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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

盖度与冠层水深对沉水植物水盾草光谱特性的影响

遥感技术可应用于大尺度实时监测沉水植物的分布与生长状况。然而沉水植物的光谱特征受其冠层在水下深度的影响,从而影响湖泊和河流中沉水植物的遥感影像解译与信息提取。应用地物光谱仪,通过野外原位测定和室外控制试验,实测了沉水植物水盾草(Cabomba caroliniana)群落冠层在水下不同深度的反射光谱,分析了冠层水深对水盾草反射光谱的影响,并建立了基于光谱反射率和冠层水深的水盾草群落盖度反演模型。研究结果表明(1)不同盖度的水盾草群落光谱反射率的基本特征主要体现在绿光和近红外波段;(2)水盾草群落的光谱反射率与冠层水深基本呈负相关,相同盖度水盾草群落的光谱反射率随冠层水深的增加而减小,在近红外波段尤其明显;(3)水盾草群落冠层水深越小,其盖度与光谱反射率的相关性越强,且水盾草群落盖度越大,其光谱反射率与冠层水深的相关性越显著;(4)水盾草光谱反射率与盖度相关的最佳波段在692—898 nm,与冠层水深相关最佳的波段在710 nm和806 nm附近;(5)在710 nm和806 nm处建立的结合冠层水深的修正模型,无论是回归方程决定系数(R2),还是水盾草群落盖度的反演精度都明显高于仅用光谱反射率反演盖度的简单模型,因此可有效减除冠层水深对反演精度的影响。本研究的结果可为遥感监测沉水植物的分布和动态变化,以及沉水植物生物物理参量反演提供科学依据。     

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．     

基于“珠海一号”高光谱遥感影像的薇甘菊入侵监测

采用“珠海一号”卫星高光谱遥感影像,结合薇甘菊(Mikania micrantha)地面光谱数据,利用决策树分层分类提取方法,实现大范围薇甘菊入侵信息识别提取。结果表明,“珠海一号”OHS高光谱数据能准确反映薇甘菊精细光谱特征;在OHS高光谱数据的32个波段中,Band13 (665 nm)、Band22 (780 nm)、Band25 (833 nm)、Band26 (850 nm)、Band27 (865 nm)、Band28 (880 nm)是识别提取薇甘菊的最佳波段;利用OHS高光谱数据监测薇甘菊分布提取精度达82.6 %,可满足薇甘菊入侵监测日常业务需要,为薇甘菊精准防治提供有力支撑。     

野鸭湖典型湿地植物光谱特征

遥感技术已成为湿地植被识别和分类的重要手段,而深入研究地面植物群落光谱特征对于利用遥感影像的湿地植被分类具有指导意义。以典型淡水湿地——野鸭湖湿地为实验区,测定其典型湿地植物群落的反射光谱,并重采样以模拟OMIS机载成像光谱仪红-近红外的50个波段。在此基础上应用二阶导数的方法得到湿地植物识别的9个最佳波段:515.3,553.1,626.5,687.5,733.9,810.6,821.1,833.0,966.8nm。这些波段可以很好的识别湿地植物类型:沉水植物在810.6,821.1,833.0nm存在独特的吸收/反射特征,与其他湿地植物类型相区别。浮水、挺水、湿生、中生植物相比,浮水植物在515.3nm的吸收特征和553.1nm的反射特征较为突出;浮水、湿生、中生植物在687.5nm的吸收特征与挺水植物相比更为显著,但挺水植物在733.9nm的反射特征尤为明显;湿生植物在626.5nm的吸收特征比浮水、挺水、中生植物更加显著;中生植物缺少在626.5nm的吸收特征,但在966.8nm的吸收特征最为明显。研究成果不仅可以为野鸭湖湿地植被的高光谱遥感数据处理及湿地植被制图提供一定的科学依据,而且可以为淡水湿地植被的遥感识别和分类提供一定的参考、借鉴。     

