《沙柳沙障固沙地迎风坡地物光谱特性研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《沙柳沙障固沙地迎风坡地物光谱特性研究.doc（7页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、精品论文沙柳沙障固沙地迎风坡地物光谱特性研究杨光1，李庆和2（1. 内蒙古农业大学生态环境学院；52. 内蒙古水事监理服务中心）摘要：论文以库布齐沙漠沙柳沙障固沙地迎风坡不同部位沙粒、黑色及绿色生物结皮为研究对象，通过实地采集地物光谱数据，对比分析了其在迎风坡不同部位的光谱反射特性及变化 规律。研究结果表明：土壤颗粒的大小直接关系到土壤反射率高低，随着人工固定沙地地表 土壤中粉粒和黏粒含量的增加，其地表反射率呈下降的趋势；黑色生物结皮的光谱反射率曲10线总体变化比较平缓，与维管植物相比差异较大，反映到光谱曲线上典型特点是“红边”位 置基本不存在；绿色结皮的光谱特性从绿光波段反射峰、叶绿素吸收峰
2、及高反射区等方面与 维管植物比较相近，最典型的特点是“红边”不仅存在而且非常明显，说明绿色生物结皮比 黑色生物结皮更接近维管植物的特点。关键词：地物光谱特性；生物结皮；固定沙地；库布齐沙漠15中图分类号：O433.1Study on the Spectral Characteristics of Windward Slope ofDune Fixed by Sand Barriers of Salix PsammophilaYANG Guang1, LI Qinghe220(1. College of Ecology and Environmental Science,Inner Mongol
3、ia AgriculturalUniversity,Hohhot 010019;2. Inner Mongolia Water Supervision Center,Hohhot 010020)Abstract: This paper take the sand, black and green biological crust in different parts of WindwardSlope of Dune Fixed by Sand Barriers of Salix Psammophila as rearch objects, measured the spectral25data
4、 in study field, compared and anylyzed the spectral reflectance characteristics and variation law.The results show that the size of the soil particles is directly related to the level of soil reflectance, with silt and caly increasing, the spectral reflactance of soil presents downtrend; Compared wi
5、th vascular plants, the curve of spectral reflactanc of black biological crust is relatively gentle, “red edge”does notexsist basiclly; In terms of green band reflection peak, chorophyll absorption peak and high reflective30area, the spectral characteristics of green crust is relatively similar to t
6、he vascular plants, the defining characteristic is that the “red edge”not only exists but also is very obvious, this shows that the characteristic of green biological crust is closer to vascular plants than black biological crust.Key words: The Spectral Characteristics; Biological Crust; Fixed Sand;
7、 Kubuqi Desert350引言生物结皮又称微生物结皮，是苔类、叶苔、蓝绿藻、地衣类、真菌和细菌以及许多景观 中常见的非维管植物成分形成的十分复杂的聚合体1-2。生物结皮在干旱区生态系统中扮演 着重要的角色，它能在干旱、瘠薄、高温等恶劣的环境中生存繁殖，在热带和寒带的干旱及 半干旱地区分布广泛，在某些地区其覆盖度在 70%以上，是干旱和半干旱地区生态系统演40替中的重要环节3-5。20 世纪 80 年代以来，伴随着沙漠化威胁的日益加重，生物结皮在荒基金项目：基金项目：教育部新教师基金项目(2009151520005)；内蒙古自然科学基金项目(2011BS0608)作者简介：杨光（1974
