泥炭藓群落的光谱特征及遥感识别研究

以中位泥炭藓(Sphagnum magellanicum Brid.)为研究对象,分别从实测冠层光谱和遥感传感器模拟光谱层面分析其群落的光谱特征。研究结果显示,中位泥炭藓与北方针叶林光谱差异明显,最佳光谱识别区间为740～1140 nm和1230～1412 nm。在可见光波段上,中位泥炭藓与云杉(Picea engelmannii Parry ex Engelmann)和黑松(Pinus contorta Douglas ex Loudon)的绿峰位置有所差异。水竹(Phyllostachys heteroclada Oliver)和中位泥炭藓的光谱识别特征波段集中在可见光-近红外波段,分别为400～550、560～696、1025～1143 nm。中位泥炭藓与北方针叶林以及水竹的特征光谱区间存在细微差异,且与水竹在可见光波段有较好的可分性,因此不同纬度带上中位泥炭藓群落的特征谱宽有所差异。红外波段是中位泥炭藓识别的最佳光谱区间。在多光谱遥感水平上,中位泥炭藓识别效果较好,传感器的识别能力依次为:MSI> ALI> OLI> ASTER。在2个中位泥炭藓群落的光谱特征分析中,导数、对数、包络线去除法的光谱降维能力有所差异,其中包络线去除法效果最好。     

东北哈泥泥炭地不同泥炭藓属植物高光谱特征

泥炭藓是北方泥炭地的优势植物,其高光谱特征研究很少。本研究采用高光谱遥感技术,对不同水位埋深条件下(藓丘及丘间)生长的相同种类泥炭藓植物,及同一水位埋深条件下的不同种类泥炭藓植物的光谱特征进行研究。结果表明,不同种类泥炭藓属植物的光谱反射特征具有明显种间差异,主要反映在绿峰、红边的差异上。由于水分条件差异,生长在高丘和低丘的锈色泥炭藓、泥炭藓及中位泥炭藓在可见光和近红外波段的光谱反射率均具有显著差异,高丘的泥炭藓属植物的反射率均高于低丘的泥炭藓属植物。本研究所获得的东北地区哈泥泥炭地几种泥炭藓属植物的详细光谱信息,可以为高分辨率航空影像和卫片解译泥炭藓湿地提供地面基础。     

黑龙江兴凯湖沼泽地苔藓植物群落初步研究

2009年夏在黑龙江兴凯湖沼泽地中随机选取47个1m×1m样方,进行苔藓植物及相应维管植物群落调查,并测量记录环境因子,以分析苔藓植物多样性,探讨影响苔藓植物生长与分布的主要环境因子。结果表明：所调查的沼泽地中共有苔藓植物5科、6属、7种,其中粗叶泥碳藓（Sphagnumsquarrosum）和中位泥碳藓（S.magellanicum）为优势种。CCA分析结果显示,粗叶泥炭藓和中位泥炭藓多分布于水位埋深大的生境中,且前者常出现于以细叶苔草（Carexrigescens）为主的群落中,而后者则主要出现于以芦苇（Phragmitesaustralis）-小叶章（Deyeuxiaangustifolia）为主的群落中;中位泥炭藓能生长于沼泽地pH4·4~6·5的所有生境中,粗叶泥碳藓则局限生长于pH5·3左右的生境中,而大湿原藓（Calliergonellacuspidata）、万年藓（Climaciumdendroides）、地钱（Marchantiapolymorpha）和镰刀藓（Drepanocladusaduncus）等4种苔藓植物生长于水体pH值为6·3左右的生境中。研究认为,沼泽地的水位埋深、水pH值和维管植物群落特征是影响这7种苔藓植物生长和分布的主要因子。     

