基于高光譜技術的胡楊葉片生化組分反演研究進展

張冬冬 溫云夢 王家強

摘 要：近些年，高光譜技術被廣泛應用于植物生長監測方面。植物葉片中的氮、水和色素等含量不僅會影響植物的生長，還會影響光譜反射率對植物葉片的響應結果。因此，研究利用光譜反射率如何高效、快速、實時地估測葉片中氮素含量、水分含量及色素含量等生理學參數，進而利用高光譜遙感技術監測植物生長發育和健康狀況具有重要意義。該文以塔里木河流域的胡楊為對象，闡述了基于高光譜技術的胡楊葉片生化組分反演研究進展，為促進干旱區生態環境建設及植被恢復提供參考。

關鍵詞：高光譜技術;胡楊;生理參數;研究現狀

中圖分類號 S792.119;P407.8文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2022）06-0032-04

Research Progress on Inversion of Biochemical Components in Populus euphratica Leaves Based on Hyperspectral Technology

ZHANG Dongdong? ?WEN Yunmeng? ?WANG Jiaqiang

（College of Agriculture， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract： In recent years， hyperspectral techniques have been widely used in plant growth monitoring. The content of nitrogen， water and pigments in plant leaves not only affects the growth of plants， but also affects the results of spectral reflectance response to plant leaves. Therefore， it is important to study how to estimate physiological parameters such as nitrogen content， water content and pigment content in leaves efficiently， rapidly and in real time using spectral reflectance， and then monitor plant growth and development and health using hyperspectral remote sensing technology. Taking Populus euphratica in Tarim River basin as the research subject， this paper reviewed the research progress of biochemical components inversion of Populus euphratica leaves based on hyperspectral technique， and provided reference for promoting ecological environment construction and vegetation restoration in arid area.

Key words： Hyperspectral technology; Populus euphratica; Physiological parameters; Research status

遙感技術具備多時相、高效率、全天候等優點，能夠大區域連續動態監測，還具有比傳統生理生化實驗方法效率高、花費少、快速便捷的優勢[1]。與傳統遙感相比，高光譜遙感具有光譜分辨率高，波段窄、多，信息連續性強和大的優點，而傳統遙感波段寬、少，信息間斷多，不能夠探測到事物連續的光譜信息。高光譜遙感是分辨率小于0.1μm且獲取連續地物光譜圖像的遙感技術，因此獲取的數據信息會比傳統遙感的信息更豐富、更完整、更精確[2]，并提供可選擇的任意波段，在此基礎上能夠選擇適合的波段進行分析與研究。在數據處理階段，高光譜技術產生的數據可以通過導數計算等方式來解決噪音及環境所帶來的結果誤差。因此，高光譜技術在環境保護、地質找礦、植物監測等多方面被廣泛應用。

胡楊（Populus euphratica）別稱并葉楊，是一種干旱大陸性氣候的樹種，作為荒漠河岸林中具有優勢且古老的樹種之一，其喜光、耐熱、耐旱、抗鹽堿、抗風沙，因此具有防風固沙、穩定河道、保障綠洲農牧業生產和維持綠洲生態系統持續健康發展的重要作用[3-5]，對于荒漠地區的生態環境保護具有重要意義[6-7]，同時還有科學價值和醫學作用。在我國新疆，胡楊林主要分布在37°～47°N，尤其是塔里木河流域的胡楊林，其規模大、跨度長，基本上沿著塔里木河的流向繁衍蔓延，成為塔里木河無處不在的象征。塔里木盆地的胡楊林憑借其高大群集的優勢，長期與風沙災害抗衡，阻擋風沙侵襲，保護了盆地一些地區的生態平衡和盆地邊緣的綠洲，其興衰與盆地邊緣綠洲的存亡息息相關。然而近年來，受人類活動的影響，塔里木河兩岸地下水位下降，導致天然胡楊林的大面積衰退，加大對胡楊林的保護和研究已迫在眉睫[8]。

在植物及土壤的研究上，運用高光譜技術能夠得到較為客觀、真實的植物和土壤信息，可以極大程度地避免地表反射率和大氣吸收散射等的影響[9]。通過測定光合作用和葉綠素含量等植物生理參數，可以描述植物的物質代謝、能量轉化、生長發育和環境變化下的生理響應等生理特點[10]。而擁有非接觸、便捷、高效和對植物無損等特點的高光譜技術，能夠準確、方便地獲取植被光譜特征信息，因此可以應用在植被生理狀態的監測上。為此，本文以荒漠河岸林植物胡楊為對象，根據基于高光譜技術研究植被生理學參數的相關文獻資料，闡述了胡楊葉片的生理學參數變化特征研究進展，為促進干旱區生態環境建設及植被恢復提供參考。