8、），男，汉族，博士，副教授，主要研究方向：荒漠化遥感监测. E-mail: - 7 -漠生态系统中的作用愈发突出，生物结皮所具有的生态功能亦引起了学者的普遍重视，并逐渐成为荒漠地区生态研究的热点。研究者分别从地表生物结皮的发育及生物结皮对土壤入 渗、植物生长、土壤抗冲性、土壤微生物的影响等方面进行了研究与探讨3,6-12，而对沙丘 表面生物结皮的光谱特性研究较少。本文以库布齐沙漠中段七里明沙区沙柳沙障固沙地迎风45坡不同部位沙粒、黑色和绿色生物结皮为研究对象，采集了迎风坡不同部位裸沙粒、黑色和 绿色生物结皮地物光谱数据，对比分析了其光谱特性，找出其变异规律，不仅是建立地面光 谱数据与遥感图像空
9、间光谱数据之间的桥梁，也是提高地物识别精度和信息定量反演精度的 基础，其理论成果将为利用生物结皮进行沙漠沙地治理提供积极的指导作用。1研究区概况50研究区位于库布齐沙漠中段七里明沙区，区域范围界于：N40104020，E1094811048。研究区位于内蒙古高原向黄土高原的过渡带，属于温带大陆性气候。年平均温度 为 6.1，极端最高温度为 40.2，最低为-34.5。多年平均降雨量为 310mm，79 月降 水量占全年的 70%，且多以暴雨形式出现，蒸发量 2500mm。大风日数最多达 48d/a，主导 风向为西北风。研究区总面积 400km2，区内地貌类型主要由流动沙丘、半固定沙丘、风蚀55
10、残丘等构成，其中流动沙地面积 1.13104hm2，占本区总面积的 28.3%。2研究方法及数据处理2.1 光谱数据采集点选择以设有 10 年沙柳沙障的典型固定沙丘为研究区，选择迎风坡丘间地、沙丘底部、沙丘 中部及沙丘上部作为光谱数据采集点，分别采集迎风坡不同部位裸沙、黑色和绿色生物结皮60的地物光谱数据。为使数据具有可比性，生物结皮光谱数据采集点处的生物结皮盖度均为4555%。2.2 观测仪器本研究采用的是由美国 Spectra Vista 公司生产的 SVC HR-1024 便携式地物光谱仪（FieldPortable Spectroradiometers），有效光谱范围在 3502500
11、nm，通道数为 1024，光谱分辨率65为：350 1000 nm 内3.5nm，1000 1850 nm 内8.5nm，1850 2500 nm 内6.5nm，最 小积分时间 1ms，信号采集方式采用蓝牙传输。2.3 光谱数据采集及处理2.3.1光谱数据采集 野外地物光谱特性测量受太阳高度角和天气状况的影响较大。为了克服太阳高度角变化70对测量结果的影响，选择每天 10：0014：00 为野外测量时间。在 2012 年 8 月 4 日8 月5 日天气晴朗无风的时段进行了研究区地物光谱测量。每个全光谱数据测量时间设定为 5s， 地物光谱测量前首先对光谱仪进行暗电流采集和白板标定，以后每更换一次
12、地点，进行一次 白板标定。测量高度即探头距离地物 60cm，每类地物测量均在 10 分钟内完成 10 次测量， 取其平均值作为该类地物的反射率。752.3.2光谱数据融合首先利用地物光谱仪自带的 SVC HR-1024 软件对研究区变异较大的地物光谱曲线进行精品论文剔除，然后利用该软件的 Overlap/Matching 功能对数据重叠部分进行匹配，再利用 Merge功能对地物光谱数据进行融合。2.3.3光谱数据平滑80由于光谱仪波段间对能量相应上的差异，使光谱曲线总存在一些噪声，为得到平衡与概 略的变化，需平滑波形，以去除包含在信号内的少量噪声。实践表明：如果噪声频率较高， 其量值也不大，用
13、平滑法可在一定程度上降低噪声。常用的平滑方法有移动平均法、静态平 均法、傅立叶级数近似等，其大部分方法是基于低通滤波，使用低通滤波保留低频部分的同 时消除高频部分，以达到平滑和去噪的作用。本文采用 9 点移动平滑法对采集的地物光谱数85据进行平滑处理。数据平滑在遥感影像处理软件 ENVI/IDL 支持下完成。利用 IDL 中的 Smooth 函数编写 9 点平滑代码，在 ENVI 中通过“Spectral”菜单下的“Spectral Math”， 调用 9 点平滑函数对实测光谱数据进行平滑处理。平滑处理前后效果见图 1。6050平滑后光谱40平滑前光谱30反射率(%)20100-1035060
14、0850110013501600185021002350-20-30波长(nm)图 1 光谱平滑处理效果对比图90Fig1. Comparison chart of spectral smoothing effect2.3.4剔除水汽吸收波段 由于大气中水汽的强烈吸收，地面光谱和空中遥感数据在水汽吸收波段基本都是噪声。为使野外地面测量结果与今后遥感数据相匹配，需剔除水汽吸收峰影响严重的波段区域，去除明显错误波段数值。通过借鉴有关文献结论13结合 SVC 地物光谱仪数据采集特点，具体95剔除波段范围为：13501417nm，17971971nm，24702500nm。 剔除水汽吸收前后光谱曲线比