应用间接排序识别盐沼植被的光谱特征:以崇明东滩为例

遥感技术已成为大尺度植被分类的重要手段,而地面植物群落特征与其光谱特征之间的关系是解译遥感影像的关键。该研究选择上海崇明东滩自然保护区的盐沼植物群落为对象,应用ASD地物光谱仪测定其植物群落的光谱反射率,并采用10个小型机载成像光谱仪(CASI)默认植被波段组,应用主分量分析法和相关分析分析了不同群落光谱特征与生态环境因子之间的关系。分析结果表明,间接排序法PCA能够识别盐沼植被中光滩、海三棱 草(Scirpus mariqueter)群落、芦苇(Phragmites australis)群落和互花米草(Spartina alterniflora)等群落的光谱特征,绝大多数盐沼湿地植物群落组成与光谱特征之间有显著的相关,识别效果最好的波段组是736~744 nm、746~753 nm、775~784 nm、815~824 nm和860~870 nm;对光谱反射率影响最大的生态环境因子分别是植物群落的高度和盖度,高程和其它环境因子的影响次之。研究成果可为遥感监测崇明东滩自然保护区内入侵种互花米草的空间分布和扩散规律提供技术支撑,为高光谱遥感影像的影像判读和解译分类以及盐沼湿地植被制图提供科学依据。     

上海盐沼植被的多季相地面光谱测量与分析

遥感是大尺度生态研究的重要工具之一,而地面植物群落特征与其光谱特征之间的关系是解译遥感影像的关键.研究选择上海崇明东滩候鸟自然保护区的盐沼植被为研究对象,使用ASD便携式地物光谱仪测定芦苇、互花米草、海三棱藨草和糙叶苔草4类主要群落的春、夏、秋各季冠层反射光谱,并计算生成350～1000nm的反射率曲线的一阶导数曲线,在此基础上分析反射率与一阶导数曲线在可见光与近红外波段以及物候特征的“绿峰”和“红边”等波段的差异.分析显示,不同盐沼群落在各生长季都有较独特的光谱特征,四类盐沼群落的光谱特征在季相上表现各异.上海地区盐沼植被各类群落的遥感识别和分类的适宜季相不尽相同,应用多季相影像进行综合分类可取得较好的效果.研究结果可为遥感监测外来种互花米草的空间分布与动态提供技术支撑,为高光谱遥感的影像判读和解译分类以及盐沼植被制图提供科学依据.     

潜水位和邻体对长白山哈泥泥炭地3种苔藓的影响

我国东北泥炭地大多存在直叶金发藓优势度增加的现象,其内在机制尚不清楚。以大泥炭藓、中位泥炭藓和直叶金发藓为材料,在哈泥泥炭地选取潜水位差异明显的两个生境,人工构建苔藓群落,研究潜水位和邻体对3种苔藓形态及生化指标的影响。结果表明:潜水位降低抑制两种泥炭藓的高增长和中位泥炭藓的可溶性糖含量,增加两者分枝生产和N含量,而直叶金发藓除生物量受到抑制,分枝生产受到促进外,其他指标均无响应;在混合群中,两种泥炭藓相互促进彼此的高增长和生物量生产,直叶金发藓抑制大泥炭藓的分枝生产和中位泥炭藓的C含量,但两种邻体对直叶金发藓的各项指标影响甚微。研究表明,直叶金发藓尽管未对泥炭藓产生直接的竞争效应,但是凭借其良好的耐旱能力,仍能在气候变暖以及人为干扰导致的潜水位下降的背景下,获得竞争优势,实现种群的扩展。     

水体悬浮物浓度对大型沉水植物黑藻反射光谱的影响

沉水植物的恢复是改善富营养化水体和重建水生生态系统的有效措施．应用遥感技术可以实时、大面积监测沉水植物的分布和生长情况,而水体中的悬浮物等物质影响沉水植物的光谱特征,直接影响对湖泊、河流遥感影像中沉水植物的准确解译．本研究利用地物光谱仪在室外实测了不同水体悬浮物浓度条件下沉水植物黑藻群落的光谱反射率．结果表明,在400～900nm波段,水体中悬浮物浓度越高,沉水植物的光谱反射率越大．水体悬浮物浓度与黑藻群落光谱反射率在400～900nm均为显著相关（P〈0．05）,在450～900nm为极显著相关（P〈0．01）．在蓝、绿、红和近红外4个波段,将水体悬浮物浓度与其光谱反射率进行回归分析,均得到了较好的线性关系．利用本研究结果对富含悬浮物水体中沉水植物的反射光谱进行修正,可为准确、快速和大尺度遥感监测沉水植物的分布和动态提供科学依据．     

