全 文 ：青海祁连瑞香狼毒的光谱差异特征提取∗
程　 迪１　 刘咏梅１∗∗　 李京忠１　 莫重辉２
（ １西北大学城市与环境学院， 西安 ７１０１２７； ２青海大学农牧学院， 西宁 ８１００１６）
摘　 要　 瑞香狼毒是分布在青海省高寒草甸的主要毒害草之一，近年来其迅速蔓延对当地畜
牧业危害严重并使草地生态系统日趋退化．在海北州祁连县选取狼毒分布的典型退化草甸，
采用 ２０１２—２０１４年狼毒盛花期获取的实测光谱数据，分析狼毒与牧草的光谱差异性．结果表
明： 在 ３５０～９００ ｎｍ的可见光⁃近红外波段，狼毒顶花的光谱反射特征明显异于狼毒叶片和同
期牧草等绿色背景，顶花与绿色背景的光谱反射率差异主要体现在红谷和蓝谷．随着盖度的
增加，狼毒群落光谱反射率整体升高，在近红外反射峰处狼毒群落与牧草群落光谱反射率具
有最大差值，且不同盖度狼毒群落之间的差异性最明显．顶花与绿色背景以及狼毒群落与牧
草群落的一阶导数光谱差异均体现在黄边幅值和蓝边幅值．狼毒群落盖度与光谱特征参量的
线性回归分析表明，红谷与狼毒群落盖度的相关性最好（Ｒ２ ＝ ０．９４），反演狼毒群落盖度的精
度最高．盛花期区分狼毒与牧草的主要光谱特征参量为红谷、蓝谷与近红外反射峰，其对应的
红、蓝及近红外波段的组合可用于构建狼毒提取的敏感指数．
关键词　 高寒退化草甸； 瑞香狼毒； 牧草； 盖度； 光谱特征参量
∗农业部公益性行业（农业）专项（２０１２０３０６２）和国家自然科学基金项目（４１１７１２２５）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｌｉｕｙｍ＠ ｎｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
２０１４⁃１０⁃０８收稿，２０１５⁃０３⁃２９接受．
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０８－２３０７－０７　 中图分类号　 Ｓ１２７　 文献标识码　 Ａ
Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｓｔｅｌｌｅｒａ ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｉｎ Ｑｉｌｉａｎ Ｃｏｕｎｔｙ ｏｆ
Ｑｉｎｇｈａｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｃｈｉｎａ． ＣＨＥＮＧ Ｄｉ１， ＬＩＵ Ｙｏｎｇ⁃ｍｅｉ１， ＬＩ Ｊｉｎｇ⁃ｚｈｏｎｇ１， ＭＯ Ｃｈｏｎｇ⁃
ｈｕｉ２ （ １Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｕｒｂａｎ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ’ａｎ ７１０１２７， Ｃｈｉｎａ；
２Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ａｎｉｍａｌ Ｈｕｓｂａｎｄｒｙ， Ｑｉｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉｎｉｎｇ ８１００１６， Ｃｈｉｎａ） ． ⁃Ｃｈｉｎ．
Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（８）： ２３０７－２３１３．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｓｔｅｌｌｅｒａ ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｏｉｓｏｎｏｕｓ ｗｅｅｄｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎ ａｌｐｉｎｅ ｍｅａｄｏｗ ｏｆ
Ｑｉｎｇｈａｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ． Ｒａｐｉｄ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｏｆ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｈａｓ ｄｏｎｅ ｓｅｒｉｏｕｓ ｈａｒｍ ｔｏ ｌｏｃａｌ ａｎｉｍａｌ ｈｕｓ⁃
ｂａｎｄｒｙ ａｎｄ ｃａｕｓｅｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｇｒａｓｓｌａｎｄ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ａｎｄ ｈｅｒｂａｇｅ， ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｄｅｇｒａｄｅｄ ａｌｐｉｎｅ ｍｅａｄｏｗ ｄｏｍｉ⁃
