地物光谱仪大型沉水植物苦草的光谱特征识别

引言

国内外许多经验表明，河流湖泊水生植被的恢复是水体环境和生态综合整治的一个重要环节，是总体治理效果的最后实现过程，如果缺少这个环节，总体治理效果将会受到很大限制。

遥感技术已成为地表覆被及其组成信息的主要来源,已广泛应用于资源与环境动态监测。目前，国外已有学者开始探索应用遥感技术监测沉水植物分布时空变化与生长状况。Jakubauskas等对睡的盖度和光谱反射之间的关系进行了定量的研究,Han和Rundquis在试验池中研究了金鱼藻在清水和富含藻类水体的不同深度下光谱反射率的变化。目前,国内应用遥感技术监测沉水植物分布的时空变化与生长状况研究还较少。

近年来，随着高光谱遥感技术的发展与应用,使遥感影像的空间分辨率和光谱分辨率得到很大提高。本项研究使用便携式地物光谱仪测定大型沉水植物苦草的光谱特征,其主要目的是:

(1)识别大型沉水植物的光谱特征;

(2)建立沉水植物盖度与光谱特征之间的定量关系,以期为高光谱遥感影像的影像判读和解译分类以及沉水植物分布时空变化与生长状况监测提供技术支撑，为大尺度遥感监测沉水植物的分布和动态变化提供科学依据。

材料与方法

2.1 材料

本项研究选择苦草为试验材料。苦草是长江中下游湖泊和河流中常见的沉水植物优势种，为多年生沉水草本，无直立茎，具横走的匍匐茎，叶基生，叶片带状较长。苦草的耐污性和适应性强、繁殖快，同时对藻类具有抑制作用，近年来作为生态修复中常选择的沉水植物种类，被广泛用于湖泊、河流和富营养化水体的生态修复。

2.2 光谱测定

使用便携式地物光谱仪，直接测定不同样方中沉水植物的光谱反射率，光谱仪的波段覆盖350-2500nm。

实验室测定前用遮光布挡住外界的自然光,用黑色棉布贴在塑料箱四壁,以消除箱壁对光的反射和吸收利用50W全光谱卤光灯作为测定光源,用聚四氟乙烯(F4)漫反射参考板(反射率为20%)进行仪器的优化,并将光谱数据转化为反射率。测定时将探头垂直置于水面0.3m之上进行光谱采集,不同盖度苦草的样方各测定20个光谱数据作平均。

室外光谱测定时，将探头垂直置于水面0.5m之上,对每个样方测定20个光谱数据作平均。每次进行光谱测定前,同样利用参考板进行优化。

2.3 数据分析

表1测定样方的苦草生长状况及其环境因子

由于光谱反射信号在400nm之前和900nm波段之后受干扰的影响较大，在本研究中只选择400-900nm波段范围的光谱数据。使用便携式地物光谱仪携带的光谱处理软件，将所测苦草群落的光谱反射率作进一步的光谱波段截取与计算，得出四个遥感卫星波段组的反射率值。进行相关分析和线性回归，并作图。

结果与分析

3.1 实验室模拟实验

实验室模拟试验结果显示,不同盖度苦草的光谱反射曲线表现出典型的植被光谱特征。在400~500nm(绿光波段)和600~700nm(红光波段)处有较强的吸收,形成两个吸收谷,在可见光波长550nm处形成了反射绿峰”,当波长大于700nm时,光谱的反射率增强,形成了水生植物在近红外波段的反射高原区(图1)。在近红外波段的700~900nm范围内,反射率随苦草盖度的降低而下降,反射率的大小从低到高依次为:0%盖度<10%盖度<20%盖度<40%盖度<60%盖度<80%盖度。在525~575nm波段范围内,随着苦草盖度的降低其光谱反射率也有所下降,但幅度较小。当苦草盖度为0%时,反射光谱曲线虽然在750~950nm波段范围内也有较强的吸收,但在可见光范围内没有典型的植被光谱“绿峰”特征。不同盖度苦草的光谱反射率之间的差异主要表现在500~600nm和700~900nm这两个波段范围。

图1 实验室模拟试验中不同盖度苦草的光谱特征

图2 实验室模拟试验不同盖度苦草与其光谱反射率之间的相关性

图3 实验室模拟试验中苦草盖度与其反射率的回归分析

3.2 室外控制实验

室外控制试验结果同样表明,当苦草盖度变化时,其光谱反射率也相应地发生改变,反射率随苦草盖度的降低而下降(图4)。随着苦草盖度的降低,探头视场范围内水域面积所占比例逐渐增多,在400~900mm波段范围内的反射率均有所下降。在可见光到近红外波段,反射率的大小从低到高依次为:0%盖度<20%盖度<30%盖度<50%盖度<70%盖度<80%盖度。

图4 室外控制试验中不同盖度苦草的光谱特征

图5 室外控制试验中不同盖度苦草与其光谱反射率之间的相关性

图6 室外控制试验中苦草盖度与其反射率之间的回归分析

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审核编辑黄宇