大型沉水植物苦草的光谱特征识别

地物特征与其光谱特征的关系是解译遥感影像的关键.利用地物光谱仪在实验室和上海“梦清园”人工湿地中,分别实测了不同盖度沉水植物苦草的反射光谱特征.结果表明随着苦草盖度的增加,其光谱反射率也相应增加,不同盖度苦草的光谱反射率差异主要表现在500～650 nm和700～900 nm 波段范围.受水体环境影响,实验室模拟试验与室外控制试验测得的苦草光谱反射率差异主要表现在近红外波段（700～900 nm）.分别将苦草的不同盖度与其在QuickBird多光谱遥感影像4个波段与盖度相关性最大波段处的光谱反射率进行回归分析,得到了较好的线性关系.应用回归分析得到的线性方程,可以根据测定的光谱反射率定量反演水体中的苦草盖度.研究结果可为监测沉水植物的高光谱遥感影像判读和解译分类提供技术支撑,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.     

基于实测光谱的大兴安岭地区典型森林枯落物含水率估测模型

大兴安岭是我国重点森林火灾区,准确预测该地区的森林可燃物含水率对于提高该地区林火发生预测的准确性意义重大。本研究采集典型林型的枯落物的光谱和含水率实测数据,通过一阶导数和去包络线的光谱分析方法识别森林枯落物含水率敏感波段。通过相关系数法从原始光谱、去包络线光谱、一阶导数光谱、去包络线之后的一阶导数光谱中筛选与枯落物含水率高度相关的波段作为含水率反演模型的备选自变量。利用逐步回归分析建立枯落物含水率反演模型,并对模型进行精度评价。结果表明,去包络线之后的一阶导数光谱对枯落物含水率变化存在显著响应,敏感波段位于398~668、768~1068、1098、1278、1388~1438、1458~1538、1868~1898、1988~2088、2198~2208、2228~2238 nm(P0.05)。相关系数极值为-0.653、0.610,分别在波长2008、1888 nm处。通过多元逐步回归构建大兴安岭地区9种典型林型枯落物光谱和含水率的预测模型,模型决定系数R2=0.537,平均相对误差为0.303,均方根误差为0.499。本研究结果将为利用遥感技术快速测定森林枯落物含水率提供参考。     

泥炭地苔藓植物孢子生活力的快速检测

适量的烟气能够促进有性繁殖体萌发,但迄今尚无辅助烟气处理探究孢子生活力快速检测方法的研究报道。该文选择毛缘泥炭藓（Sphagnum fimbriatum）、中位泥炭藓（S.magellanicum）和粗叶泥炭藓（S.squarrosum）作为材料,分别使用亚甲基蓝染色法、四唑（TTC）染色法、碘-碘化钾（I₂-KI）染色法和红墨水染色法对泥炭藓孢子进行染色,并比照营养液、烟溶液+营养液培养的孢子萌发试验,对比研究泥炭地苔藓植物孢子生活力快速检测的最佳方法。结果表明：亚甲基蓝染色法的染色效果最为明显,TTC和I₂-KI均未能使泥炭藓孢子着色,孢子对红墨水虽有着色反应但不清晰;与营养液培养相比,添加烟溶液使毛缘泥炭藓、中位泥炭藓和粗叶泥炭藓孢子萌发率分别提高5%、5%和18%;使用亚甲基蓝染色的孢子染色率与经烟溶液处理过的孢子萌发率最为接近。综上认为,亚甲基蓝染色法能快速检测泥炭藓孢子的生活力。     

Nutrient concentration in shape Sphagna at increased N-deposition rates and raised atmospheric CO2 concentrations

