引言

國內(nèi)外許多經(jīng)驗(yàn)表明，河流湖泊水生植被的恢復(fù)是水體環(huán)境和生態(tài)綜合整治的一個重要環(huán)節(jié)，是總體治理效果的最后實(shí)現(xiàn)過程，如果缺少這個環(huán)節(jié)，總體治理效果將會受到很大限制。

遙感技術(shù)已成為地表覆被及其組成信息的主要來源,已廣泛應(yīng)用于資源與環(huán)境動態(tài)監(jiān)測。目前，國外已有學(xué)者開始探索應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測沉水植物分布時空變化與生長狀況。Jakubauskas等對睡的蓋度和光譜反射之間的關(guān)系進(jìn)行了定量的研究,Han和Rundquis在試驗(yàn)池中研究了金魚藻在清水和富含藻類水體的不同深度下光譜反射率的變化。目前,國內(nèi)應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測沉水植物分布的時空變化與生長狀況研究還較少。

近年來，隨著高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,使遙感影像的空間分辨率和光譜分辨率得到很大提高。本項(xiàng)研究使用便攜式地物光譜儀測定大型沉水植物苦草的光譜特征,其主要目的是:

(1)識別大型沉水植物的光譜特征;

(2)建立沉水植物蓋度與光譜特征之間的定量關(guān)系,以期為高光譜遙感影像的影像判讀和解譯分類以及沉水植物分布時空變化與生長狀況監(jiān)測提供技術(shù)支撐，為大尺度遙感監(jiān)測沉水植物的分布和動態(tài)變化提供科學(xué)依據(jù)。

材料與方法

2.1 材料

本項(xiàng)研究選擇苦草為試驗(yàn)材料。苦草是長江中下游湖泊和河流中常見的沉水植物優(yōu)勢種，為多年生沉水草本，無直立莖，具橫走的匍匐莖，葉基生，葉片帶狀較長。苦草的耐污性和適應(yīng)性強(qiáng)、繁殖快，同時對藻類具有抑制作用，近年來作為生態(tài)修復(fù)中常選擇的沉水植物種類，被廣泛用于湖泊、河流和富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)。

2.2 光譜測定

使用便攜式地物光譜儀，直接測定不同樣方中沉水植物的光譜反射率，光譜儀的波段覆蓋350-2500nm。

實(shí)驗(yàn)室測定前用遮光布擋住外界的自然光,用黑色棉布貼在塑料箱四壁,以消除箱壁對光的反射和吸收利用50W全光譜鹵光燈作為測定光源,用聚四氟乙烯(F4)漫反射參考板(反射率為20%)進(jìn)行儀器的優(yōu)化,并將光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為反射率。測定時將探頭垂直置于水面0.3m之上進(jìn)行光譜采集,不同蓋度苦草的樣方各測定20個光譜數(shù)據(jù)作平均。

室外光譜測定時，將探頭垂直置于水面0.5m之上,對每個樣方測定20個光譜數(shù)據(jù)作平均。每次進(jìn)行光譜測定前,同樣利用參考板進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 數(shù)據(jù)分析

表1測定樣方的苦草生長狀況及其環(huán)境因子

由于光譜反射信號在400nm之前和900nm波段之后受干擾的影響較大，在本研究中只選擇400-900nm波段范圍的光譜數(shù)據(jù)。使用便攜式地物光譜儀攜帶的光譜處理軟件，將所測苦草群落的光譜反射率作進(jìn)一步的光譜波段截取與計(jì)算，得出四個遙感衛(wèi)星波段組的反射率值。進(jìn)行相關(guān)分析和線性回歸，并作圖。

結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示,不同蓋度苦草的光譜反射曲線表現(xiàn)出典型的植被光譜特征。在400~500nm(綠光波段)和600~700nm(紅光波段)處有較強(qiáng)的吸收,形成兩個吸收谷,在可見光波長550nm處形成了反射綠峰”,當(dāng)波長大于700nm時,光譜的反射率增強(qiáng),形成了水生植物在近紅外波段的反射高原區(qū)(圖1)。在近紅外波段的700~900nm范圍內(nèi),反射率隨苦草蓋度的降低而下降,反射率的大小從低到高依次為:0%蓋度<10%蓋度<20%蓋度<40%蓋度<60%蓋度<80%蓋度。在525~575nm波段范圍內(nèi),隨著苦草蓋度的降低其光譜反射率也有所下降,但幅度較小。當(dāng)苦草蓋度為0%時,反射光譜曲線雖然在750~950nm波段范圍內(nèi)也有較強(qiáng)的吸收,但在可見光范圍內(nèi)沒有典型的植被光譜“綠峰”特征。不同蓋度苦草的光譜反射率之間的差異主要表現(xiàn)在500~600nm和700~900nm這兩個波段范圍。

圖1 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)中不同蓋度苦草的光譜特征

圖2 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)不同蓋度苦草與其光譜反射率之間的相關(guān)性

圖3 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)中苦草蓋度與其反射率的回歸分析

3.2 室外控制實(shí)驗(yàn)

室外控制試驗(yàn)結(jié)果同樣表明,當(dāng)苦草蓋度變化時,其光譜反射率也相應(yīng)地發(fā)生改變,反射率隨苦草蓋度的降低而下降(圖4)。隨著苦草蓋度的降低,探頭視場范圍內(nèi)水域面積所占比例逐漸增多,在400~900mm波段范圍內(nèi)的反射率均有所下降。在可見光到近紅外波段,反射率的大小從低到高依次為:0%蓋度<20%蓋度<30%蓋度<50%蓋度<70%蓋度<80%蓋度。

圖4 室外控制試驗(yàn)中不同蓋度苦草的光譜特征

圖5 室外控制試驗(yàn)中不同蓋度苦草與其光譜反射率之間的相關(guān)性

圖6 室外控制試驗(yàn)中苦草蓋度與其反射率之間的回歸分析

歡迎關(guān)注公眾號：萊森光學(xué)，了解更多光譜知識。

萊森光學(xué)（深圳）有限公司是一家提供光機(jī)電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

審核編輯黃宇