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拉萨河中游高寒草地植被群落光谱特征的研究

拉萨河中游高寒草地植被群落光谱特征的研究

  2013年出版的《中国草原发展报告》显示,2006—2011年间西藏天然草原平均牲畜超载率达到37.41%。在人类不合理的超载放牧、鼠兔虫危害及全球气候变化的影响下,拉萨河中游的高寒草地主要表现为草地生境日益恶化、水土保持的能力下降、草地生态系统平衡遭到破坏,严重影响了该区域经济社会的可持续发展。因此,对拉萨河中游高寒草地植被群落特征的研究和监测高寒草地健康现状显得极其紧迫。截至目前,西藏草地健康遥感监测主要还是基于植被指数变化的检测方法,利用植被指数可以有效地估算生物量,但草地健康指数下降之初生物量不一定明显下降,可能仅仅是物种上的变化。因此在拉萨河中游的实地调查中,将植被指数与高光谱遥感技术相结合调查拉萨河中游高寒草地植被群落的特征,可以快速识别植被群落的物种变化。本试验选取拉萨河中游的林周县草地作为研究区域,采用便携式地物光谱仪测定拉萨河中游草地植被的主要建群种、退化指示种及不同退化程度草地植被群落的光谱曲线,分析拉萨河中游草地群落的特征波段、特征参数和不同退化程度的草地群落归一化植被指数(NDVI),可以识别群落中草本植被的种类,判断拉萨河中游草地群落的发展趋势和草地生态系统的健康状况,进而掌握拉萨河中游草地退化的现状,为拉萨河流域草地健康定量遥感及监测奠定理论基础。 


1 材料 

1.1 研究区概况 

  研究区位于西藏自治区拉萨市林周县,东连嘉黎县和墨竹工卡县,西接堆龙德庆区,北临当雄县,南抵达孜县和拉萨市城关区,位于东经90°84'~91°93'、北纬29°75'~30°47'之间,总面积约为4512km2。主要河流为澎波河、热振藏布、扎曲等,多为季节性河流, 位于拉萨河中游的河谷地区,长约138km,平均海拔为4200m,年均温度为2.9℃,降雨主要集中在5—9月份,年降雨量为495~530mm,属于高原温带季风半干旱气候,干湿季节分明,无霜期短,日照时间长,昼夜温差大。土壤类型主要是河谷草甸土、草原土和灌丛草原土等。植被类型是以高山沼泽草甸、高山灌丛草甸和亚高山灌丛为主的植被群落。


1.2 研究对象

  本试验选取的观测对象为拉萨河中游林周县(林周草地)的主要建群种和退化指示种,通过野外实地调查,选择的主要建群种为高山蒿草(Obresiapygmaca)、丝颖针茅(Stipa capillacea) 、喜马拉雅草沙蚕(Tripogon hookerianus) 、白尖苔草(Carex atrofusca)、白 草(Pennisetum flaccidum Grisep),这5种植物在研究区属于广布性植物; 退化指示种为狼毒(Stellera chamaejasme)、茎直黄芪 (Astragalus strictus)、酸模叶橐吾(Ligularia lapathifolia)、架棚(Ceratostigma minus),这4种有毒植物是西藏草地最常见的退化指示种。2015年7月12日调查植物群落的物种组成和采集林周县的主要建群种、退化指示种的植被叶片光谱以及不同退化程度草地群落的样方混合光谱。 


2 方法

2.1 数据的获取

  建群种和退化指示种光谱的采集方法:在研究区域内,用便携式地物波谱仪自带的叶片夹持器测量建群种和退化指示种的叶片光谱。群落光谱采集方法:选取12个1m×1m的样方,将便携式地物光谱仪的传感器视场角调为25°并保持观测方向垂直向下,同时将光谱仪的探头立在样方中心上方约1.1m处采集群落的光谱。根据当地的放牧历史、植被盖度及群落的NDVI选取3种不同退化程度的草地,即未退化草地、中度退化草地、重度退化草地,草地退化评价指标分级情况见表1。

