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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
荒漠植物含水量的光譜特征分析
小類(lèi)：
生命科學(xué)
簡(jiǎn)介：
在對(duì)古爾班通古特沙漠南緣的荒漠植物進(jìn)行現(xiàn)地調(diào)查基礎(chǔ)上，選取典型植物種類(lèi)進(jìn)行荒漠植物的高光譜數(shù)據(jù)和含水率的測(cè)定，對(duì)測(cè)定的高光譜數(shù)據(jù)在進(jìn)行噪聲消除后，使用相關(guān)分析法，確定荒漠植物光譜數(shù)據(jù)與含水率之間的關(guān)系，找出荒漠植物對(duì)水分響應(yīng)的敏感波段，并對(duì)荒漠植物對(duì)水分敏感波段的歸一化光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，將測(cè)定的荒漠植物按其含水率大小劃分為3個(gè)等級(jí)。
詳細(xì)介紹：
在內(nèi)陸干旱區(qū)，水分條件決定荒漠植物生長(zhǎng)的好壞,了解和掌握荒漠植物生長(zhǎng)的水分條件,對(duì)評(píng)價(jià)荒漠植物生境狀況和荒漠生態(tài)治理意義重大。荒漠植物的體內(nèi)水分含量是其生長(zhǎng)水分條件優(yōu)劣的客觀(guān)反映。以往了解大面積荒漠植物的水分狀況,大多使用現(xiàn)地采樣的方法。這不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,其代表性也受到質(zhì)疑。根據(jù)高光譜測(cè)定數(shù)據(jù)確定植物含水率的大小,為解決荒漠植物水分狀況提供了有效的途徑。 本研究在參考國(guó)內(nèi)外高光譜與農(nóng)作物含水率研究的基礎(chǔ)上，于2009年6月使用美國(guó)SVC公司生產(chǎn)的HR-768便攜光譜儀現(xiàn)地測(cè)定了古爾班通古特沙漠南緣主要荒漠植物的高光譜數(shù)據(jù)，在采集植物光譜時(shí)為去除隨機(jī)噪音干擾， 對(duì)同一種荒漠植物光譜測(cè)定十次，取十次測(cè)定值的平均作為其最終光譜曲線(xiàn)。 受環(huán)境和自然條件的影響，野外測(cè)定光譜數(shù)據(jù)在1900nm以后光譜的波動(dòng)性很大，因此剔除1900nm以后的波段。 由于光譜儀波段間對(duì)能量響應(yīng)上的差異，使光譜曲線(xiàn)總存在一些噪聲，本研究采用移動(dòng)平均法進(jìn)行光譜曲線(xiàn)平滑去噪處理。為了確定荒漠植物水分吸收特征，對(duì)測(cè)定的植物光譜曲線(xiàn)進(jìn)行包絡(luò)線(xiàn)去除，荒漠植物的光譜曲線(xiàn)包絡(luò)線(xiàn)去除后，有效的突出了植物吸收和反射光譜特征的個(gè)性與共性，并將其歸一到一致的光譜背景上，以利于不同種類(lèi)荒漠植物光譜的比較分析。 測(cè)定的9種荒漠植物在970, 1200, 1450nm譜段附近存在明顯的吸收谷,但它們是否反映其含水率高低?為此,對(duì)所測(cè)植物光譜978～1030nm, 1133～1266nm, 1374～1 534nm三個(gè)區(qū)段的反射光譜與植物相應(yīng)含水率進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明, 978～1030nm波段(波段1)相關(guān)系數(shù)最高為0?895,最低0?405; 1133～1266 nm波段(波段2)相關(guān)系數(shù)最高0?930,最低0?894;1374～1534 nm波段(波段3)相關(guān)系數(shù)最高0?968,最低0?957。可見(jiàn)上述3個(gè)波段與植物含水率均具有一定的相關(guān)性。其中,波段1相關(guān)性一般,波段2相關(guān)性較好,波段3相關(guān)性最好。即1374～1534 nm是荒漠植物對(duì)水分最敏感的波段。 荒漠植物在同一季節(jié)的含水率差異很大。為對(duì)荒漠植物含水率等級(jí)進(jìn)行劃分,采用聚類(lèi)分析方法,對(duì)植物光譜曲線(xiàn)進(jìn)行聚類(lèi),以作為植物生理、生態(tài)習(xí)性和抗逆分析的依據(jù)之一。 對(duì)植物含水率光譜分析表明, 1374～1534nm能表征荒漠植物水分狀況。以9種荒漠植物1374～1534nm波段歸一化光譜為變量,采用系統(tǒng)聚類(lèi)分析法(歐氏距離法)進(jìn)行聚類(lèi),根據(jù)植物光譜曲線(xiàn),按照水分高低可將9種植物分為三類(lèi),第一類(lèi):花花柴、駱駝蓬、蟲(chóng)實(shí),水分含量最高,達(dá)70%以上;第二類(lèi)為尖喙?fàn)脚好纭⑺笏?、早熟豬毛菜,水分含量50%～70%;第三類(lèi)為補(bǔ)血草、琉苞菊、小花荊芥、水分含量在50%以下。 結(jié)論：研究表明, 1374～1534nm是表現(xiàn)9種荒漠植物含水量大小的最佳波段, 1133～1266nm波段也能較好的反映荒漠植物的含水量。這些篩選出的特征波段,不僅可用以推測(cè)植物含水量的高低,還可以對(duì)植物含水量的等級(jí)進(jìn)行有效的劃分。這對(duì)大面積生態(tài)恢復(fù)的遙感監(jiān)測(cè)和傳感器通道的設(shè)計(jì)無(wú)疑都具有重要的意義。

