距植被冠层顶垂直高度约1 m。为了使测量数据具有代表性, 每个生态点同种植被选择5个固定位置, 每次测量均对同一生态点的同种地物重复测量5次, 剔除25次测量中的异常值, 对光谱数据进行平均处理后作为该生态点同种植被的光谱反射率值, 测量前后及时利用白板进行优化。

图1

Fig. 1

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	图1 研究区地理位置、地貌特征与光谱测点Fig. 1 The geographic location, landscape features and layout of spectral measuring point in the study area

首先利用仪器自带的处理软件ViewSpec Pro Version 6.0将所测样地平均后的光谱反射率选用ASCII格式输出。使用数据时为消除水汽的影响, 要去除影响严重的中红外波段1 350-2 500 nm。为更好地凸显植被光谱的差异, 本研究要将高光谱数据进行降维处理, 选取的方法如下。

1.3.1 微分法 对于植被, 微分后的光谱不仅可以部分消除系统误差、土壤背景、凋落物等低频光谱成分, 而且还可以削弱大气背景的噪声, 植被光谱曲线在坡度上的微小变化也会被放大, 从而有效提取出沙丘植被的波长位置、深度、宽度等多种吸收参量, 更好地反映了沙丘植被不同生长期的本质特性。一阶微分法的计算公式为^[20]:

·R(λi)= [R(λi+1)-R(λi)]Δλi(1)

式中: ·R(λi)是波长λ _i和λ _i+1之间的一阶微分光谱; R(λ _i)和R(λ _i+1)分别是第i个和第i+1个波长的原始光谱反射率; Δ λ _i是波长λ _i+1和λ _i的波长差值。

1.3.2 连续统去除法(CR) 连续统去除法能很好地消除土壤背景(将植被原始光谱归一到一致的光谱背景上)和光照条件的影响, 有效地突出了植被吸收和反射率光谱的个性和共性, 放大了植被光谱在可见光处的两个吸收谷, 有利于分析植被的吸收特征, 其计算公式为:

CR(λ _i)= R(λi)RH(λi)(2)

式中:CR(λ _i)是波长λ _i处的连续统去除值; R_H(λ _i)为波长λ _i处的直线反射率; R(λ _i)为波长λ _i处的原始光谱反射率。

由连续统去除后的曲线, 能够进一步计算光谱吸收谷处的深度深度[BD(λ _i)]和吸收峰面积(A), 其计算公式分别为^[18]:

BD(λ _i)=1-CR(λ _i)(3)

A=∫λstartλendCR(λi)(4)

式中:BD(λ _i)为波长λ _i处的波段深度; λ _end、λ _start为吸收终点和起点的波长。

荒漠化地区沙丘植被光谱在形态上大致相同(图2a), 主要在叶绿素强烈吸收带450-650 nm和水分吸收带970、1 190 nm附近。在750 nm附近是一个相对平坦的、反射率高的区域, 它主要由植被叶片的细胞结构所决定。不同种类植被叶片内部结构有所差异, 导致光谱差异显著^[21]。在较大差异波段780-880 nm处, 平均光谱反射率由高到低依次为冷蒿(45.0%)> 小叶锦鸡儿(33.2%)> 黄柳(33.1%)> 麻黄(33.0%)> 差巴嘎蒿(30.6%)。其中冷蒿的光谱反射率最大, 差巴嘎蒿的光谱反射率最小, 易于同其它植被区分。在整个近红外波段750-1 350 nm内, 冷蒿的光谱反射率均大于其它4种植被。

在波长680 nm附近, 有明显的吸收谷, 这主要是由于植被叶片中的红色素对红光波段处的吸收所造成的。在680-760 nm波段处, 植被的光谱反射率陡峭上升, 形成了植被的“ 红边” 区, 对该波段的原始光谱进行一阶求导(图2b)。冷蒿、麻黄和差巴嘎蒿的“ 红边位置” 均位于715 nm处, 黄柳和小叶锦鸡儿的“ 红边位置” 均位于716 nm处, 并求得“ 红边斜率” 由高到低依次为冷蒿(0.99%)> 小叶锦鸡儿(0.68%)> 黄柳(0.59%)> 麻黄(0.58%)> 差巴嘎蒿(0.56%)。其中小叶锦鸡儿的“ 红边斜率” 小于冷蒿, 且明显大于黄柳、麻黄和差巴嘎蒿3种植被。