辽西不同针叶被害率的油松冠层光谱特征

通过对辽宁西部大面积油松冠层反射光谱的测定,分析了不同针叶被害率的油松冠层光谱反射率的差异.结果表明:在可见光波段,健康植被和不同针叶被害率的油松冠层光谱均符合绿色植物的光谱特征,但针叶被害率大于60％的油松冠层的红谷不十分明显;在近红外波段,随着针叶被害率的减少,780～1350 nm波段范围的光谱反射率增大,1450～1800和1950 ～2350 nm波段范围的光谱反射率下降.随着针叶被害率的增加,红边拐点波长位置向短波方向移动,即出现“蓝移”现象.不同针叶被害率与红边特征参数和多种植被指数均具有显著或极显著的相关关系,其中,以DVI(1470,860)为参数所建模型能更好地监测油松冠层针叶被害率.     

水位提升和泥炭藓繁殖体移植对泥炭地植被恢复的影响

泥炭藓繁殖体移植是影响泥炭地植被恢复的重要因素之一,不同移植方式的效果往往缺乏比较研究。选取长白山区白江河退化泥炭地为研究地,以自然生境的丘间种喙叶泥炭藓(Sphagnum flexuosum)和藓丘种中位泥炭藓(S.magellanicum)(后者耐旱能力较强)为实验材料,通过野外移植实验,研究水位提升与不同泥炭藓繁殖体移植方式对退化泥炭地植被恢复的影响。数据分析显示:水位条件显著影响了喙叶泥炭藓和中位泥炭藓的建植,随着水位上升,地表湿度增加,两种泥炭藓的盖度均呈明显的上升趋势;移植方式的变化短期内对泥炭藓的建植作用并不明显,但在移植2个月后,移植方式对喙叶泥炭藓表现出显著影响,即耐旱能力较强的中位泥炭藓置于上层时,喙叶泥炭藓盖度最高;水位和移植方式不存在交互作用,即在低水位条件下,中位泥炭藓置于上层的移植方式也未能提升泥炭藓的建植盖度。研究表明,水位提升是泥炭地植被恢复的十分有效的手段,因物种间存在对水分保持的差异,采用合理植物繁殖体移植方式,将会明显提升植被恢复的成效。     

青海祁连瑞香狼毒的光谱差异特征提取

瑞香狼毒是分布在青海省高寒草甸的主要毒害草之一,近年来其迅速蔓延对当地畜牧业危害严重并使草地生态系统日趋退化.在海北州祁连县选取狼毒分布的典型退化草甸,采用2012—2014年狼毒盛花期获取的实测光谱数据,分析狼毒与牧草的光谱差异性.结果表明： 在350~900 nm的可见光 近红外波段,狼毒顶花的光谱反射特征明显异于狼毒叶片和同期牧草等绿色背景,顶花与绿色背景的光谱反射率差异主要体现在红谷和蓝谷.随着盖度的增加,狼毒群落光谱反射率整体升高,在近红外反射峰处狼毒群落与牧草群落光谱反射率具有最大差值,且不同盖度狼毒群落之间的差异性最明显.顶花与绿色背景以及狼毒群落与牧草群落的一阶导数光谱差异均体现在黄边幅值和蓝边幅值.狼毒群落盖度与光谱特征参量的线性回归分析表明,红谷与狼毒群落盖度的相关性最好(R²=0.94),反演狼毒群落盖度的精度最高.盛花期区分狼毒与牧草的主要光谱特征参量为红谷、蓝谷与近红外反射峰,其对应的红、蓝及近红外波段的组合可用于构建狼毒提取的敏感指数.     