ｎａｔｅｄ ｂｙ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｉｎ Ｑｉｌｉａｎ Ｃｏｕｎｔｙ ｏｆ Ｈａｉｂｅｉ Ｒｅｇｉｏｎ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｉｔｅ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｌｌ⁃ｂｌｏｓｓｏｍ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｆｒｏｍ ２０１２ ｔｏ ２０１４． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ
ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｆｌｏｗｅｒｓ ｏｆ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｄｉｆｆｅｒｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｆｒｏｍ ｇｒｅｅｎ
ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｌｅａｖｅｓ ｏｆ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ａｎｄ ｈｅｒｂａｇｅ ｗｉｔｈｉｎ ３５０－９００ ｎｍ ｏｆ ＶＩＳ⁃ＮＩＲ
ｗａｖｅｂａｎｄｓ． Ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｓｔ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｌｏｗｅｒｓ ｏｆ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ａｎｄ ｇｒｅｅｎ ｂａｃｋ⁃
ｇｒｏｕｎｄ ｗａｓ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｄ ｖａｌｌｅｙ， ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｂｌｕｅ ｖａｌｌｅｙ． Ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｏｆ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ
ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｉｓｉｎｇ ｏｆ ｃｏｖｅｒａｇｅ， ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｓｔ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｓ．
ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ａｎｄ ｈｅｒｂａｇｅ ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ ｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅａｒ⁃ｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｅａｋ， ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｓｅｐａｒａｂｉｌｉｔｙ ｂｅ⁃
ｔｗｅｅｎ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｗａｓ ａｌｓｏ ａｔ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ． Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ
ｆｉｒｓｔ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒａ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｌｏｗｅｒｓ ｏｆ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ａｎｄ ｇｒｅｅｎ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ａｍｐｌｉ⁃
ｔｕｄｅ ｏｆ ｙｅｌｌｏｗ ｅｄｇｅ ｗａｓ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ， ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｂｌｕｅ ｅｄｇｅ， ｔｈｅ ｓａｍｅ ａｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ
