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基本信息

項目名稱:
荒漠植物含水量的光譜特征分析
小類:
生命科學
簡介:
在對古爾班通古特沙漠南緣的荒漠植物進行現地調查基礎上,選取典型植物種類進行荒漠植物的高光譜數據和含水率的測定,對測定的高光譜數據在進行噪聲消除后,使用相關分析法,確定荒漠植物光譜數據與含水率之間的關系,找出荒漠植物對水分響應的敏感波段,并對荒漠植物對水分敏感波段的歸一化光譜數據進行聚類分析,將測定的荒漠植物按其含水率大小劃分為3個等級。
詳細介紹:
在內陸干旱區,水分條件決定荒漠植物生長的好壞,了解和掌握荒漠植物生長的水分條件,對評價荒漠植物生境狀況和荒漠生態治理意義重大?;哪参锏捏w內水分含量是其生長水分條件優劣的客觀反映。以往了解大面積荒漠植物的水分狀況,大多使用現地采樣的方法。這不僅費時、費力,其代表性也受到質疑。根據高光譜測定數據確定植物含水率的大小,為解決荒漠植物水分狀況提供了有效的途徑。 本研究在參考國內外高光譜與農作物含水率研究的基礎上,于2009年6月使用美國SVC公司生產的HR-768便攜光譜儀現地測定了古爾班通古特沙漠南緣主要荒漠植物的高光譜數據,在采集植物光譜時為去除隨機噪音干擾, 對同一種荒漠植物光譜測定十次,取十次測定值的平均作為其最終光譜曲線。 受環境和自然條件的影響,野外測定光譜數據在1900nm以后光譜的波動性很大,因此剔除1900nm以后的波段。 由于光譜儀波段間對能量響應上的差異,使光譜曲線總存在一些噪聲,本研究采用移動平均法進行光譜曲線平滑去噪處理。為了確定荒漠植物水分吸收特征,對測定的植物光譜曲線進行包絡線去除,荒漠植物的光譜曲線包絡線去除后,有效的突出了植物吸收和反射光譜特征的個性與共性,并將其歸一到一致的光譜背景上,以利于不同種類荒漠植物光譜的比較分析。 測定的9種荒漠植物在970, 1200, 1450nm譜段附近存在明顯的吸收谷,但它們是否反映其含水率高低?為此,對所測植物光譜978~1030nm, 1133~1266nm, 1374~1 534nm三個區段的反射光譜與植物相應含水率進行相關分析。結果表明, 978~1030nm波段(波段1)相關系數最高為0?895,最低0?405; 1133~1266 nm波段(波段2)相關系數最高0?930,最低0?894;1374~1534 nm波段(波段3)相關系數最高0?968,最低0?957??梢娚鲜?個波段與植物含水率均具有一定的相關性。其中,波段1相關性一般,波段2相關性較好,波段3相關性最好。即1374~1534 nm是荒漠植物對水分最敏感的波段。 荒漠植物在同一季節的含水率差異很大。為對荒漠植物含水率等級進行劃分,采用聚類分析方法,對植物光譜曲線進行聚類,以作為植物生理、生態習性和抗逆分析的依據之一。 對植物含水率光譜分析表明, 1374~1534nm能表征荒漠植物水分狀況。以9種荒漠植物1374~1534nm波段歸一化光譜為變量,采用系統聚類分析法(歐氏距離法)進行聚類,根據植物光譜曲線,按照水分高低可將9種植物分為三類,第一類:花花柴、駱駝蓬、蟲實,水分含量最高,達70%以上;第二類為尖喙牻牛兒苗、梭梭、早熟豬毛菜,水分含量50%~70%;第三類為補血草、琉苞菊、小花荊芥、水分含量在50%以下。 結論:研究表明, 1374~1534nm是表現9種荒漠植物含水量大小的最佳波段, 1133~1266nm波段也能較好的反映荒漠植物的含水量。這些篩選出的特征波段,不僅可用以推測植物含水量的高低,還可以對植物含水量的等級進行有效的劃分。這對大面積生態恢復的遙感監測和傳感器通道的設計無疑都具有重要的意義。