三种泥炭藓对干旱及植物相互作用的形态响应

泥炭藓是泥炭地中的优势植物,常面临干旱的威胁,并分化为藓丘种、丘间种甚至丘坡种,其形态特征如何响应种间相互作用和干旱胁迫还鲜有人知。以藓丘种大泥炭藓(Sphagnum palustre)、尖叶泥炭藓(S.capillifolium)和丘间种喙叶泥炭藓(S.fallax)为材料,在模拟湿润和干旱条件下,对人工构建的苔藓群落进行室内培养实验,分析干旱及植物相互作用对3种泥炭藓生物量生产、高增长、侧枝生产与水细胞体积百分比(HCP)的影响。结果表明:干旱对于3种泥炭藓的生物量生产、高增长、侧枝生产均有抑制效应,并促进了2个藓丘种HCP的增加;邻体抑制了藓丘种大泥炭藓的生物量生产与侧枝生产,并使藓丘种尖叶泥炭藓的HCP明显下降;在HCP性状上,干旱与邻体存在交互作用。研究表明,2类泥炭藓能够通过调整形态特征来适应干旱以及植物相互作用,藓丘种较强的耐旱能力应归因于其能通过增加HCP来提高储水能力。     

基于可见光波段包络线去除的湿地植物叶片叶绿素估算

研究采用芦苇和香蒲叶片光谱及实测叶绿素含量数据,选取波段谱带范围为可见光波段400—760nm(为了避免近红外波段受叶片水分含量的影响,降低构建模型的稳定性),利用相关分析与逐步回归分析的统计学分析方法,建立叶面尺度下不同包络线去除衍生转换光谱:BD(band depth)、CRDR(continuum-removed derivative reflectance)、BDR(band depth ratio)、NBDI(normalized band depth index)与叶绿素含量估算模型。通过对入选波段的统计表明在550—750nm,特别是700—750nm(红边)波段范围内产生了较多的有效波段,是今后进行生物参量反演的重点波段范围。舍一交叉验证结果表明芦苇、香蒲和混合样本绿素含量估测的最佳模型分别为BD、CRDR和NBDI模型,其交叉验证决定系数依次为0.87、0.83和0.81,交叉验证均方根误差RMSE依次为0.16、0.15和0.33。并在此基础上利用独立样本非参数检验和多因子方差分析,探讨相关因素对于叶绿素含量估算模型精度的影响。结果表明物种差异、数据类型差异对于叶绿素回归模型的影响较大,而光谱类型差异及光谱数据与数据类型交互作用对于回归模型精度的影响较小。     

小麦叶面积指数与冠层反射光谱的定量关系

在分析不同氮素水平下小麦叶面积指数（LAI）和冠层光谱反射率随生育期变化模式的基础上,确立了LAI与冠层光谱反射率及光谱参数的相关关系,提出了小麦LAI的敏感光谱参数及预测方程.结果表明,小麦LAI和近红外短波段（760～1 220 nm）反射率都随施氮量的增加呈上升趋势,可见光波段反射率则相反;从拔节期到成熟期,LAI和近红外短波段反射率均表现为先上升后下降的趋势,而可见光波段（460～710 nm）反射率随生育期的推进先降低后升高,以孕穗期反射率最低,近红外长波段区域（1 480～1 650 nm）反射率的变化与可见光部分相同.LAI与可见光波段反射率呈负相关,与近红外短波段反射率呈极显著正相关,其中以810 nm相关性最好.可以选择RVI(810,510)和DVI(810,560)作为反演小麦LAI的光谱参数.另外,在证明垂直植被指数PVI和转换型土壤调整指数TSAVI对LAI预测能力的同时,发现利用RVI(810,510)、DVI(810,560)和PVI 3个植被指数共同推算小麦LAI的准确度更高.     

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。     

烤烟冠层光谱参数与叶片叶绿素含量的相关分析

为了明确烤烟冠层光谱参数与叶片叶绿素含量的相关性,测定了不同氮肥施用量条件下烤烟冠层光谱特征和烤烟鲜烟叶片叶绿素a(Chl-a)、叶绿素b(Chl-b)、类胡萝卜素(Cars)含量,并对光谱参数与叶绿素含量进行了相关分析和回归分析。结果表明:随着氮肥施用量增加,团棵期和旺长期鲜烟叶片的Chl-a、Chl-b和Cars含量均增加,可见光波段反射率降低、近红外波段反射率增加;而打顶期叶片的3种色素含量和光谱特征的变化规律不明显。可见光460～670nm范围内,460nm反射率与叶片叶绿素含量呈显著正相关,其他波段反射率与叶片叶绿素的含量呈显著负相关;近红外780～1260nm范围内,所有波段与叶片叶绿素含量的都呈显著正相关,1480nm反射率与叶片叶绿素含量呈显著负相关。反映Chl-a、Chl-b、Cars含量与光谱参数——比值植被指数(ratio vegetation index,RVI)定量关系的最佳回归方程分别为幂函数、幂函数和指数函数:Chl-a=0.250RVI(730,550)1.511,Chl-b=0.049RVI(730,550)1.841,Cars=0.0998e0.379RVI(730,550)。     

