地物光谱仪：沙柳沙障固沙地迎风坡地物光谱特性研究

引言

生物结皮又称微生物结皮，是苔类、叶苔、蓝绿藻、地衣类、真菌和细菌以及许多景观中常见的非维管植物成分形成的十分复杂的聚合体。生物结皮在干旱区生态系统中扮演着重要的角色，它能在干旱、瘠薄、高温等恶劣的环境中生存繁殖，在热带和寒带的干旱及半干旱地区分布广泛，在某些地区其覆盖度在70%以上，是干旱和半干旱地区生态系统演替中的重要环节。20世纪80年代以来，伴随着沙漠化威胁的日益加重，生物结皮在荒漠生态系统中的作用愈发突出，生物结皮所具有的生态功能亦引起了学者的普遍重视，并逐渐成为荒漠地区生态研究的热点。研究者分别从地表生物结皮的发育、生物结皮细菌的分离、生物结皮的人工促进技术以及生物结皮对土壤入渗、植物生长、土壤抗冲性、土壤微生物的影响等方面进行了研究与探讨，而对沙丘表面生物结皮的光谱特性研究较少。本文以库布齐沙漠中段七里明沙区沙柳沙障固沙地迎风坡不同部位沙粒、黑色和绿色生物结皮为研究对象，采集了迎风坡不同部位裸沙粒、黑色和绿色生物结皮地物光谱数据，对比分析了其光谱特性，找出其变异规律，不仅是建立地面光谱数据与遥感图像空间光谱数据之间的桥梁，也是提高地物识别精度和信息定量反演精度的基础，其理论成果将为利用生物结皮进行沙漠沙地治理提供积极的指导作用。

研究区概况

研究区位于库布齐沙漠中段七里明沙区，区域范围界于：N40°10'~40°20'，E109°48'~110°48'。研究区位于内蒙古高原向黄土高原的过渡带，属于温带大陆性气候。年平均温度为6.1℃，极端最高温度为40.2℃，最低为-34.5℃。多年平均降雨量为310mm，7~9月降水量占全年的70%，且多以暴雨形式出现，蒸发量2500mm。大风日数最多达48d/a，主导风向为西北风。研究区总面积400km2，区内地貌类型主要由流动沙丘、半固定沙丘、风蚀残丘等构成，其中流动沙地面积1.13x104hm2，占本区总面积的28.3%。

研究方法及数据处理

3.1 光谱数据

采集点选择以设有10年沙柳沙障的典型固定沙丘为研究区，选择迎风坡丘间地、沙丘底部、沙丘中部及沙丘上部作为光谱数据采集点，分别采集迎风坡不同部位裸沙、黑色和绿色生物结皮的地物光谱数据。为使数据具有可比性，生物结皮光谱数据采集点处的生物结皮盖度均为45~55%。

3.2 光谱数据采集及处理

3.2.1 光谱数据采集

本研究可采用莱森光学生产的iSpecField-WNIR便携式地物光谱仪，有效光谱范围在300~2500nm。野外地物光谱特性测量受太阳高度角和天气状况的影响较大。为了克服太阳高度角变化对测量结果的影响，选择每天10：00~14：00为野外测量时间。在2012年8月4日~8月5日天气晴朗无风的时段进行了研究区地物光谱测量。每个全光谱数据测量时间设定为5s，地物光谱测量前首先对光谱仪进行暗电流采集和白板标定，以后每更换一次地点，进行一次白板标定。测量高度即探头距离地物60cm，每类地物测量均在10min内完成10次测量，取其平均值作为该类地物的反射率。

3.2.2光谱数据融合

首先利用地物光谱仪SpecAnalysis软件对研究区变异较大的地物光谱曲线进行剔除，然后对数据重叠部分进行匹配，再对地物光谱数据进行融合。

3.2.3光谱数据平滑

由于光谱仪波段间对能量相应上的差异，使光谱曲线总存在一些噪声，为得到平衡与概略的变化，需平滑波形，以去除包含在信号内的少量噪声。实践表明：如果噪声频率较高，其量值也不大，用平滑法可在一定程度上降低噪声。常用的平滑方法有移动平均法、静态平均法、傅立叶级数近似等，其大部分方法是基于低通滤波，使用低通滤波保留低频部分的同时消除高频部分，以达到平滑和去噪的作用。本文采用9点移动平滑法对采集的地物光谱数据进行平滑处理。数据平滑在遥感影像处理软件ENVI/IDL支持下完成。利用IDL中的Smooth函数编写9点平滑代码，在ENVI中通过"Spectral"菜单下的"SpectralMath"，调用9点平滑函数对实测光谱数据进行平滑处理。平滑处理前后效果见图1。

图1光谱平滑处理效果对比图

3.2.4剔除水汽吸收波段

由于大气中水汽的强烈吸收，地面光谱和空中遥感数据在水汽吸收波段基本都是噪声。为使野外地面测量结果与今后遥感数据相匹配，需剔除水汽吸收峰影响严重的波段区域，去除明显错误波段数值。剔除水汽吸收前后光谱曲线比较见图2。

