長沙幾種常見植物物候變化的高光譜響應特征研究

曹怡璇

摘要：高光譜遙感具有高光譜分辨率的優勢，在農林植物保護、城市綠化方面有著廣泛的應用前景。利用美國生產的SOC710VP地面成像光譜儀采集了長沙樟、杏及玉蘭樹物候變化的高光譜響應特征數據，數據表明其具有明顯的季節特征，與植物物候特征關系密切，可以很好地反映樹木的生理狀況，為長沙的植物保護提供了體征數據檔案，此外，通過上述樹葉高光譜響應特征看出，樟樹在冬季不同于杏和寶華玉蘭，雖然其樹葉生長大量棕色斑點，其葉綠素含量及含水量都相應變低，但仍保持前三季的曲線形狀，表明其仍具有生命力，這就是杏葉和玉蘭葉都凋落而樟樹保持茂密樹葉的原因。

關鍵詞：長沙；高光譜；物候；葉綠素

高光譜遙感由于其高光譜分辨率的巨大優勢，正在成為當代空間對地觀測的主要技術手段，在環境遙感、土地利用、農林植物、水體環境等領域有著廣泛的應用前景。本文作者利用美國安洲公司生產的SOC710VP高光譜地面成像光譜儀采集了長沙幾種常見闊葉樹葉片的高光譜響應特征數據，通過光譜分析技術研究其季節性變化特征，以及與受氣候影響而出現的以年為周期的植物物候生長發育狀況之間的相關關系。獲取這種非接觸的、非破壞性的植物物候遙感信息，并分析其與植物含水量、葉綠素含量及葉片光化學指數等生物物理參量的密切關系，可以對植被生長、病蟲害防治及營養狀況分析和評估提供良好的數據支撐，為長沙市綠化植物的科學管理提供依據。

1 高光譜數據采集及處理

地面成像光譜儀適用于農作物、森林等植被及水體環境的光譜特性測量，可從單葉 片到群落冠層尺度測量植物光譜反射率及光合作用變化情況，光譜數據可用于植物分類、脅迫生理、生長狀況、病蟲害遙感監測及預警等；光譜儀采用透射技術，光通過率高、偏振效應小，鬼像和雜散光低。儀器結構小巧便攜，便于野外移動使用。

長沙主要有樟樹、杏及寶華玉蘭等多種闊葉樹種，采用美國安洲公司SOC710VP地面成像光譜儀采集上述樹葉春夏秋冬四季的高光譜數據，并其轉換為反射率，獲得高光譜反射數據文件float文件及其頭文件。圖1為樹葉高光譜數據采集界面圖，圖2～4分別為寶華玉蘭、銀杏及樟樹樹葉的高光譜曲線圖。

2 分析與討論

植物的光譜反射特征是其化學和形態學特征所決定的，而這種特征與植物的生理狀況及物候變化密切相關。圖2、3、4分別為寶華玉蘭、杏樹及樟樹等樹葉在四個季節的光譜曲線圖，整體來看，三種樹葉具有典型綠色植物的反射光譜特征，即在可見光波段呈現“兩谷一峰”，在450nm和650nm左右波段處的光大部分被葉綠素吸收進行光合作用，反射少因而出現低谷，三種植物在春季時，均在550nm左右綠光波段處具有小的葉綠素反射峰，在春夏季節，由于日照時間增長，植物細胞合成較多的葉綠素，其含量占優勢，葉片呈綠色，而在秋季，短日照、低溫等外界環境因子對植物產生影響，使植物葉片細胞內葉綠素的含量減少，而低溫有利于類胡卜素的合成，葉片細胞內類胡蘿卜素和葉黃素含量增加，因而葉片呈現黃色。曲線在700～750nm波段范圍內反射值顯著增大，在750～1000nm的近紅外波段內基本呈水平直線，由于葉肉海綿組織結構中有許多空腔，具有很大的反射表面，反射率高達0.7。

圖2中藍、點線、湖藍及紅色曲線分別為寶華玉蘭的各季節葉片反射率，可見，春夏季的反射曲線均在可見光的綠色波段550nm處出現一個波峰，而在其兩側各出現一個波谷，這是由于綠葉中的葉綠素對此波段的光線進行強吸收所致，因此這兩季的葉片呈現綠色，葉片生長情況正常。隨著季節推移，到秋季明顯可見湖藍色曲線的波峰出現在600～640nm處，此處正是橙黃色波段范圍，因而葉片呈現黃色。

700～1000波段反射率顯示春季葉片含水量最高，其次是夏季和秋季，這和春季雨水多，夏季蒸發量大，秋季干燥這些季節性氣候特征密切相關，冬季葉片枯萎，紅色曲線大致呈斜線形，在整個400～1000nm處的反射率均較其他季節曲線低很多，顯然，其葉綠素和含水量都極低，葉片幾乎沒有生命力。

圖3中藍、點線、棕色及紅色曲線分別為杏葉春夏秋冬四季的反射光譜圖，隨著夏季到秋季的轉變，其綠色波峰轉變為575～640nm的黃橙波峰，波峰寬度增大，呈現一平臺式反射率，達到0.4，比玉蘭和樟樹葉反射率都高，此時葉片呈黃色。由近紅外波段反射率看秋季明顯比春夏季的低，表明其含水量顯著降低。 冬季葉片反射曲線與玉蘭類似，明顯不同于前面三季，在可見光譜范圍其反射率均低，低于0.2。

圖4中黑、點線、紫和紅色曲線分別為樟樹葉春夏秋冬四季的反射光譜，可見，樟樹葉在春夏季的綠色波峰明顯高于秋冬季，冬季葉片綠色波峰不明顯，只略微高于黃橙段的反射率，該季節葉片出現較多褐色斑點，但不同于玉蘭葉和杏樹葉，其在近紅外波段仍保持正常植物的陡坡型高反射率，達到0.4，表明其仍具有較強生命力，這和落葉樹有顯著不同。由于光譜儀可測范圍為400～1000nm，三條曲線在400和1000nm波長處跳躍較大，說明在這兩個端點的值受測試范圍影響數據不夠穩定。

3 結論

（1）樟、杏及寶華玉蘭樹葉的高光譜響應特征具有明顯的季節特征，據此獲得植物物種的物候特征，可以很好地反映樹木的生理狀況，為長沙的植物保護提供了體征數據檔案，通過同地點的同樹種樹葉不同時期高光譜數據的比較分析，可及時了解樹木乃至植被的生物生長周期狀況，為植物的健康生長，發生疾病能及時干預提供良好的信息渠道。

（2）通過上述樹葉高光譜響應特征看出，樟樹在冬季不同于杏和寶華玉蘭，雖然其樹葉生長大量棕色斑點，其葉綠素含量及含水量都相應變低，但仍保持前三季的曲線形狀，表明其仍具有生命力，這就是杏葉和玉蘭葉都凋落而樟樹保持茂密樹葉的原因。

參考文獻：

[1]李少平，吳正方，趙云升.長白山牡丹嶺典型闊葉樹葉變色期高光譜及紅邊特性，紅外與毫米波學報，2016，35（5）：584591.

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