主办单位: 共青团中央   中国科协   教育部   中国社会科学院   全国学联  

承办单位: 四川大学     

基本信息

项目名称:
荒漠植物含水量的光谱特征分析
小类:
生命科学
简介:
在对古尔班通古特沙漠南缘的荒漠植物进行现地调查基础上,选取典型植物种类进行荒漠植物的高光谱数据和含水率的测定,对测定的高光谱数据在进行噪声消除后,使用相关分析法,确定荒漠植物光谱数据与含水率之间的关系,找出荒漠植物对水分响应的敏感波段,并对荒漠植物对水分敏感波段的归一化光谱数据进行聚类分析,将测定的荒漠植物按其含水率大小划分为3个等级。
详细介绍:
在内陆干旱区,水分条件决定荒漠植物生长的好坏,了解和掌握荒漠植物生长的水分条件,对评价荒漠植物生境状况和荒漠生态治理意义重大。荒漠植物的体内水分含量是其生长水分条件优劣的客观反映。以往了解大面积荒漠植物的水分状况,大多使用现地采样的方法。这不仅费时、费力,其代表性也受到质疑。根据高光谱测定数据确定植物含水率的大小,为解决荒漠植物水分状况提供了有效的途径。 本研究在参考国内外高光谱与农作物含水率研究的基础上,于2009年6月使用美国SVC公司生产的HR-768便携光谱仪现地测定了古尔班通古特沙漠南缘主要荒漠植物的高光谱数据,在采集植物光谱时为去除随机噪音干扰, 对同一种荒漠植物光谱测定十次,取十次测定值的平均作为其最终光谱曲线。 受环境和自然条件的影响,野外测定光谱数据在1900nm以后光谱的波动性很大,因此剔除1900nm以后的波段。 由于光谱仪波段间对能量响应上的差异,使光谱曲线总存在一些噪声,本研究采用移动平均法进行光谱曲线平滑去噪处理。为了确定荒漠植物水分吸收特征,对测定的植物光谱曲线进行包络线去除,荒漠植物的光谱曲线包络线去除后,有效的突出了植物吸收和反射光谱特征的个性与共性,并将其归一到一致的光谱背景上,以利于不同种类荒漠植物光谱的比较分析。 测定的9种荒漠植物在970, 1200, 1450nm谱段附近存在明显的吸收谷,但它们是否反映其含水率高低?为此,对所测植物光谱978~1030nm, 1133~1266nm, 1374~1 534nm三个区段的反射光谱与植物相应含水率进行相关分析。结果表明, 978~1030nm波段(波段1)相关系数最高为0•895,最低0•405; 1133~1266 nm波段(波段2)相关系数最高0•930,最低0•894;1374~1534 nm波段(波段3)相关系数最高0•968,最低0•957。可见上述3个波段与植物含水率均具有一定的相关性。其中,波段1相关性一般,波段2相关性较好,波段3相关性最好。即1374~1534 nm是荒漠植物对水分最敏感的波段。 荒漠植物在同一季节的含水率差异很大。为对荒漠植物含水率等级进行划分,采用聚类分析方法,对植物光谱曲线进行聚类,以作为植物生理、生态习性和抗逆分析的依据之一。 对植物含水率光谱分析表明, 1374~1534nm能表征荒漠植物水分状况。以9种荒漠植物1374~1534nm波段归一化光谱为变量,采用系统聚类分析法(欧氏距离法)进行聚类,根据植物光谱曲线,按照水分高低可将9种植物分为三类,第一类:花花柴、骆驼蓬、虫实,水分含量最高,达70%以上;第二类为尖喙牻牛儿苗、梭梭、早熟猪毛菜,水分含量50%~70%;第三类为补血草、琉苞菊、小花荆芥、水分含量在50%以下。 结论:研究表明, 1374~1534nm是表现9种荒漠植物含水量大小的最佳波段, 1133~1266nm波段也能较好的反映荒漠植物的含水量。这些筛选出的特征波段,不仅可用以推测植物含水量的高低,还可以对植物含水量的等级进行有效的划分。这对大面积生态恢复的遥感监测和传感器通道的设计无疑都具有重要的意义。

作品专业信息

撰写目的和基本思路

为确定荒漠植物含水率大小与其高光谱数据间的关系,使用美国SVC公司的HR-768便携光谱仪现地测定了古尔班通古特沙漠南缘主要荒漠植物的高光谱数据,使用去包络线、特征波段提取和相关分析等方法,对所测荒漠植物的光谱曲线进行处理,并对处理后的光谱曲线进行特征分析,对荒漠植物光谱与含水率进行相关分析;对荒漠植物光谱对水分敏感波段的归一化光谱数据进行聚类分析,将测定的荒漠植物划分为含水率高、中、低三个等级。