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2.2 数据处理

2.2.1 一阶微分处理

  采用地物光谱仪自带的软件对原始光谱曲线进行预处理,去除异常点、异常曲线和阶跃后对测定的多条原始光谱曲线求平均值,然后对原始光谱进行一阶微分处理。一阶微分不仅能有效地去除光谱中存在的噪声,还能保留光谱原有特征,以便于提取原始植被光谱特征中 的红边位置和边幅值等有效信息,计算公式:R'(λi)=[R(λi+1)-R(λi-1)]/2Δλ。式中:R'(λi) 为反射率在λi处的一阶微分,λi为inm波段的波长,R(λi+1)为波长λi+1处的植被光谱反射率,Δλ是波长λi+1到波长λi-1的间隔。 


2.2.2 NDVI 

  NDVI是描述植物生长状态和植被空间分布密度的因子,也能反映群落空间生物量的多少,NDVI越大表示群落的生物量越多,NDVI 越小则 表示群落的生物量较少,计算公式:NDVI=(Rnir-Rred)/(Rnir+Rred)。式中:R是反射率Rnir是近红外光谱反射率,Rred是红外波段的反射率。当NDVI大于0且小于1时,NDVI越大表示其植被覆盖率越高,群落的生物量越多;NDVI越小表示其植被覆盖率越小,群落的生物量较少。 


2.2.3 数据的统计分析 

  应用便携式地物光谱仪自带的处理软件导出光谱数据,对光谱数据进行预处理,剔除受仪器和外界干扰较大的1800~2500nm波段后对原始光谱进行平滑处理,同时对原始光谱进行一阶微分计算,提取植被的光谱特征参数,然后利用Excel 2013软件对数据进行处理。 


3 结果与分析 

3.1 主要建群种与退化指示种的叶片光谱特征 

  绿峰位置是叶绿素的绿色强反射区,绿光的反射峰越明显,植被健康状况越好; 红谷位置是叶绿素的红光强吸收区,红光的吸收峰越明显,则植被的健康状况越好。主要建群种与退化指示种的光谱特征及其特征参数见图1和表2。

  从图1和表2可以发现,除了白草,主要建群种的绿峰值在0.1107~0.1224范围内,红谷值在0.0622~0.1352之间,且在1400nm处水分吸收谷浅; 而退化指示种有强绿光反射峰,“绿峰值”在0.0614~0.0957范围内,红谷值在0.0283~0.0619之间,与退化指示种红光相应的是二者叶片含水量高,在1400nm处水分吸收谷深。白草的绿峰值为0.0637,红谷值为0.0551,可见白草的健康状况优于其他主要建群种,但是不及退化指示种的健康状况。说明主要建群种植被健康状况不好而退化指示种生长旺盛,二者区分性较大,因此从绿峰值和红谷值可以准确将建群种与退化指示种区分开来。红边位置和红边斜率是反映植被健康状态的重要指标,红边位置和红边斜率越大,则表明其健康状况越好。表2中,退化指示种的红边位置在719nm附近,红边斜率在0.0041~0.0068之间。除了白草,主要建群种的红边位置在700nm附近; 红边斜率除白尖苔草外,其余都在0.0032~0.0038之间,其中白草的红边位置在719nm处、红边斜率为0.0038,而白尖苔草的红边位置为701nm、红边斜率为0.0061,与其他草地植被对比具有明显的区分性。因此,除了白草和白尖苔草,通过提取草地植被的红边位置与红边斜率可以很好地对拉萨河中游草地植被的毒草与建群种进行识别和分类。白草和白尖苔草的红边斜率和红边位置有其自己的特征,其他建群种的植物特征与这两种植物特征不一样,是这两种植物能区分毒草和建群种的特征,还是其他建群种可以作为识别和分类的标准。

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3.2 不同退化程度草地植被群落的光谱特征 

  拉萨河流域不同退化程度草地植被冠层的NDVI和群落光谱特征见表3和图2

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  从表3数据可以看出未退化草地冠层的NDVI>中度退化草地冠层的NDVI>重度退化草地冠层的NDVI表明NDVI越大草地植被覆盖率越高群落的生物量越多因此NDVI与群落生物量密切相关能反映草地退化的程度。


  由图2可知在可见光波段草地群落植被覆盖率高则其相应反射率小,红谷越深反映草地的退化程度低

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  同时在近红外波段(750~800nm) ,其反射率是未退化草地冠层中度退化草地冠层重度退化草地冠层表明近红外波段反射率与草地群落生物量密切相关反映草地退化程度此外1400nm处的水分吸收谷可以体现退化的程度水分吸收谷的深度与宽度都是未退化草地冠层中度退化草地冠 层重度退化草地冠层表明1400nm处的水分吸收谷是影响冠层中红外波段光谱响应的重要谱带随着冠层水分的减少植被中红外波段的水分吸收谷的宽度和深度明显降低其反射率明显增大因此近红外波段(750~800nm)1400nm的反射率可以作为草地退化的诊断指标。 