（a）剔除水汽吸收波段前光谱曲线；（b）剔除水汽吸收波段后光谱曲线

图2剔除水汽吸收波段前后光谱曲线对比图

结果与分析

4.1 沙丘迎风坡不同部位沙粒光谱特性

分析沙丘迎风坡不同部位沙粒光谱反射特性对比见图3。由图3分析可知，在全波段范围内，沙柳沙障固定沙丘不同部位沙粒光谱曲线总体变化比较平缓。350nm处不同部位光谱反射率非常接近，350~600nm范围内，光谱反射率快速增加，由6.7%增加到41%，600nm以后迎风坡3个部位光谱反射率变化规律基本相同，其反射率大小排序为：迎风坡中部>迎风坡上部>迎风坡丘间地。设置沙障的沙丘与流动沙丘相比，粉粒和黏粒含量均有所增加，且其变化规律呈现出沙丘中部<沙丘上部<沙丘下部的趋势。粉粒和黏粒含量较多的沙地，其土壤颗粒细，土中微生物含量高，且水分条件好，地表对光的吸收率高。600~1350nm是判定土壤颗粒粉粒和黏粒含量理想的波段范围。

图3沙丘迎风坡不同部位沙粒光谱反射曲线图

4.2 沙丘迎风坡不同部位黑色结皮光谱特性分析

沙丘迎风坡不同部位黑色结皮光谱反射特性对比见图4。由图4分析可知，沙柳沙障固定沙地迎风坡中部和上部黑色结皮光谱反射率在350~2280nm波段范围内变化规律基本相同，且2条光谱反射率曲线非常接近，说明黑色结皮及地表状况在这2个部位较为相似。迎风坡丘间地黑色结皮光谱反射率与迎风坡中部和上部相比，光谱反射率明显偏低，主要是由于丘间低地水分状况好，地表水分对光的吸收能力强。

图4沙丘迎风坡不同部位黑色结皮光谱反射曲线图

4.3 沙丘迎风坡不同部位绿色结皮光谱特性分析

图5为沙丘迎风坡不同部位绿色结皮光谱反射特性对比。据相关研究表明，健康维管植物的光谱曲线有着明显的特点：在可见光的550nm附近，有一个反射率为10%~20%的小反射峰；波长在450~650nm附近，有两个明显的吸收谷；波长在700~800nm之间是一个陡坡，在高光谱研究中它被称为植被“红边”；波长在800~1300nm之间是一个相对平坦的较高反射率区域；在1450nm、1950nm、2600~2700nm处一个吸收谷。由图5分析可知，沙丘迎风坡丘间地、中部及上部绿色结皮均表现出绿色植物所具有的光谱曲线变化特点。350~500nm范围内，光谱曲线变化平缓，绿色结皮在绿光波段560nm处有一反射峰。由于叶绿素的吸收作用，在680nm处有一吸收峰。680~740nm范围内，反射率急剧增高，在高光谱研究中它被称为植被“红边”，是植被具有诊断性的光谱特征，“红边”的位置、高度和斜率会因植被的不同及同一植被不同生长状况而存在差异。波长在740~1330nm之间是一个相对平坦的较高反射率区域，它主要由绿色结皮的细胞构造所决定。通过以上分析可以看出，沙柳沙障固沙地迎风坡不同部位绿色结皮的光谱反射特性与维管植物非常相似。当生物结皮的植物体干燥时呈黑色或灰黑色，湿润时呈绿色或黄绿色，根据实地勘察，由于2012年该研究区降水量丰沛，土壤含水量高，测定的绿色结皮更为鲜绿和健康，因此与普通维管植物较为相似。

图5沙丘迎风坡不同部位绿色结皮光谱反射曲线图

4.4 沙丘迎风坡黑色与绿色结皮光谱特性分析

图6为沙丘迎风坡黑色与绿色结皮光谱特性对比图。由图6分析可知，迎风坡底部和中部黑色结皮光谱反射率曲线总体变化比绿色结皮平缓。绿色结皮在680~740nm范围内反射率急剧增加，有明显的“红边”，而黑色结皮“红边”基本不存在，说明随着土壤含水量的增加，生物结皮从外表颜色及细胞特性等方面逐渐接近于通绿色植物。

图6沙丘迎风坡黑色与绿色结皮光谱反射曲线图

结论与讨论

生物结皮作为固定、半固定沙漠中重要的地表覆盖类型，在防风固沙、改善生态环境等方面发挥着极其重要的作用。论文以库布齐沙漠中段七里明沙区沙柳沙障固沙地迎风坡不同部位沙粒、黑色结皮及绿色结皮为研究对象，实地采集研究对象的地物光谱数据，并进行了对比分析。研究结果表明：随着土壤中粉粒与黏粒含量的增加，地表土壤反射率呈下降趋势；沙丘迎风坡不同部位黑色生物结皮的光谱反射率曲线变化比较平缓，与绿色结皮相比，“红边”基本不存在，更接近于普通壤土；沙丘迎风坡绿色结皮均表现出绿色植物所具有的光谱曲线变化特点。研究结果将对于评价生物结皮治理沙漠沙地效果具有重要意义。但从目前研究结果看，荒漠藻生物结皮的光谱特性研究还鲜见报道，因此在后期研究中应加强以下几方面研究：

（1）生物结皮颜色随着地表水分的变化而变化，表现出的规律是：地表干燥时，结皮表现为黑色或灰黑色；地表湿润时，结皮表现为绿色。其光谱特性上亦存在着较大的差异性，因此保持同一土壤水分条件下测定黑色与绿色结皮光谱特性，将会使研究结果更具有代表性。

（2）结合光谱测定技术，评价高立式、低立式、隐蔽式、平铺式等类型沙障内的生物结皮生长状况及防沙治沙效果。

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审核编辑 黄宇