胡楊與灰葉胡楊的葉片光譜特征對比分析

馬思佳 王家強

（塔里木大學農學院，新疆阿拉爾 843300）

塔里木盆地是典型的干旱荒漠區之一。胡楊（Populus euphratica）與灰胡楊（Populus pruinosa）為該地區沙漠生態系統[1]中最主要的建群種之一，在抵御風沙、抑制沙化[1]、維持區域生態平衡、保護生物多樣性及保護綠洲農業、畜牧業等方面發揮重要作用。實踐中，水土資源過度利用等導致該地區河流斷流和地下水位下降，加劇了荒漠植被的干旱脅迫，導致生態系統面臨退化的威脅[2]。因此，相關學者開始深入研究建群植物對環境脅迫、地下水位變化和干旱脅迫等因素的生理生態響應機理[3]，以充分了解相關因素對胡楊生長和適應環境的影響。

遙感技術被廣泛應用于植被監測研究中，利用光譜技術研究塔里木河流域胡楊及灰葉胡楊葉片光譜反射率隨干旱脅迫程度的變化特征對研究植物生境的光譜響應有重要意義[4]。張芳等[5]以奇臺綠洲平原地區4 種鹽生植物為研究對象，采用光譜學特征參數，構建了4 種鹽生植物的光譜學識別模型。牟新待等[6]分析了甘肅天?？h高山草甸植物的光譜反射特征，結果表明，草原植被對可見光和NIR 的反射率均有較大差異，利用高光譜技術可對草原植被進行分類。岳喜元等[7]對科爾沁沙地4 種重要的固沙植物——楊樹、黃柳、錦雞兒和樟子松進行了光譜學分析，發現這4 種固沙植物在620～670 nm 和841～876 nm 范圍內的反射率有較大差別，從而對這4 種植物進行了鑒別。Fabre 等[8]以櫻桃樹葉為研究對象，采用分步烘干法，研究不同水分含量對3～15 mum光譜域的影響。Ghiyamat 等[9]探討了原始和導數光譜數據與5 種不同光譜度量技術、SAM-SID 結合對不同樹齡的樹種的鑒別潛力。Harrison 等[10]通過對26 個熱帶雨林類型的隨機森林分類試驗，證明了采用小波方法對反射系數進行預處理，可以有效提高分類準確率。本研究對塔里木河流域胡楊與灰葉胡楊葉片進行光譜測試，獲取光譜反射率，結合色素數據，探討不同地下水埋深下胡楊光譜反射率的變化特征，為評價天然胡楊的健康狀況和環境脅迫提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

選擇新疆阿瓦提縣豐收三場胡楊林保護區和塔里木河干流源頭為研究區，將胡楊葉片按不同地下水埋深劃分為0～2、2～4、4～6、6～8 和8～10 m 5 個梯度，研究胡楊和灰葉胡楊葉片生理參數的變化特征，并設置5個采用時期，從2022年6月至10月，在每月25日前后進行采樣。

使用ASD FieldSpec Hand Held2 便攜式地物光譜儀，對每棵胡楊和灰葉胡楊葉片的光譜反射率進行測定。在晴朗無風天氣的時間段（12：00—16：00），選取具有代表性的胡楊與灰葉胡楊作為樣本樹，進行光譜測定。隨即將采集的光譜反射率所對應的葉片裝入信封，并放入0～4 ℃的保溫箱或車載冰箱內，待所有處理的葉片樣品采集完后運回實驗室，并及時進行葉綠素測定。對胡楊與灰葉胡楊光譜反射率的有效數據進行預處理，并進行包絡線去除和光譜變換，分析其原始光譜反射率變化的特征，以得出光譜位置參數的變化特征。最后，將胡楊與灰葉胡楊葉綠素數據與光譜位置參數、光譜吸收特征參數和光譜相似性結合，對比敏感波段。

1.2 研究方法

1.2.1 測定光譜反射率本試驗使用ASD Hand Held2 便攜式地物光譜儀進行測定。在各個采樣點范圍內，選擇樹齡、長勢相近，并且沒有受到病蟲害影響的胡楊樹與灰葉胡楊樹，在晴天，云量低于20%的天氣條件下，采摘每一株不同部位上完整的、具有代表性的胡楊樹葉與灰葉胡楊樹葉作為分析樣品，利用高枝剪獲取葉片樣品，并測定其光譜反射率有效數據，同時，每隔10 min用一塊白板進行參照。將收集到的樣品用自密封的紙袋包裝好，并做好標記，送回實驗室進行測定。