统计5种沙丘植被光谱曲线的“ 绿峰” 、“ 红谷” 和“ 三边” 参数(表1)。小叶锦鸡儿的“ 绿峰位置” 小于其它4种植被, 其变化并不明显, 但其“ 蓝边面积” 和“ 红谷面积” 均最小, 结合“ 红边斜率” 可以很好的将其区分出来。麻黄的“ 蓝边位置” 在524 nm处, 均大于其它4种沙丘植被, 且其“ 黄边面积” 最小, 也易于同其它植被区分。而差巴嘎蒿的平均光谱反射率、“ 红边斜率” 与“ 红边面积” 3个参数的值均最小, 也可以将其区分出来。

图2

Fig. 2

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	图2 5种沙丘植被的光谱反射特征Fig. 2 Spectral reflectance characteristics of five kinds of dune vegetation

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 5种沙丘植被的光谱参数统计 Table 1 Spectral parameters statistics of five kinds of dune vegetation 光谱参数 Spectral parameter 黄柳 S. gordejevii 冷蒿 A. frigida 麻黄 H. ephedrae 差巴嘎蒿 A. halodendron 小叶锦鸡儿 C. microphylla 绿峰Green peak/nm 552 550 552 551 549 蓝边Blue edge/nm 519 519 524 520 519 蓝边面积Blue edge area 0.040 6 0.044 8 0.029 3 0.035 3 0.026 5 红谷面积Red valley area 2.23 1.73 2.13 1.88 1.59 红边面积Red edge area 0.267 0.396 0.261 0.246 0.283 黄边面积Yellow edge area 0.024 7 0.037 5 0.016 5 0.021 5 0.021 5

表1 5种沙丘植被的光谱参数统计 Table 1 Spectral parameters statistics of five kinds of dune vegetation

2.2.1 不同生长时期差巴嘎蒿光谱特征 比较差巴嘎蒿不同生长时期的原始光谱曲线(图3), 从5月23日到7月6日, 由于植被持续生长, 在7月6日植被叶片的叶绿素含量最高, 荒漠化地区差巴嘎蒿对蓝光和红光的吸收不断增强, 表现为在蓝光(435-450 nm)和红光(660-680 nm)波段处光谱反射率不断减小。在551 nm附近, “ 绿峰位置” 持续向蓝光方向偏移(表2); 从7月18日到9月23日, 植被处于衰退期, 叶绿素含量持续下降, 在蓝光和红光波段处反射率增大, 其在成熟期, 光谱反射率在近红外波段高于衰退期。“ 绿峰位置” 又向红光方向偏移。由于研究区在2015年7月份出现持续干旱, 且差巴嘎蒿属于高蒸腾、高耗水型沙地旱生植被, 其长势对水分变化敏感^{[22, 23]}, 近红外波段处的光谱反射率和“ 绿峰位置” 均出现浮动。

图3

Fig. 3

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	图3 不同生长时期差巴嘎蒿的光谱特性Fig. 3 Artemisia halodendron spectrum of different growth periods

分析不同时期差巴嘎蒿光谱的 “ 红边” 特性, 对680-760 nm波段处的原始光谱取一阶微分(图4a)。从图中可以看出, 与大多数的绿色植被的“ 红边” 区相似, 差巴嘎蒿光谱的“ 红边” 区同样具有“ 双峰” 现象, 且 “ 次峰” 波长大于“ 主峰” 。随着植被生长发育期的推移, 差巴嘎蒿的叶面积指数增大、生物量增加, 土壤背景对其冠层光谱的影响不断减小, 在8月13日, 其“ 双峰” 现象达到最大; 随后其“ 双峰” 现象逐渐减弱, 到9月26日基本消失。

图4

Fig. 4

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	图4 不同生长时期差巴嘎蒿的光谱特征分析Fig. 4 Artemisia halodendron spectral characteristics of different growth periods