Sphagnum fuscum, S. magellanicum, S. angustifolium and S. warnstorfii were treated with N deposition rates (0, 10, 30 and 100 kg ha^-1 a^-1) and with four atmospheric CO₂ concentrations (350, 700, 1000 and 2000 ppm) in greenhouse for 71–120 days. Thereafter, concentrations of total N, P, K, Ca and Mg in the capitulae of the Sphagna were determined. The response of each species to N deposition was related to ecological differences. With increasing N deposition treatments, moss N concentrations increased and higher N:P-ratios were found, the increase being especially clear at the highest N load. Sphagnum fuscum, which occupies ombrotrophic habitats, was the most affected by the increased nitrogen load and as a consequence the other elements were decreased. Oligotrophic S. magellanicum, wide nutrient status tolerant S. angustifolium and meso-eutrophic S. warnstorfii tolerated better increased N deposition, though there were increased concentrations of Ca and Mg in S. warnstorfii and Mg in S. magellanicum. Nitrogen and P concentrations decreased with raised CO₂ concentrations, except for S. magellanicum. This seems to be the first time this kind of response in nutrient concentrations to enhanced CO₂ concentration has been shown to exist in bryophytes. The concentration of K clearly decreased in S. fuscum as did the concentration of Mg in the other Sphagna with increasing CO₂. Sphagnum angustifolium and S. magellanicum, which are the less specialized species, were the least affected by the CO₂ treatments.     

水稻氮素营养高光谱遥感诊断模型

对水稻氮素含量与原始光谱反射率、一阶微分光谱以及高光谱特征参数间的相关性进行了分析,并构建和验证了以遥感参数为自变量的水稻氮素营养诊断模型.结果表明：氮素含量在水稻各器官中总的变化趋势为茎<鞘<穗<叶;各器官在可见光波段的光谱反射能力为叶<穗<鞘<茎,在近红外波段则与此相反.以波长796.7 nm处的光谱反射率和738.4 nm处的一阶微分光谱反射率为自变量的线性模型和指数模型的决定系数（R²）分别为0.7996和0.8606,二者均能较好地诊断水稻氮素营养,但最适合诊断水稻氮素含量的拟合模型是以植被指数的归一化变量（SD_r-SD_b）/（SD_r+SD_b）为自变量构建的水稻氮素营养高光谱遥感诊断模型［y=365871+639323（SD_r-SD_b）/（SD_r+SD_b）,R₂＝0.8755,RMSE＝0.2372,相对误差＝11.36％］,该模型可定量诊断水稻氮素营养.     

基于光谱指数的植物叶片叶绿素含量的估算模型

叶绿素是光合作用能力和植被发育阶段的指示器,是监测湿地植被生长健康状况的重要指标之一;高光谱遥感技术可以为植物叶绿素含量的定量化诊断提供简便有效、非破坏性的数据采集和处理方法。为保证被探测叶片面积相同,消除背景反射、叶片表面弯曲造成的光谱波动及叶片内部变异造成的影响,研究采用Field Spec 3光谱仪加载手持叶夹式叶片光谱探测器,测定野鸭湖湿地典型植物的叶片高光谱反射率数据,同时通过分光光度计室内测定相应叶片的叶绿素含量。采用相关性及单变量线性拟合分析技术,建立二者的关系模型,包括叶绿素含量与"三边"参数的相关模型以及比值光谱指数(SR)模型和归一化差值光谱指数(ND)模型,并采用交叉检验中的3K-CV方法对估算模型进行模型精度检验。结果表明:植物叶片叶绿素含量与"三边"参数大多都呈极显著相关,相关系数最大达到0.867;计算光谱反射率组成的比值(SR)和归一化(ND)光谱指数与叶绿素含量的决定系数,总体相关性比较高,较好的波段组合均为550—700nm与700—1400nm以及550—700nm与1600—1900nm,与叶绿素含量相关性最好的指数分别是SR(565nm,740nm)和ND(565nm,735nm)。并通过选取相关性最佳的光谱特征参数,分别基于"三边"参数和ND模型指数构建了植物叶片叶绿素含量的估算模型。其中,基于红边位置(WP_r)光谱特征参数和ND(565nm,735nm)光谱指数建立的叶绿素含量估算模型,取得了较好的测试效果,检验拟合方程的决定系数(R2)都达到0.8以上,估算模型分别为y=0.113x-78.74,y=5.5762x+4.4828。通过3K-CV方法进行测试和检验,植物叶绿素含量估算模型均取得了较为理想的预测精度,预测精度的分别为93.9%及90.7%。高光谱遥感技术对植被进行微弱光谱差异的定量分析,在植被遥感研究与应用中表现出强大优势,为植物叶绿素含量诊断中的实际应用提供了重要的理论依据和技术支持。     