4 结论与讨论 

  1反射率与草地群落生物量密切相关因此能反映草地健康参数活力的程度同类型的植物由于根系深度的差异导致其资源获取能力强弱不同植物也因其叶绿素含量与水分含量的不同而不同因此在植被的光谱曲线中呈现出不同的光谱反射率。 

本试验通过提取拉萨河中游主要建群种与退化指示种光谱特征参数对拉萨河中游草地植被的退化指示种与建群种进行识别和分类主要是因为高山嵩草丝颖针茅白尖苔草和喜马拉雅草沙蚕的共同特点是叶片薄且呈细条状含水量低根茎短在干旱 年份难以从深层土壤中吸收水分和养料供自身生长需求植被的健康状况较差因此在 2015 年干旱条件下测得的光谱曲线呈现绿光的反射峰接近消失的现象酸模叶橐吾茎直黄芪和狼毒的特点是根茎粗壮可以从表层土壤中获取水分和养料供自身生长需要还能在干旱年份从深层土壤吸收水分和养料维持其生长需求表现为红光吸收峰最明显表明绿峰值和红谷值可以准确地对拉萨河中游草地植被的退化指示种与建群种进行识别和分类从而为判断拉萨河流域的草地退化程度提供依据。 


  2导数光谱技术可以减弱或消除其土壤背景、 凋谢物及仪器噪声等对草地光谱特征的影响对光谱反射率进行一阶微分可以使植被光谱的变化特征更清晰地反映出来红边位置与红边斜率是描述植被色素状态和健康状况的重要指示因子红边斜率越大则其植被覆盖度越高表明植被的生长状态越好也是植物种区别于其他物种的重要光谱特征之一。 

本研究通过对比主要建群种与退化指示种的红边斜率及红边位置发现主要建群种红边斜率和红边位置的反射率都小于退化指示种说明红边斜率和红边位置不仅可以用来区分拉萨河中游的主要建群种与退化指示种还能说明退化指示种的生长状态优于主要建群种从而可以为拉萨河流域草地退化提供判断依据。 


  3)NDVI与群落生物量密切相关能反映草地退化的程度且植物红光吸收谷与水分吸收谷相互关联只有叶片含水量高(在反射光谱上形成较深的水分吸收谷)才能进行较强的光合作用(在红光波段形成较深的吸收谷。 

本研究中3个不同退化程度的草地植被冠层中未退化草地冠层的NDVI更大重度退化草地冠层的NDVI最小在可见光波段草地群落植被覆盖率高则其相应反射率越小红谷越深同时在近红外波段(750~800nm),其反射率是未退化草地冠层中度退化草地冠层重度退化草地冠层表明可见光波段和近红外波段的反射率都与草地群落生物量密切相关反映草地退化程度此外1400nm处的水分吸收谷深度与宽度都是未退化草地冠层中度退化草地冠层重度退化草地冠层表明此参数同样体现草地植被退化的程度因此NDVI可见光波段近红外波段(750~800nm及1400nm水分吸收谷的反射率都可以用来表示草地不同退化程度的诊断指标从而判断拉萨河中游围栏内外草地群落的发展趋势和草地生态系统的健康状况进而掌握拉萨河中游草地退化的现状为拉萨河流域草地健康定量遥感及监测奠定理论基础

iSpecField-WNIR地物光谱仪是莱森光学(LiSen Optics)专门用于野外遥感测量、土壤环境、矿物地质勘探等领域的最新明星产品,由于其操作灵活、便携方便、光谱测试速度快、光谱数据准确是一款真正意义上便携式地物光谱仪。iSpecField- WNIR便携式地物光谱仪采用了工业级触控显示屏手柄探头,手柄探头同时采用了独有光学设计内置摄像头(相机)、GPS、激光指示器、内置光学快门控制,同时地物光谱仪主机与工业级触控显示屏手柄探头一体化设计,可野外现场直接进行地物光谱操作测量,使野外操作更加便捷方便,非常适合复杂的野外地物光谱测量。

iSpecField-WNIR便携式地物光谱仪光谱范围250-2500nm,独有的光路设计,可以实时自动校准暗电流, 采样了固定全息光栅一次性分光,测试速度快,最短积分时间最短可达30微秒,测试动态范围广,同时采用双路高像素探测器同步测量,光谱数据分辨率高,广泛应用于矿物鉴定、土壤研究、遥感测量、农作物监测、森林研究、海洋学研究和矿物勘察等各领域。