15、较见图 2。30302525反 射 率 (%)2020151510反射 率(%)10550350600850110013501600185021002350波长(nm)0350600850110013501600 18502100 2350波长(nm)100（a） (b)图 2 剔除水汽吸收波段前后光谱曲线对比图(a) 剔除水汽吸收波段前光谱曲线; (b) 剔除水汽吸收波段后光谱曲线Fig2. Comparison chart of spectral curves before and after excluding water vapor absorption band.(a) Spectr
16、al curves before excluding water vapor absorption band;(b) Spectral curves after excluding water vapor absorption band3结果与分析3.1 沙丘迎风坡不同部位沙粒光谱特性分析沙丘迎风坡不同部位沙粒光谱反射特性对比见图 3。8070迎风坡丘间地 迎风坡中部60迎风坡上部沙丘迎风坡不同部位沙粒光谱特性曲线反射率（%）50403020101051101150350600850110013501600185021002350 波长(nm)图 3 沙丘迎风坡不同部位沙粒光谱反射曲线图Fig
17、3. The spectral curves of sand in different parts of windward slope of dune由图 3 分析可知，在全波段范围内，沙柳沙障固定沙丘不同部位沙粒光谱曲线总体变化 比较平缓。 350nm 处不同部位光谱反射率非常接近，350nm600nm 范围内，光谱反射率 快速增加，由 6.7%增加到 41%，600nm 以后迎风坡 3 个部位光谱反射率变化规律基本相同， 其反射率大小排序为：迎风坡中部迎风坡上部迎风坡丘间地。设置沙障的沙丘与流动沙 丘相比，粉粒和黏粒含量均有所增加，且其变化规律呈现出沙丘中部沙丘上部沙丘下部 的趋势14。粉
18、粒和黏粒含量较多的沙地，其土壤颗粒细，土中微生物含量高，且水分条件 好，地表对光的吸收率高。600nm1350nm 是判定土壤颗粒粉粒和黏粒含量理想的波段范 围。3.2 沙丘迎风坡不同部位黑色结皮光谱特性分析沙丘迎风坡不同部位黑色结皮光谱反射特性对比见图 4。9080迎风坡丘间地 迎风坡中部70迎风坡上部60反射率(%)504030沙丘迎风坡不同部位黑色结皮光谱特性曲线20101200350600850110013501600185021002350 波长(nm)图 4 沙丘迎风坡不同部位黑色结皮光谱反射曲线图Fig4. The spectral curves of black crust i
19、n different parts of windward slope of dune由图 4 分析可知，沙柳沙障固定沙地迎风坡中部和上部黑色结皮光谱反射率在 350nm1252280nm 波段范围内变化规律基本相同，且 2 条光谱反射率曲线非常接近，说明黑色结皮及地表状况在这 2 个部位较为相似。迎风坡丘间地黑色结皮光谱反射率与迎风坡中部和上部相 比，光谱反射率明显偏低，主要是由于丘间低地水分状况好，地表水分对光的吸收能力强。3.3 沙丘迎风坡不同部位绿色结皮光谱特性分析图 5 为沙丘迎风坡不同部位绿色结皮光谱反射特性对比。60迎风坡丘间地50迎风坡中部 迎风坡上部沙丘迎风坡不同部位绿色结皮
20、光谱特性40反射率(%)3020101300350600850110013501600185021002350 波长(nm)图 5 沙丘迎风坡不同部位绿色结皮光谱反射曲线图Fig5. The spectral curves of green crust in different parts of windward slope of dune135140145据相关研究表明，健康维管植物的光谱曲线有着明显的特点：在可见光的 550nm 附近，有一个反射率为 10%20%的小反射峰；波长在 450nm650nm 附近，有两个明显的吸收谷； 波长在 700800nm 之间是一个陡坡，在高光谱研究中它
21、被称为植被“红边”；波长在 8001300nm 之间是一个相对平坦的较高反射率区域；在 1450nm、1950nm、26002700nm 处一 个吸收谷。由图 5 分析可知，沙丘迎风坡丘间地、中部及上部绿色结皮均表现出绿色植物所具有的 光谱曲线变化特点。350500nm 范围内，光谱曲线变化平缓，绿色结皮在绿光波段 560nm 处有一反射峰。由于叶绿素的吸收作用，在 680nm 处有一吸收峰。680740nm 范围内，反 射率急剧增高，在高光谱研究中它被称为植被“红边”，是植被具有诊断性的光谱特征15,16， “红边”的位置、高度和斜率会因植被的不同及同一植被不同生长状况而存在差异。波长在74