增温对冻土区泥炭沼泽土壤孔隙水甲烷关联微生物和溶解性有机碳的影响

多年冻土区泥炭沼泽土壤孔隙水甲烷关联微生物及底物的研究有助于深入理解气候变化背景下寒区湿地生态系统甲烷循环过程。选取大兴安岭连续多年冻土区柴桦-泥炭藓和狭叶杜香-泥炭藓两种典型植被群落泥炭沼泽,设置开顶箱(Open Top Chamber,OTC)增温实验。于生长季(6月、7月、8月和9月)采集土壤孔隙水样品,对比分析OTC内外土壤孔隙水中产甲烷菌数量、甲烷氧化菌数量及溶解性有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)浓度的动态变化特征,并探究土壤孔隙水甲烷关联微生物与DOC浓度的关系。结果表明:增温提高了生长季大兴安岭多年冻土区土壤孔隙水中产甲烷菌数量和DOC浓度,而对甲烷氧化菌数量的影响因月份而异。生长季柴桦-泥炭藓和狭叶杜香-泥炭藓泥炭沼泽土壤孔隙水中产甲烷菌数量的平均增加幅度分别为54.52%和44.97%,DOC浓度的平均增加幅度分别为34.16%和28.33%。增温使得生长季柴桦-泥炭藓和狭叶杜香-泥炭藓泥炭沼泽土壤孔隙水中甲烷氧化菌平均数量分别降低了46.20%和31.42%。一元线性回归分析结果表明,土壤孔隙水中DOC浓度可分别解释柴桦-泥炭藓和狭叶杜香-泥炭藓泥炭沼泽土壤孔隙水中产甲烷菌数量变化的29.00%和24.10%(P<0.01),而对两种植被群落下土壤孔隙水中甲烷氧化菌数量的影响并不显著(P>0.05)。     

鄂西南亚高山湿地泥炭藓的生长与分解

泥炭藓(Sphagnum)是湿地土壤碳的重要来源,在土壤碳累积过程中发挥着关键作用,但有关亚热带湿地泥炭藓生长与分解的研究鲜有报道。该研究选择鄂西南亚高山泥炭藓湿地为研究区域,原位开展不同微生境泥炭藓的生长及其凋落物的分解实验,室内测试凋落物的化学成分,探讨亚热带亚高山湿地泥炭藓的生长与分解规律。结果表明:泥炭藓在自然状态生长12个月后,丘上和丘间两种微生境下泥炭藓的平均高度增长量分别为2.9和2.7cm,对应的净生产量分别为270.94和370.88g·m~(–2),生长时间与微生境对泥炭藓的高度增长量及净生产量均有显著影响,且两者之间存在交互作用,但是两种微生境下泥炭藓的生长变化过程不同;两种微生境下泥炭藓的平均生长速率(2017年7–10月)为0.33 mm·d~(–1),其生长速率高于寒温带地区。另外,分解时间对泥炭藓的分解量有显著影响,其残留率随时间增加表现为先减少后增加的趋势。12个月后,丘间、丘上和水坑3种微生境下最终残留率分别为100.67%、90.54%和85.63%。凋落物中碳含量、碳氮比和多酚含量相比初始值均有所下降,氮含量则为增加。同时,微生境对凋落物分解的影响取决于分解时间。分解3个月时,微生境之间凋落物的分解量差异显著,其他时间段差异不明显。