作品專業信息

撰寫目的和基本思路

為確定荒漠植物含水率大小與其高光譜數據間的關系,使用美國SVC公司的HR-768便攜光譜儀現地測定了古爾班通古特沙漠南緣主要荒漠植物的高光譜數據,使用去包絡線、特征波段提取和相關分析等方法,對所測荒漠植物的光譜曲線進行處理,并對處理后的光譜曲線進行特征分析,對荒漠植物光譜與含水率進行相關分析;對荒漠植物光譜對水分敏感波段的歸一化光譜數據進行聚類分析,將測定的荒漠植物劃分為含水率高、中、低三個等級。

科學性、先進性及獨特之處

對植物高光譜與含水率關系的研究,國內外學者多將重點放在農作物上,對荒漠植物高光譜與含水率的研究鮮見報道。本研究在參考國內外相關研究的基礎上,現地測定了古爾班通古特沙漠南緣9種典型荒漠植物的高光譜數據及含水率,對測定光譜數據去除包絡線后采用相關分析方法,確定了9種荒漠植物對水分響應的最佳波段,這一研究結果將為荒漠植物含水率高低的預測及含水率等級的劃分提供依據和方法借鑒。

應用價值和現實意義

本文對古爾班通古特沙漠南緣9種典型荒漠植物光譜特征和含水率進行研究,得出表達荒漠植物含水率的特征波段,以便對不同含水率荒漠植物的高光譜進行微弱光譜差異的定量分析,為荒漠植物遙感定量分析提供新的思路和途徑。對荒漠區生境分析和利用遙感數據進行荒漠植物生境監測具有重要的理論和現實意義。為新疆干旱荒漠化危害地區的遙感生態監測提供了新的思路和方法借鑒。

學術論文摘要

 用美國SVC的HR-768便攜光譜儀現地測定了9種荒漠植物的高光譜并在實驗室使用烘干法測定相應植物的含水率,對測定的光譜數據使用ENVI軟件去除包絡線,運用相關系數法分析植物含水率與反射光譜之間的關系,結果表明: 978~1030nm波段與植物含水率相關性一般, 1133~1266nm波段與植物含水率相關性較好, 1374~1534nm波段與植物含水率相關性最好,是表達植物含水率大小的特征波段。對1374~1534nm波段光譜數據進行聚類分析,可將測定的植物劃分為含水率較高(>70%)、中等(50%~70%)、較低(<50%)3個等級。以上研究揭示了荒漠植物含水量大小和光譜數據之間的關系,為荒漠區生境分析和利用遙感數據進行荒漠植物監測提供了參考依據。

獲獎情況

論文發表在《光譜學與光譜分析》2010年第9期, SCI和EI同時收錄。

鑒定結果

參考文獻

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同類課題研究水平概述

在國外,Penuelas(1993)等使用水分指數R970/R900監測小麥的水分狀況, Michio(1989)等則發現960nm處的導數光譜可用來監測水稻的水分虧缺狀況,Ceccato(2001)利用1600nm和820nm波段的反射率比估算單位葉面積上水分含量。在國內王紀華等(2001 )在室內條件下測定小麥葉片光譜反射率,對葉片的相對含水量進行了統計回歸,周順利等(2005)通過測定玉米冠層光譜反射率對玉米冠層相對深度指數與不同葉層含水量的關系做了研究,董晶晶等(2006)利用反射光譜信息提取水稻、橘樹、含笑、女貞等十余種植被葉片水分含量,得到了較高的精度,王紀華等(2000)利用小麥葉片含水量對近紅外波段光譜吸收特征參量(吸收深度),提出了一種利用光譜反射率診斷小麥葉片水分狀況的遙感方法,張君瑋等(2009)研究了Ce(Ⅲ)對UV—B輻射下大豆幼苗葉片含水量的影響,孫俊等基于冠層光譜特性得出水稻葉片含水率模型,提高了預測水稻葉片含水率的準確性,毛罕平基于光譜反射特征建立了葡萄葉片含水率模型。
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