22、01330nm 之间是一个相对平坦的较高反射率区域，它主要由绿色结皮的细胞构造所决 定。通过以上分析可以看出，沙柳沙障固沙地迎风坡不同部位绿色结皮的光谱反射特性与维 管植物非常相似。当生物结皮的植物体干燥时呈黑色或灰黑色，湿润时呈绿色或黄绿色15， 根据实地勘察，由于 2012 年该研究区降水量丰沛，土壤含水量高，测定的绿色结皮更为鲜 绿和健康，因此与普通维管植物较为相似。3.4 沙丘迎风坡黑色与绿色结皮光谱特性分析9080迎风坡底部黑色结皮 迎风坡底部绿色结皮70迎风坡中部黑色结皮 迎风坡中部绿色结皮60迎风坡黑色与绿色结皮光谱特性对比反射率(%)5040302010150155160165
23、1701751800350600850110013501600185021002350 波长(nm)图 6 沙丘迎风坡黑色与绿色结皮光谱反射曲线图Fig6. The spectral curves of black and green crust in different parts of windward slope of dune图 6 为沙丘迎风坡黑色与绿色结皮光谱特性对比图。由图 6 分析可知，迎风坡底部和中 部黑色结皮光谱反射率曲线总体变化比绿色结皮平缓。绿色结皮在 680740nm 范围内反射 率急剧增加，有明显的“红边”，而黑色结皮“红边”基本不存在，说明随着土壤含水量的 增加，
24、生物结皮从外表颜色及细胞特性等方面逐渐接近于通绿色植物。4结论与讨论生物结皮作为固定、半固定沙漠中重要的地表覆盖类型，在防风固沙、改善生态环境等 方面发挥着极其重要的作用。生物结皮地物光谱数据与高光谱遥感数据相结，对于评价沙漠 沙地的治理效果将具有重要的意义。本文以库布齐沙漠中段七里明沙区沙柳沙障固沙地迎风 坡不同部位沙粒、黑色结皮及绿色结皮为研究对象，实地采集研究对象的地物光谱数据，并 进行了对比分析。研究结果表明：随着土壤中粉粒与黏粒含量的增加，地表土壤反射率呈下 降趋势；沙丘迎风坡不同部位黑色生物结皮的光谱反射率曲线变化比较平缓，与绿色结皮相 比，“红边”基本不存在，更接近于普通壤土；沙
25、丘迎风坡绿色结皮均表现出绿色植物所具 有的光谱曲线变化特点。生物结皮颜色随着地表水分的变化而变化，地表干燥时，结皮颜色表现为黑色或灰黑色， 地表湿润时，结皮表现为绿色，其光谱特性上存在着较大的差异性，因此保持同一土壤水分 条件下测定黑色与绿色结皮光谱数据，将会使研究结果更具有代表性。参考文献 (References)1 李新荣，贾玉奎，龙利群.干旱半干旱地区土壤微生物结皮的生态学意义及若干研究进展J.中国沙漠，2001，21（1）：4-11.2 吴永胜，哈斯，李双权等.毛乌素沙地南缘沙丘生物结皮中微生物分布特征J.生态学杂志，2010，29（8）：1624-1628.3 张侃侃，卜崇峰，高国雄
26、.黄土高原生物结皮对土壤水分入渗的影响J.干旱区研究，2011，28（5）：808-812.4 Giora J Kidron,Ahuva Vonshak,Aharon Abeliovich.Recovery rates of microbiotic crusts within a dune ecosystem in the Negev DesertJ.Geomorphology,2008,100(3/4):444-452.5 张元明，曹同，潘伯荣.新疆苔藓植物的研究现状与展望J.干旱区研究，2001，18（2）：38-41.6 李莉，孟杰，杨建振等.不同植被下生物结皮的水分入渗与水土保持效应J
27、.水土保持学报，2010，24（5）：105-109.7 张丙昌，张元明，赵建成等.古尔班通古特沙漠生物结皮不同发育阶段中藻类的变化J.生态学报，2009，29（1）：9-17.8 St Clair L L,Johansen J R. Introduction to the symposium on soil crust communitiesJ.Great BasinNaturalist,1993,53(1):1-4.1851901959 王蕊，朱清科，赵磊磊等.黄土高原土壤生物结皮对植物种子出苗和生长的影响J.干旱区研究，2011，28（5）：800-807.10 冉茂勇，赵允格，刘玉兰.
28、黄土丘陵区不同盖度生物结皮对土壤抗冲性研究J.中国水土保持，2011，12：43-45.11 边丹丹，廖超英，孙长忠等.黄土丘陵区土壤生物结皮对土壤微生物分布特征的影响J.干旱地区农业 研究，2011，29（4）：109-114.12 吴永胜，哈斯，李双权.毛乌素沙地南缘沙丘生物结皮中微生物分布特征J.生态学杂志，2010，29（8）：1624-1628.13 夏涛.生态水遥感定量研究中野外地物光谱数据采集及处理D.成都理工大学硕士学位论文，2007.14 李红丽，万玲玲，董智等.沙柳沙障对沙丘土壤颗粒粒径及分形维数的影响J.土壤通报，2012，43（3）：540-545.15 宫鹏，谱瑞良.高光谱遥感及其应用M.北京：高等教育出版社，2000.16 范文义，杜华强，刘哲.科尔沁沙地地物光谱数据分析J .东北林业大学学报，2004,32（2）：45-48.