1.2.2 測定葉綠素含量用95%乙醇浸提葉片中的葉綠素，將新鮮葉片剪成長寬約2 mm的碎片，精確稱量0.200 0 g，并將其置入具塞刻度試管內，加入20 mL 95%乙醇，放在4 ℃的冰箱內并避光，密封浸泡48 h以上。待葉片全部變成白色，將浸提液搖勻后，用分光光度計在波長537、647 和663 nm 處進行比色，測定其吸光值。用波長537、647 和663 nm 處的吸光值計算葉綠素a、葉綠素b 的濃度值，再用葉綠素a、葉綠素b的濃度值計算葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量的含量。計算公式（1—5）如下。

式（1—5）中，A663、A537和A647分別表示在波長663、537 和647 nm 處用1 cm 的比色杯測量的浸提液的吸光度值；Ca、Cb為葉綠素a 和葉綠素b 的物質的量濃度；Chla、Chlb和Chla+b分別表示浸提液中葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量的含量。

1.2.3 測定光譜位置參數本研究使用的光譜位置參數包括Db、λb和Dy等，其名稱、定義及算法如表1所示。

表1 光譜位置參數

2 結果與分析

2.1 葉片反射光譜特征與光譜相似性

對胡楊與灰葉胡楊光譜反射率有效數據用The UnscrambleX 軟件進行SG 平滑，有效減弱光譜噪聲。本研究采用4種光譜變換方式，即一階導數變換、二階導數變換、對數變換和對數倒數變換，并對胡楊與灰葉胡楊的葉片反射光譜特征進行對比。通過計算歐氏距離、光譜信息散度、光譜相關性測度、光譜角匹配和光譜相關性擬合，進行光譜相似性分析如圖1所示。

圖1 胡楊與灰葉胡楊葉片的光譜反射曲線

由圖2 可知，經一階、二階導數變換后的光譜值與原始光譜值相比變化很大，胡楊與灰葉胡楊光譜反射率的變化基本一致。但在325～400 nm 范圍內，胡楊與灰葉胡楊變化幅度一階、二階導數變換值均相差較大，在400～700 nm 范圍內，由于吸收和反射特性很強，二者均整體呈現典型的“峰谷”特征，在900～1 000 nm 范圍內，兩條曲線波動差異較顯著，胡楊的二階光譜變換達到了近0.003 的極大值。

圖2 胡楊與灰葉胡楊葉片一階、二階導數光譜

由圖3 可知，經對數和對數倒數變換后，整個曲線均呈負值，與原始光譜走勢基本一致。對數變換后，胡楊與灰葉胡楊走勢基本一致，均呈“兩峰一谷”，胡楊與灰葉胡楊的對數變換的差異不顯著。但對數倒數變換中胡楊與灰葉胡楊相差較大，具體表現在734 nm 波長后，胡楊對數倒數出現了較灰葉胡楊更明顯的谷，達到了近-8 的極小值。

由表2 可知，胡楊與灰葉胡楊的一階與二階導數變換最大值均為0，最小值均為0，且二階導數最大值和最小值為一處。對數變換與對數倒數變換最大值與最小值均為負值。對數變換中，胡楊與灰葉胡楊相差不大，但對數倒數變換胡楊與灰葉胡楊極值相差較大。

2.2 胡楊與灰葉胡楊葉片光譜的吸收特征

對胡楊和灰葉胡楊葉片光譜反射率數據，用envi 構建波譜庫，并進行包絡線去除（圖4），其吸收谷的趨勢更加明顯。根據包絡線去除后的圖像（圖4），進行胡楊與灰葉胡楊的吸收特征分析，并進行對比。通過顯著性差異檢驗，分析光譜吸收特征參數的差異。

圖4 包絡線去除處理

由表3可知，胡楊與灰葉胡楊均有2個比較明顯的吸收谷，灰葉胡楊比胡楊的吸收斜率較低，證明胡楊的吸收谷比灰葉胡楊波動幅度較大，因此吸收深度也比灰葉胡楊要低。胡楊比灰葉胡楊的吸收寬度高，胡楊與灰葉胡楊在500 nm波長附近包絡線去除曲線開始出現第一個吸收谷，波長670 nm附近包絡線去除曲線開始出現第二個吸收谷。

