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1、引言

國內外許多經驗表明，河流湖泊水生植被的恢復是水體環境和生態綜合整治的一個重要環節，是總體治理效果的最后實現過程，如果缺少這個環節，總體治理效果將會受到很大限制。

遙感技術已成為地表覆被及其組成信息的主要來源,已廣泛應用于資源與環境動態監測。目前，國外已有學者開始探索應用遙感技術監測沉水植物分布時空變化與生長狀況。Jakubauskas等對睡的蓋度和光譜反射之間的關系進行了定量的研究,Han和Rundquis在試驗池中研究了金魚藻在清水和富含藻類水體的不同深度下光譜反射率的變化。目前,國內應用遙感技術監測沉水植物分布的時空變化與生長狀況研究還較少。

近年來，隨著高光譜遙感技術的發展與應用,使遙感影像的空間分辨率和光譜分辨率得到很大提高。本項研究使用便攜式地物光譜儀測定大型沉水植物苦草的光譜特征,其主要目的是:

(1)識別大型沉水植物的光譜特征;

(2)建立沉水植物蓋度與光譜特征之間的定量關系,以期為高光譜遙感影像的影像判讀和解譯分類以及沉水植物分布時空變化與生長狀況監測提供技術支撐，為大尺度遙感監測沉水植物的分布和動態變化提供科學依據。

2、材料與方法

2.1 材料

本項研究選擇苦草為試驗材料。苦草是長江中下游湖泊和河流中常見的沉水植物優勢種，為多年生沉水草本，無直立莖，具橫走的匍匐莖，葉基生，葉片帶狀較長。苦草的耐污性和適應性強、繁殖快，同時對藻類具有抑制作用，近年來作為生態修復中常選擇的沉水植物種類，被廣泛用于湖泊、河流和富營養化水體的生態修復。

2.2 光譜測定

使用便攜式地物光譜儀，直接測定不同樣方中沉水植物的光譜反射率，光譜儀的波段覆蓋350-2500nm。

實驗室測定前用遮光布擋住外界的自然光,用黑色棉布貼在塑料箱四壁,以消除箱壁對光的反射和吸收利用50W全光譜鹵光燈作為測定光源,用聚四氟乙烯(F4)漫反射參考板(反射率為20%)進行儀器的優化,并將光譜數據轉化為反射率。測定時將探頭垂直置于水面0.3m之上進行光譜采集,不同蓋度苦草的樣方各測定20個光譜數據作平均。

室外光譜測定時，將探頭垂直置于水面0.5m之上,對每個樣方測定20個光譜數據作平均。每次進行光譜測定前,同樣利用參考板進行優化。

2.3 數據分析

表1測定樣方的苦草生長狀況及其環境因子

由于光譜反射信號在400nm之前和900nm波段之后受干擾的影響較大，在本研究中只選擇400-900nm波段范圍的光譜數據。使用便攜式地物光譜儀攜帶的光譜處理軟件，將所測苦草群落的光譜反射率作進一步的光譜波段截取與計算，得出四個遙感衛星波段組的反射率值。進行相關分析和線性回歸，并作圖。

3、結果與分析

3.1 實驗室模擬實驗

實驗室模擬試驗結果顯示,不同蓋度苦草的光譜反射曲線表現出典型的植被光譜特征。在400~500nm(綠光波段)和600~700nm(紅光波段)處有較強的吸收,形成兩個吸收谷,在可見光波長550nm處形成了反射綠峰”,當波長大于700nm時,光譜的反射率增強,形成了水生植物在近紅外波段的反射高原區(圖1)。在近紅外波段的700~900nm范圍內,反射率隨苦草蓋度的降低而下降,反射率的大小從低到高依次為:0%蓋度<10%蓋度<20%蓋度<40%蓋度<60%蓋度<80%蓋度。在525~575nm波段范圍內,隨著苦草蓋度的降低其光譜反射率也有所下降,但幅度較小。當苦草蓋度為0%時,反射光譜曲線雖然在750~950nm波段范圍內也有較強的吸收,但在可見光范圍內沒有典型的植被光譜“綠峰”特征。不同蓋度苦草的光譜反射率之間的差異主要表現在500~600nm和700~900nm這兩個波段范圍。

圖1 實驗室模擬試驗中不同蓋度苦草的光譜特征 

圖2 實驗室模擬試驗不同蓋度苦草與其光譜反射率之間的相關性

圖3 實驗室模擬試驗中苦草蓋度與其反射率的回歸分析

3.2 室外控制實驗

室外控制試驗結果同樣表明,當苦草蓋度變化時,其光譜反射率也相應地發生改變,反射率隨苦草蓋度的降低而下降(圖4)。隨著苦草蓋度的降低,探頭視場范圍內水域面積所占比例逐漸增多,在400~900mm波段范圍內的反射率均有所下降。在可見光到近紅外波段,反射率的大小從低到高依次為:0%蓋度<20%蓋度<30%蓋度<50%蓋度<70%蓋度<80%蓋度。

圖4 室外控制試驗中不同蓋度苦草的光譜特征

圖5 室外控制試驗中不同蓋度苦草與其光譜反射率之間的相關性

圖6 室外控制試驗中苦草蓋度與其反射率之間的回歸分析