1 胡楊生理參數的光譜反演研究

1.1 葉片水分含量 水是植物生長與生存的重要影響因子，干旱區植物生長對水有極大依賴性，尤其是塔里木河下游河道斷流近30年，加之氣候干燥、降水稀少，導致地表徑流缺乏。在干旱條件下缺水會對植物造成水分干旱脅迫，水分含量的不足成為影響植物生長的重要因素[11]，會損傷植物的生理代謝和光合作用，導致植物生長受阻，而植物只有在一定的細胞水分下才能進行呼吸作用[12-13]、光合作用[14]等正常的生理活動。因此，研究荒漠植物胡楊生長的水分條件，對胡楊的生長狀況監測具有重大意義。很多學者采用高光譜技術提取與分析胡楊葉片含水率信息。王濤[15]基于不同光譜預處理獲取的胡楊葉片近紅外光譜信息，采用2種算法篩選出特征波段并進行建模研究，得出采用SNV-SPA-PLS方法可實現胡楊葉片水分含量的快速檢測;宋玉[16]運用高光譜技術對新疆艾比湖流域的胡楊葉片含水率進行反演研究，得出逐步多元線性回歸模型對胡楊葉片含水率的估算能力更好，用反射率一階導數光譜檢驗胡楊葉片含水率的效果較好，R2高達0.92，RMSE為0.013，RPD為3.13;林海軍[17]研究胡楊在不同地下水埋深條件下的光譜特征及葉片含水率，表明葉片含水率隨地下水埋深下降而降低，且胡楊光譜對地下水埋深變化無明顯的響應規律，還得出1466～1646nm波段為胡楊葉片光譜對水分響應的敏感波段，以敏感波段的吸收深度與含水率進行模型估測研究，這為后人使用高光譜數據進行胡楊生境監測與反演提供了理論依據;趙釗[18]對荒漠植物光譜反射率與含水率進行研究，發現1450nm附近，荒漠植物光譜對水分吸收反應明顯，1405～1646nm為荒漠植物對水分的敏感波段，其能夠有效反映荒漠植物含水率的大小，且含水率的大小與地下水埋深變化趨勢一致，在1450nm附近的水分吸收谷更能反映其變化趨勢。由此可見，利用高光譜技術對胡楊葉片水分含量進行研究，不僅可以實現胡楊葉片含水量的估測，還能夠判斷地下水埋深變化。

1.2 氮素 氮素作為植物生長必需的基本營養元素，不僅會影響植物生長發育[19-20]，還會顯著影響植物的分布[21]。同時氮素含量的適度增加能夠促進植物滲透調節物質的積累[22]，更能夠提高植物的抗旱能力[23]和植物光合效率[24]。而且氮素增加可以調節土壤養分結構，強化植株氮素吸收，促進植株生長[25～26]，成為直接影響植物生長發育、保證植物品質和產量的重要生理參數。因此，胡楊葉片氮素含量的高光譜技術監測能夠診斷胡楊生長特征與健康狀況，為保護綠洲生態系統的穩定提供理論基礎。隨著高光譜技術的發展，其無害、無損等優勢受到國內外學者的青睞，被廣泛應用在植物營養的診斷方面。塔里木河流域屬于荒漠干旱區，土壤養分缺氮、少磷、富鉀[27]，除了水分以外，氮素成為植物生長發育的主要限制因子[28]。在胡楊的幼苗階段，如果遇到干旱脅迫，合理的增施氮可以增強幼苗地下部分生長與光合能力，還可以對干旱脅迫具有補償效應，促進幼苗快速生長，度過脆弱期[29]。在植物缺氮時，氨基酸、蛋白質與核酸等物質的合成會受到影響，造成植物光合作用的效率降低，且其含量的變化還會導致植物葉片生理及形態結構發生變化[30]。王植[31]利用高光譜技術對桃樹葉片氮含量進行研究，發現用葉片光譜一階微分后的數據建模分析，能夠較好地反映氮素含量。由此可見，利用高光譜技術可以實時、動態、高效地探測胡楊葉片營養元素，進一步監測胡楊生長特征和健康狀況。

1.3 色素 植物葉片中存在著多種色素，對于植物正常生長具有重要的生理意義，尤其是在捕獲光能及對光合作用器官的光保護方面發揮著關鍵作用[32-33]。當受到環境脅迫時，色素的含量也會發生變化。傳統的植物葉片色素含量的測定方法具有破壞性取樣、低效率、高成本、專業儀器設備需求高等缺點[34-35]，而運用高光譜技術可以實現快速、無損地估測植物色素[36-39]。因此，大量學者利用高光譜技術對植物色素進行遙感估測與監測。武建林[8]對胡楊2種葉形的類胡蘿卜素含量與高光譜反射率的相關性進行分析研究，發現兩者間的相關系數會受季節、葉形、類胡蘿卜素含量的單位等因素影響，相關性較為復雜。許丹[40]通過分析塔里木河流域上游天然胡楊葉片中的葉綠素，結合高光譜遙感進行相關性研究，得出2個有特殊意義的波長位置，分別為645nm和769nm，能夠用于指示胡楊葉片葉綠素與反射率的相關性。王家強[41]基于高光譜技術對胡楊葉綠素進行建模研究，得出葉綠素與高光譜指數NDVI705的相關性更強，同時建立的多元線性回歸模型最優，能夠估測胡楊的葉綠素含量和監測評價胡楊生理狀態和健康狀況。國外學者Horler[42]對植物葉綠素含量與光譜反射率進行相關性分析研究，發現植物光譜的紅邊位置能夠較好地估測植物葉綠素濃度;Curran[43]則研究發現植物光譜的紅邊位置對植物冠層的葉綠素濃度更敏感。隨著擁有高光譜技術的航空與航天成像光譜儀的出現，其能夠便捷地獲取植被光譜[44]，并可以在一定空間尺度上對色素含量進行無損動態監測與制圖研究[45]。

2 結語

高光譜技術測定植物生理學參數比傳統測定植物生理學參數更快速、高效和可靠等，這些優勢促使國內外學者針對胡楊營養元素、水分含量與抗逆生理及生態適應等方面開展了廣泛研究。而對于塔里木河流域的胡楊來說，可以借鑒這些研究方法實現對塔里木荒漠區植物生理參數及長勢的區域監測，建立行之有效的高光譜植物長勢監測技術，為促進干旱區生態環境建設及植被恢復提供科學依據。

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（責編：徐世紅）