不同生长状态珊瑚光谱特征

珊瑚礁生态系统迅速退化是目前重要的生态环境问题之一,应用遥感技术监测大范围珊瑚礁的结构组成和变迁有很大的潜力。珊瑚光谱响应特征受珊瑚生态习性影响,在光学上相似而容易造成混淆误判。采集了西沙群岛大量石珊瑚样品的光谱,对其光谱特征进行分析及成因探讨。通过导数光谱、主成分分析研究了不同生长状态珊瑚的光谱差异,并建立珊瑚生长状态高光谱遥感判别准则。结果表明,珊瑚的光谱特性及其变化均较为复杂,受珊瑚种类和生长环境影响,光谱形状主要由共生藻色素吸收决定的。结合520—530 nm、564—574 nm和600—605 nm的导数光谱可以区分健康珊瑚、白化珊瑚和藻类覆盖的死珊瑚。总体判定准确度优于80%,误判的主要来源是种内珊瑚反射率差异。研究表明珊瑚礁环境高光谱遥感可以定量评估珊瑚状态的变化。     

基于高光谱的苹果果期冠层光谱特征及其果量估测

苹果冠层光谱特征是苹果树遥感生理监测和生产管理的重要依据。对栖霞市苹果果期的冠层反射光谱进行实测,结合数码照相技术探明了苹果果期的反射光谱特性和敏感波段,并通过敏感波段与果树比指标建立回归模型,实现了对苹果冠层果量(果树比)的无损估测。结果表明:苹果树果期冠层光谱曲线总体表现为对蓝光和红光的吸收及对绿光的反射,在近红外750—1300nm之间表现为强烈的反射,且在1650nm和2200nm附近呈现两个反射峰。选择435、670、730、940、1140nm和1480nm等6个波段为苹果果期的敏感波段。利用这些波段分别构建了差值、比值及归一化植被指数,筛选了最佳光谱参数,进而构建了果量(果树比)估测模型,经筛选验证确定苹果果量的最佳估测模型为:y=0.0086[NDVI(940,730)]2-1.0934NDVI(940,730)+0.3209。模型为苹果果期果量的精确估测提供了比较快捷的方法途径。     

The bryophyte genus Sphagnum is a reservoir for powerful and extraordinary antagonists and potentially facultative human pathogens

Sphagnum plants grow in natural, species-poor carpets at low pH but without any known substantial fungal disease. To investigate this phenomenon, we analysed bacterial populations associated with two Sphagnum species with different ecological behaviour, namely S. magellanicum and S. fallax, from three sites in Germany and three in Norway, with a special focus on the functional group of antagonists. The screening of 493 bacterial isolates for antagonistic activity against fungal pathogens resulted in 237 (48%) active isolates. We found a higher proportion of antagonists for S. magellanicum (24%) than we did for S. fallax (19%) in general. The majority of the antagonists belonged to the genera Serratia (15%), Burkholderia (13.5%), Staphylococcus (13.5%), and Pseudomonas (10%). In contrast to the high moss specificity found for antagonistic bacteria, Burkholderia as well as Serratia isolates with highly similar molecular fingerprints as ascertained by BOX-PCR for both Sphagnum species were found. Interestingly, a high proportion of antagonists, for example Staphylococcus, Hafnia, Yersinia, and Pantoea, were identified as strains that are known as facultative pathogens of humans. Sphagnum plants represent an ecological niche not only for diverse and extraordinary microbial populations with a high potential for biological control of plant pathogens but also for opportunistic human pathogens.     