表3 胡楊與灰葉胡楊葉片光譜的吸收特征參數

由表4 可知，胡楊與灰葉胡楊光譜吸收特征參數在中心波長550 nm 處，斜率P=0.02＜0.05，差異顯著；吸收深度P=0＜0.01，差異極顯著，其他均不顯著。在中心波長670 nm 處，斜率P=0，差異極顯著，其他均不顯著。由此可得，斜率可作為辨別胡楊與灰葉胡楊的標志吸收特征參數。

表4 胡楊與灰葉胡楊葉片光譜的吸收特征參數差異分析

2.3 胡楊與灰葉胡楊葉片光譜的位置特征

選擇325～1 075 nm 波段胡楊光譜反射率做一階導數轉換，通過一階導數轉換可去除植被背景干擾，并將其精細特性放大，從而實現對植被光譜特性的定量化，與原始波段相比更為精確。此外，根據光譜位置特征，判斷不同胡楊品種，并反映品種之間的差別。通過顯著性差異檢驗，分析光譜吸收特征參數的差異。

從表5 可知，Db、λb、λg、Rg和Dy胡楊比灰葉胡楊低，λg胡楊與灰葉胡楊差異不顯著，黃色邊緣位置、紅色波谷反射率、紅色波谷位置和紅色邊緣振幅胡楊比灰葉胡楊高，λo胡楊比灰葉胡楊高。

表5 胡楊與灰葉胡楊葉片光譜的位置特征

由表6 可知，藍邊幅值和黃邊位置P=0＜0.01，差異極顯著，綠峰幅值P=0.02，黃邊幅值P=0.03＜0.05，差異顯著。這說明胡楊與灰葉胡楊藍邊幅值和黃邊位置處理間存在極顯著差異，綠峰幅值和黃邊幅值處理間存在顯著差異，其余無顯著差異。由此可知，藍邊幅值和黃邊位置、綠峰幅值和黃邊幅值可作為區分胡楊與灰葉胡楊的光譜位置特征參數。

表6 胡楊與灰葉胡楊葉片三邊參數差異分析

3 結論與討論

本研究以塔里木河源流區和新疆阿瓦提縣的胡楊與灰葉胡楊為研究對象，采集了不同月份、不同埋深的胡楊與灰胡楊葉片光譜反射率及對應的葉綠素含量，對原始光譜通過Unscramble 軟件進行SG 平滑，有效減弱光譜噪聲，再進行一階、二階導數光譜變換處理分析，得出光譜變化特征，并計算光譜相似性指標；運用envi進行包絡線去除，進行胡楊與灰葉胡楊的吸收特征分析并進行對比；將一階導數變換后的值進行光譜位置特征數值的計算并進行對比；分別算出胡楊與灰葉胡楊總葉綠素含量與光譜反射率相關系數。選取相關系數較高的波段用SPSS 進行方差膨脹因子，檢驗共線性，進而篩選敏感波段進行對比。得到的結論如下。

（1）胡楊與灰葉胡楊的葉片光譜反射率經平滑處理，再進行一階、二階導數變換后，圖像走向基本一致，但在峰值時胡楊要高于灰葉胡楊。通過胡楊與灰葉胡楊的兩條反射光譜曲線在325～1 075 nm波段的光譜相似性相關數值的計算，證明胡楊與灰葉胡楊的光譜相似性不高。

（2）胡楊與灰葉胡楊的包絡線去除光譜的兩個吸收谷位置走向一致，但兩個吸收谷的峰值和谷底值略有不同，同時，吸收斜率（K）值、吸收深度（BD）值、吸收寬度（W）值和吸收面積（A）值都有不同程度的變化。但差異顯著性檢驗證明，吸收斜率差異極顯著。

綜上，通過胡楊與灰葉胡楊的光譜位置特征的對比篩選，判斷不同胡楊品種的吸收特征參數，并通過篩選敏感波段反映光譜與色素的相關性，體現色素吸收光譜變化的強弱程度，更能體現色素含量變化的差異。