对差巴嘎蒿光谱“ 红边位置” 进行分析得知(表2), 随着差巴嘎蒿生长越来越旺盛, 植被光合作用能力增强, 植被叶片对红光吸收增强, 出现“ 红边红移” 现象, 但并不明显, 表明植被持续生长, 但并不旺盛。其中差巴嘎蒿在7月6日的“ 红边位置” 向左偏移, 这是因为研究区2015年7月份出现持续干旱, 导致植被缺水严重, 叶片部分枯死所致。在7月-9月, 为差巴嘎蒿的花期和果期, 它的“ 红边位置” 为715 nm, 持续处在“ 红边平台” 位置。

在可见光波段, 差巴嘎蒿两个明显的吸收谷分别在蓝光490 nm和红光675 nm附近, 分析不同时期差巴嘎蒿冠层光谱的连续统去除值(图4b)。由于成熟期的叶片叶绿素含量较大, 且研究区在2015年8月中旬干旱得到一定程度的缓解, 因此, 在8月13日差巴嘎蒿的两个波段处的吸收深度均达到最大, 随后其吸收强度明显减弱。在同一生长时期, 差巴嘎蒿在红光715 nm附近的吸收明显比蓝光490 nm附近的更加强烈, 吸收深度也比蓝光波段处深。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同生长时期差巴嘎蒿光谱的“ 绿峰” 和“ 红边” 位置 Table 2 Artemisia halodendron spectral “ green peak” and “ red-edge” position of different growth periods 生长时期 Gmonth period 绿峰位置 Blue side/nm 红边位置 Red-edge/nm 5月23日May 23rd 561 716 6月5日June 5th 561 717 6月23日June 23rd 553 717 7月6日July 6th 551 715 7月18日July 18th 553 715 8月13日August 13th 552 715 9月10日September 10th 555 715 9月26日September 26th 558 715

表2 不同生长时期差巴嘎蒿光谱的“ 绿峰” 和“ 红边” 位置 Table 2 Artemisia halodendron spectral “ green peak” and “ red-edge” position of different growth periods

图5

Fig. 5

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	图5 同时期不同覆盖度下差巴嘎蒿的光谱特征Fig. 5 The spectral characteristics of Artemisia halodendron under different coverage in the same period

2.2.2 同时期差巴嘎蒿不同覆盖度下的反射光谱曲线特征 4种不同覆盖度下差巴嘎蒿的光谱特征比较(图5a)可知, 覆盖度为10%时光谱反射率接近土壤, 植被特征不明显。覆盖度较高时, 差巴嘎蒿呈现明显的植被光谱特性。在可见光波段550-680 nm处, 差巴嘎蒿的光谱反射率随着覆盖度的增加而减小, 在近红外波段760-920 nm处, 随着覆盖度的增加而增大。

差巴嘎蒿的一阶微分光谱呈现明显的“ 双峰” 特性(图5b), 其“ 次峰” 波长小于“ 主峰” 。随着覆盖度的下降, 植被的“ 双峰” 特性逐渐削弱, 这是因为植被反射率受土壤背景的影响不断增大所致。在覆盖度10%、40%、70%与90%处, 差巴嘎蒿的“ 红边位置” 分别在697、715、715和715 nm处。其“ 红边位置” 在覆盖度大于40%以后已没有变化, 表明差巴嘎蒿的“ 红边位置” 与覆盖度并无明显联系。在覆盖度10%、40%、70%与90%下, 差巴嘎蒿的“ 红边斜率” 依次是0.002 3、0.005 0、0.006 0和0.006 8, 即“ 红边斜率” 与覆盖度成正比, 这与那曲小嵩草(Kobresia pygmaea)“ 红边斜率” 与覆盖度的特性^[18]一致。

对不同覆盖度下差巴嘎蒿的光谱反射率进行连续统去除后(图5c), 差巴嘎蒿在两个吸收波段具有不同的吸收强度, 而10%覆盖度下大致相同, 这是因为光谱反射率主要受土壤背景的影响所致。较高覆盖度下, 其植被在红光范围内的吸收比在蓝光范围内更为强烈。与差巴嘎蒿覆盖度相关的吸收波段范围为500-750 nm处, 并对该波段处连续统去除后的光谱曲线进行计算, 得到相应的吸收深度和吸收峰面积(图5d), 同时期差巴嘎蒿的吸收深度随着覆盖度的增加不断增大, 吸收峰面积随着覆盖度的增加而减小。