叶冠尺度野鸭湖湿地植物群落含水量的高光谱估算模型

利用高光谱遥感技术定量估测野鸭湖湿地植被含水量,对于监测和诊断野鸭湖湿地植被的生理状况及生长趋势具有重要意义,也能够为高光谱遥感影像在野鸭湖湿地植被含水量诊断中的实际应用提供理论依据和技术支持.采用Field Spec 3野外高光谱辐射仪,获取了野鸭湖典型湿地植被冠层和叶片的光谱,并测定了对应的含水量.以上述实测数据为基础,首先以芦苇为例初步探明了不同含水量水平下典型湿地植被冠层和叶片光谱反射率的响应模式,然后采用相关性及单变量线性与非线性拟合分析技术,从冠层和叶片两种层次,对不同尺度下的含水量与“三边”参数及高光谱植被指数进行了分析拟合,并采用交叉检验中的3K-CV方法对估算模型进行了测试和检验,确立了不同尺度下野鸭湖湿地植被含水量的定量监测模型.结果表明:(1)随着含水量水平的增加,芦苇冠层与叶片光谱在可见光波段(350-760 nm)和红外波段(760-2500 nm)的反射率均呈逐渐降低趋势.(2)不同尺度含水量与选取的光谱特征参数整体上相关性较强,与“三边”参数基本上都呈极显著相关,相关系数最大达到0.906;与高光谱指数全部呈极显著相关,相关系数最小为0.455,最大达到0.919,并通过选取不同尺度上相关性最佳的光谱特征参数,分别基于“三边”参数和高光谱植被指数构建了不同尺度下的含水量估算模型.其中,冠层尺度下,黄边面积(SDy)与SRWI( Simple Ratio Water Index)的估算效果最好,估算模型分别为y=-9.462x2 -2.671x+0.608和y=0.219e1.010x;叶片尺度下,红边面积(SDr)与WI( Water Index)的估算效果最好,估算模型分别为y=0.562x+0.376和y=2.028x2 -0.476x-1.009.通过3K-CV的交叉验证,不同尺度下的含水量估算模型均取得了较为理想的预测精度,预测精度的最小值为94.92％,最大值为97.06％,表明估测模型具有较高的可靠性与普适性.(3)高光谱植被指数与含水量拟合方程的拟合度相对高于“三边”参数与之建立方程的拟合度,说明多波段组合的光谱特征参数更适合含水量的判别.     

不同干旱条件下夏玉米全生育期冠层吸收光合有效辐射比的高光谱遥感反演

冠层吸收光合有效辐射比(fAPAR)是植被生产力遥感模型的重要参数.但关于不同干旱条件下作物全生育期的fAPAR遥感反演研究仍未见报道.本研究利用2015年夏玉米5个灌水处理模拟试验的高光谱反射率和fAPAR观测资料,分析了不同干旱条件下夏玉米关键生育期fAPAR和高光谱反射率变化特征,探讨了fAPAR与反射率、一阶导数光谱反射率和植被指数的关系.结果表明: 轻度水分胁迫和充分供水条件下,fAPAR较高;重度水分胁迫和重度持续干旱条件下,fAPAR较低.冠层可见光、近红外光和短波红外光区的反射率与fAPAR分别呈负相关、正相关和负相关关系.fAPAR与可见光和短波红外光区的383、680和1980 nm附近的反射率的相关性最强,相关系数均达-0.87.一阶导数光谱反射率与fAPAR相关性强且稳定的波段为580、720和1546 nm,相关系数分别为-0.91、0.89和0.88. 9个常用植被指数与fAPAR呈线性或对数关系,其中,增强型植被指数、复归一化植被指数、土壤调节植被指数和修正的土壤调节植被指数与fAPAR的关系模型最好,决定系数(R²)均在0.88以上,平均相对误差分别为16.6%、16.6%、16.7%和16.2%;基于一阶导数光谱反射率与fAPAR的对数关系在(720±5) nm波段处的模拟效果较好,R²达0.86;直接选择反射率数据估算fAPAR的效果较差,R²最高为0.81.研究结果可为fAPAR的准确反演及评估作物干旱状况提供支撑.