ｂｅｔｗｅｅｎ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ａｎｄ ｈｅｒｂａｇｅ ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ． Ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｏｆ
Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｈｏｗｅｄ ｂｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｆｏｒ ｒｅｄ ｖａｌｌｅｙ （Ｒ２ ＝ ０．９４）． Ｆｉｎａｌ⁃
ｌｙ， ｔｈｅ ｒｅｄ ｖａｌｌｅｙ， ｔｈｅ ｂｌｕｅ ｖａｌｌｅｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅａｒ⁃ｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｅａｋ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｎｇ Ｓ．
ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｆｒｏｍ ｈｅｒｂａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｌｌ⁃ｂｌｏｓｓｏｍ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 ８月　 第 ２６卷　 第 ８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ａｕｇ． ２０１５， ２６（８）： ２３０７－２３１３
ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｒｅｄ， ｂｌｕｅ ａｎｄ ｎｅａｒ⁃ｉｎｆｒａｒｅｄ ｂａｎｄｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｉｎｄｉｃｅｓ ｆｏｒ
Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｄｅｇｒａｄｅｄ ａｌｐｉｎｅ ｍｅａｄｏｗ； Ｓｔｅｌｌｅｒａ ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ； ｈｅｒｂａｇｅ； ｃｏｖｅｒａｇｅ； ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅ
ｐａｒａｍｅｔｅｒ．
　 　 青海省是中国五大牧区之一，草地资源面积大、
草地植被种类丰富．全省天然草地面积 ３６４６．７×１０４
ｈｍ２，其中可利用草地面积占天然草地面积的 ８７％，
占全国可利用草地面积的 １５％［１－２］ ．作为我国重要
的畜牧业基地，近年来由于气候变化、过度放牧等各
种因素的综合影响，青海省天然草地约 ９０％的面积
出现不同程度的退化［３－４］，有毒植物种类和数量呈
增长趋势，导致优良牧草种类减少，牧草产量下降，
草畜矛盾日益增大，严重制约草地畜牧业的可持续
发展，并造成草地生态环境的进一步恶化［４－５］ ．
狼毒（Ｓｔｅｌｌｅｒａ ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ）为瑞香科狼毒属植
物，多年生草本，高 ２０ ～ ５０ ｃｍ，顶生头状花序，花白
色或淡红色，具绿色总苞，花萼筒细瘦，外表紫红色．
狼毒全株有毒，家畜误食后会发生腹泻、呕吐甚至死
亡．狼毒根系粗大且入土深，具有极强的环境适应能
力，在草地植被群落的种类竞争中处于优势，是分布
在青藏高原高寒草甸的主要毒害草种类，也是高寒
草甸退化的重要指示标志之一［６－９］ ．近年来，狼毒的
大面积迅速蔓延对当地畜牧业和生态系统的影响日
趋严重，从毒害草防治的角度出发分析狼毒与牧草
的光谱差异性，是狼毒分布及其危害程度遥感调查
亟待开展的基础性工作［１０－１１］ ．
地物光谱是遥感应用分析的理论基础，多位国
内外学者对草地植被光谱进行了研究．如 Ｄａｒｖｉｓｈｚａ⁃
ｄｅｈ等［１２］和 Ｎｕｍａｔａ 等［１３］分别对意大利 Ｍａｊｅｌｌａ 国
家公园和巴西 Ａｍａｚｏｎ 地区不同草地类型的冠层光
谱进行分析；Ｓｃｈｍｉｄｔ 等［１４］采用高光谱数据对非洲
草原 ８种牧草的光谱特征进行分析；张凤丽等［１５］对
环青海湖天然草地时序光谱特征、喻小勇等［１６］对三
江源区不同退化程度高寒草甸的光谱特征进行分
析；张凯等［１７］对甘肃省两种主要草地类型、钱育荣
等［１８］对新疆典型荒漠草地主要植被类型的光谱特
征进行比较研究；张春梅等［１９］基于 Ｈｙｐｅｒｉｏｎ 高光谱
影像对甘肃干旱区草地光谱特征进行分析；盖颖颖
等［２０］利用实测高光谱数据对呼伦贝尔草原的花期
物种进行识别．但目前以毒草独特的物候特征为基
础，以毒草遥感识别为目标探讨毒草与牧草的光谱
差异特征方面的研究较少．为此，本文以位于青海省
祁连县的典型狼毒分布退化高寒草甸为研究区，采
用 ２０１２—２０１４年 ７月 １０—１５日盛花期获取的狼毒
和牧草实测光谱数据，应用光谱特征参量提取和导
数光谱分析技术，分析狼毒与牧草的光谱差异特征，