作品專(zhuān)業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

為確定荒漠植物含水率大小與其高光譜數(shù)據(jù)間的關(guān)系，使用美國(guó)SVC公司的HR-768便攜光譜儀現(xiàn)地測(cè)定了古爾班通古特沙漠南緣主要荒漠植物的高光譜數(shù)據(jù)，使用去包絡(luò)線(xiàn)、特征波段提取和相關(guān)分析等方法，對(duì)所測(cè)荒漠植物的光譜曲線(xiàn)進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的光譜曲線(xiàn)進(jìn)行特征分析，對(duì)荒漠植物光譜與含水率進(jìn)行相關(guān)分析；對(duì)荒漠植物光譜對(duì)水分敏感波段的歸一化光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，將測(cè)定的荒漠植物劃分為含水率高、中、低三個(gè)等級(jí)。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

對(duì)植物高光譜與含水率關(guān)系的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多將重點(diǎn)放在農(nóng)作物上，對(duì)荒漠植物高光譜與含水率的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，現(xiàn)地測(cè)定了古爾班通古特沙漠南緣9種典型荒漠植物的高光譜數(shù)據(jù)及含水率，對(duì)測(cè)定光譜數(shù)據(jù)去除包絡(luò)線(xiàn)后采用相關(guān)分析方法，確定了9種荒漠植物對(duì)水分響應(yīng)的最佳波段，這一研究結(jié)果將為荒漠植物含水率高低的預(yù)測(cè)及含水率等級(jí)的劃分提供依據(jù)和方法借鑒。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

本文對(duì)古爾班通古特沙漠南緣9種典型荒漠植物光譜特征和含水率進(jìn)行研究，得出表達(dá)荒漠植物含水率的特征波段，以便對(duì)不同含水率荒漠植物的高光譜進(jìn)行微弱光譜差異的定量分析，為荒漠植物遙感定量分析提供新的思路和途徑。對(duì)荒漠區(qū)生境分析和利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行荒漠植物生境監(jiān)測(cè)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。為新疆干旱荒漠化危害地區(qū)的遙感生態(tài)監(jiān)測(cè)提供了新的思路和方法借鑒。

學(xué)術(shù)論文摘要

　用美國(guó)SVC的HR-768便攜光譜儀現(xiàn)地測(cè)定了9種荒漠植物的高光譜并在實(shí)驗(yàn)室使用烘干法測(cè)定相應(yīng)植物的含水率,對(duì)測(cè)定的光譜數(shù)據(jù)使用ENVI軟件去除包絡(luò)線(xiàn),運(yùn)用相關(guān)系數(shù)法分析植物含水率與反射光譜之間的關(guān)系,結(jié)果表明: 978～1030nm波段與植物含水率相關(guān)性一般, 1133～1266nm波段與植物含水率相關(guān)性較好, 1374～1534nm波段與植物含水率相關(guān)性最好,是表達(dá)植物含水率大小的特征波段。對(duì)1374～1534nm波段光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析,可將測(cè)定的植物劃分為含水率較高(>70%)、中等(50%～70%)、較低(<50%)3個(gè)等級(jí)。以上研究揭示了荒漠植物含水量大小和光譜數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,為荒漠區(qū)生境分析和利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行荒漠植物監(jiān)測(cè)提供了參考依據(jù)。

獲獎(jiǎng)情況

論文發(fā)表在《光譜學(xué)與光譜分析》2010年第9期， SCI和EI同時(shí)收錄。

鑒定結(jié)果

無(wú)

參考文獻(xiàn)

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同類(lèi)課題研究水平概述

在國(guó)外，Penuelas（1993）等使用水分指數(shù)R970/R900監(jiān)測(cè)小麥的水分狀況, Michio（1989）等則發(fā)現(xiàn)960nm處的導(dǎo)數(shù)光譜可用來(lái)監(jiān)測(cè)水稻的水分虧缺狀況，Ceccato（2001）利用1600nm和820nm波段的反射率比估算單位葉面積上水分含量。在國(guó)內(nèi)王紀(jì)華等(2001 )在室內(nèi)條件下測(cè)定小麥葉片光譜反射率，對(duì)葉片的相對(duì)含水量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)回歸，周順利等（2005）通過(guò)測(cè)定玉米冠層光譜反射率對(duì)玉米冠層相對(duì)深度指數(shù)與不同葉層含水量的關(guān)系做了研究，董晶晶等（2006）利用反射光譜信息提取水稻、橘樹(shù)、含笑、女貞等十余種植被葉片水分含量，得到了較高的精度，王紀(jì)華等（2000）利用小麥葉片含水量對(duì)近紅外波段光譜吸收特征參量（吸收深度），提出了一種利用光譜反射率診斷小麥葉片水分狀況的遙感方法，張君瑋等（2009）研究了Ce(Ⅲ)對(duì)UV—B輻射下大豆幼苗葉片含水量的影響，孫俊等基于冠層光譜特性得出水稻葉片含水率模型，提高了預(yù)測(cè)水稻葉片含水率的準(zhǔn)確性，毛罕平基于光譜反射特征建立了葡萄葉片含水率模型。
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