科学性、先进性及独特之处

对植物高光谱与含水率关系的研究,国内外学者多将重点放在农作物上,对荒漠植物高光谱与含水率的研究鲜见报道。本研究在参考国内外相关研究的基础上,现地测定了古尔班通古特沙漠南缘9种典型荒漠植物的高光谱数据及含水率,对测定光谱数据去除包络线后采用相关分析方法,确定了9种荒漠植物对水分响应的最佳波段,这一研究结果将为荒漠植物含水率高低的预测及含水率等级的划分提供依据和方法借鉴。

应用价值和现实意义

本文对古尔班通古特沙漠南缘9种典型荒漠植物光谱特征和含水率进行研究,得出表达荒漠植物含水率的特征波段,以便对不同含水率荒漠植物的高光谱进行微弱光谱差异的定量分析,为荒漠植物遥感定量分析提供新的思路和途径。对荒漠区生境分析和利用遥感数据进行荒漠植物生境监测具有重要的理论和现实意义。为新疆干旱荒漠化危害地区的遥感生态监测提供了新的思路和方法借鉴。

学术论文摘要

 用美国SVC的HR-768便携光谱仪现地测定了9种荒漠植物的高光谱并在实验室使用烘干法测定相应植物的含水率,对测定的光谱数据使用ENVI软件去除包络线,运用相关系数法分析植物含水率与反射光谱之间的关系,结果表明: 978~1030nm波段与植物含水率相关性一般, 1133~1266nm波段与植物含水率相关性较好, 1374~1534nm波段与植物含水率相关性最好,是表达植物含水率大小的特征波段。对1374~1534nm波段光谱数据进行聚类分析,可将测定的植物划分为含水率较高(>70%)、中等(50%~70%)、较低(<50%)3个等级。以上研究揭示了荒漠植物含水量大小和光谱数据之间的关系,为荒漠区生境分析和利用遥感数据进行荒漠植物监测提供了参考依据。

获奖情况

论文发表在《光谱学与光谱分析》2010年第9期, SCI和EI同时收录。

鉴定结果

参考文献

[1]孙俊、毛罕平、羊一清等。基于冠层光谱特性的水稻叶片含水率模型[J].农业工程学报.2009,25(9):133-136 [2] 王纪华,赵春江,郭晓维等.用光谱反射率诊断小麦叶片水分状况研究[J].中国农业科学. 2001,34(1): 104-107. [3] 王纪华,赵春江,郭晓维等. 利用遥感方法诊断小麦叶片含水量的研究[J].华北农学报. 2005,15(4) :68-72. [4]毛罕平,张晓东,李雪等,基于光谱反射特征葡萄叶片含水率模型的建[J].江苏大学学报.2008,29(5) :369-372. [5]吉海彦,王鹏新,严泰来。冬小麦活体叶片叶绿素和水分含量与反射光谱的模型建立[J].光谱学与光谱分析.2007,27(3) :514-516 [6] 董晶晶,牛铮,沈艳等. 利用反射光谱信息提取叶片水分含量的方法比较[J].江西农业大学学报. 2006,28(4):587-591.

同类课题研究水平概述

在国外,Penuelas(1993)等使用水分指数R970/R900监测小麦的水分状况, Michio(1989)等则发现960nm处的导数光谱可用来监测水稻的水分亏缺状况,Ceccato(2001)利用1600nm和820nm波段的反射率比估算单位叶面积上水分含量。在国内王纪华等(2001 )在室内条件下测定小麦叶片光谱反射率,对叶片的相对含水量进行了统计回归,周顺利等(2005)通过测定玉米冠层光谱反射率对玉米冠层相对深度指数与不同叶层含水量的关系做了研究,董晶晶等(2006)利用反射光谱信息提取水稻、橘树、含笑、女贞等十余种植被叶片水分含量,得到了较高的精度,王纪华等(2000)利用小麦叶片含水量对近红外波段光谱吸收特征参量(吸收深度),提出了一种利用光谱反射率诊断小麦叶片水分状况的遥感方法,张君玮等(2009)研究了Ce(Ⅲ)对UV—B辐射下大豆幼苗叶片含水量的影响,孙俊等基于冠层光谱特性得出水稻叶片含水率模型,提高了预测水稻叶片含水率的准确性,毛罕平基于光谱反射特征建立了葡萄叶片含水率模型。
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