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典型应用

1.植被研究、农作物健康、森林树冠研究

2.林业科学、环境调查、农业调查

3.水体研究、气候研究、生态研究

4.氮含量测量、叶片叶绿素含量

5.土壤分析、生物质研究、海洋监测


技术优势特点

1. iSpecField-WNIR光谱范围250-2500nm,固定全息光栅一次性快速扫描分光

2. 2048像素面阵BT-CCD,256/512像元InGaAs,高像素双路探测器同步测量,光谱精度高、分辨率高

3. 主机与工业级触控显示手柄探头一体化结构,野外测量无需额外电脑,操作灵活

4. 最短积分时间30微秒,测量动态范围大

5. 工业级触控显示手柄探头内置摄像头(相机)、GPS、激光指示器、内置光学快门控制

6. SpecAnalysis专用地物分析软件,兼容ENVI、TSG、Arcgis等第三方工具软件

7. 嵌入了USGS数据库和NDVI等19个植被指数

8. 带触控显示手柄探头可扩展接口灵活,匹配丰富测量光学配件:包括叶片专用透射夹、矿物专用反射探头、室内太阳光源、视场角镜头、透反射实验室支架装置等可满足野外和实验室测量需求,可实现透射反射率、辐照度、辐亮度等功能测试

9. 大容量电池,续航时间4-5小时,供电电池模块可拆卸,带备用电池模块,满足长时间野外测量

10. 整机重量不超过4.5公斤、便携方便


SpecAnalysis地物光谱分析处理软件


典型地物光谱

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植被

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硫磺

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橄榄石


应用案例

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主要技术指标

型 号

iSpecField-WNIR-SRs

iSpecField-WNIR-HRs

波长范围

250-2500nm

250-2500nm

波长精度

± 0.5nm

± 0.5nm

波长重复性

± 0.1nm

± 0.1nm

光谱分辨率

1.5nm @250-1000nm

15nm @1000-2500 nm

≤1nm @250-1000nm

≤6nm @1000-2500 nm

光谱波长采样间隔

1nm @250-2500 nm

1nm @250-2500 nm

光谱通道数

2200

2200

等效噪声辐射

1.0×10-9W/cm2/nm/sr@700nm

1.2×10-9W/cm2/nm/sr@1500nm

5.8×10-9W/cm2/nm/sr@2100nm

0.8×10-9W/cm2/nm/sr@700nm

0.3×10-9W/cm2/nm/sr@1500nm

1.8×10-9W/cm2/nm/sr@2100nm

探测器/扫描方式

2048像素面阵BT-CCD/256像素InGaAs-TEC致冷:固定全息光栅分光

2048像素面阵BT-CCD/512像素InGaAs-TEC致冷:固定全息光栅分光

检测器阵列通道数

≥512@350-1000 nm;

≥530@1001-1800nm;

≥530@1801-2500 nm

杂散光

≤0.02% @350-1000 nm;

≤0.01% @1000-2500nm

辐射校准精度

<5%@400 nm;<5%@700 nm;<5%@2200 nm

最短积分曝光时间

30μs

更大辐射

VNIR 2 倍太阳光,SWIR 10 倍太阳光

内存

16GB/32GB/64GB(储存数据>100万组)

GPS

Yes

摄像头(相机)分辨率

>800万像素自动对焦

瞄准方式

内置激光指示器

光闸控制

自动

通信方式

PDA触控显示/WIFI传输

光谱软件

内置iSpecField-Soft测量软件、SpecAnalysis后处理分析软件

电池续航时间

充电电池持续工作时间:4-5 小时

光学附件

叶片专用透射夹、全天光余弦探头、手柄式光纤探头、矿物专用反射探头、室内太阳光源、视场角镜头、透反射实验室支架装置、标准白板、标准灰板等

尺寸/重量

340(长)× 300(宽)× 143(高)mm/4.5KG




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