研究狼毒光谱反射率与群落盖度的相关性，以期为
狼毒分布遥感及其盖度定量反演提供科学依据．
１　 研究地区与研究方法
１􀆰 １　 光谱试验区概况
光谱试验区位于祁连山八宝河谷地，地处祁连县
峨堡镇白石崖村附近（３８°０２′３４″ Ｎ、１００°３２′０２″ Ｅ，海
拔 ３０９１ ｍ），其位置如图 １ 所示．该区域属大陆性高
寒山区气候，日照时间长、太阳辐射强，平均气温
－３．７～０．７ ℃，最高气温出现在 ７ 月，最低气温出现
在 １月，年均降水量为 ４０６．７ ｍｍ．
　 　 光谱试验区为典型的退化高寒草甸，以矮蒿草
草甸为主，群落总盖度 ８５％ ～９０％，植被种类组成丰
富，主要有狼毒（Ｓｔｅｌｌｅｒａ ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ）、矮嵩草（Ｋｏ⁃
ｂｒｅｓｉａ ｍｙｏｓｕｒｏｉｄｅｓ）、镰形棘豆（Ｏｘｙｔｒｏｐｉｓ ｆａｌｃａｔａ）、三
叶委陵菜（Ｐｏｔｅｎｔｉｌｌａ ｆｒｅｙｎｉａｎａ）、赖草（Ｌｅｙｍｕｓ ｓｅｃａｌｉ⁃
ｎｕｓ）、早熟禾（Ｐｏａ ｐｒａｔｅｎｓｉｓ）等．该区域天然草地原
以丛生禾草为主，由于长期超载过牧，导致狼毒大面
积蔓延生长，形成狼毒群落斑块状聚集分布的退化
草甸，试验区内狼毒群落最低盖度为 １５％，最高为
７０％，平均盖度可达到 ５０％～６０％．根据 ２０１１ 年祁连
县草原毒草防除方案资料，狼毒广泛分布于祁连县
图 １　 试验区位置
Ｆｉｇ．１　 Ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｓｔ ｓｉｔｅ．
Ⅰ： 试验区位置 Ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｓｔ ｓｉｔｅ．
８０３２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
的峨堡镇、默勒镇、阿柔乡、野牛沟乡等地，２０１１ 年
狼毒危害面积达 ９．０３×１０４ ｈｍ２，占全县草地总面积
的 ７．７％．
１􀆰 ２　 光谱数据获取
野外光谱数据采集获取采用荷兰 Ａｖａｎｔｅｓ 公司
的 ＡｖａＳｐｅｃ地物光谱仪，波段范围为 ２００～１１００ ｎｍ，
光谱采样间隔为 ０．６ ｎｍ，光谱分辨率为 ２．４ ｎｍ，波长
精度为±０．１ ｎｍ，镜头视场角为 ２５°．
从分析狼毒与牧草光谱差异特征的角度出发，
光谱测试的内容主要包括：１）狼毒顶花（白花、花
蕾）和叶片光谱；２）主要牧草（嵩草、镰形棘豆、赖
草、三叶委陵菜、早熟禾）叶片光谱；３）不同盖度狼
毒群落和牧草群落光谱．在测量狼毒顶花、叶片及主
要牧草叶片光谱时，采用捆扎成束原位测量的方法，
采集时保持探头垂直向下，探头距样本距离 ５ ｃｍ左
右，保证视场内只有花冠或叶片，避免周围环境的干
扰，每次测试采集 １０条光谱，重复 ３个样本，求平均
值作为该类型的反射光谱．在光谱测试样地选取不
同盖度的狼毒群落和牧草群落，样方大小 １ ｍ×１ ｍ，
测量时探头位于样方中间，距样方高度 ２．２ ｍ，获取
不同盖度狼毒⁃牧草⁃土壤、以及牧草⁃土壤的混合反
射光谱．对获取的光谱数据做异常数据剔除和平滑
降噪处理，消除外部因素带来的误差．
１􀆰 ３　 狼毒群落样方盖度测算
在试验区内随机选取 ２２个 １ ｍ×１ ｍ 的不同盖
度狼毒群落样方和 ５ 个牧草群落样方，在光谱测量
的同时采用垂直向下拍照的方式获取样方盖度照
片，对照片进行裁剪、几何校正，用格网法估算样方
狼毒群落和牧草群落盖度［２１－２２］（图 ２）．根据祁连地
区退化草甸狼毒群落的盖度特征，对狼毒群落盖度
进行分级：高盖度狼毒群落（＞５０％）、中高盖度狼毒
群落（３５％～５０％）、中低盖度狼毒群落（２０％ ～３５％）
和低盖度狼毒群落（ ＜２０％），实验区内牧草群落盖
度较为均匀，为 ８５％．
１􀆰 ４　 数据处理
实测光谱数据的平滑降噪处理，狼毒顶花和叶
片、牧草叶片、狼毒群落和牧草群落的一阶导数光谱
分析，光谱特征参量与狼毒群落盖度的线性回归分
析均在 Ｏｒｉｇｉｎ软件下进行，研究中主要利用移动窗
口多项式拟合平滑法（Ｓａｖｉｔｚｋｙ⁃Ｇｏｌａｙ） ［２３］对原始光
谱曲线进行降噪处理．狼毒群落样方盖度照片校正
及盖度解译主要在 ＡｒｃＧＩＳ软件下进行．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 狼毒与牧草的光谱差异特征
狼毒叶片绿色，顶花在花蕾期为紫红色，开花期
主要呈现白色，具有“红头白花”的特征．狼毒叶片具
有典型绿色植物的光谱特征，在 ５５０ ｎｍ处有一个反
射率近 １０％的反射峰，在近 ５００ ｎｍ处有一个微弱的
吸收特征，在 ６７５ ｎｍ 附近有一个明显的吸收谷，在
近红外波段的 ７００～７５０ ｎｍ处反射率急剧增高达到
约 ６０％（图 ３）．与狼毒同期的主要群落牧草均为绿
色植物，其叶片光谱反射曲线与狼毒叶片相似．由于
叶绿素含量及细胞结构的不同，各种牧草叶片在可
见光⁃近红外波段的反射率值有所变化，在 ３５０～ ７００
ｎｍ之间差异微弱，但在 ７５０ ～ ９００ ｎｍ 之间差异较
大，其中，三叶委陵菜的反射率最高，嵩草的反射率
最低，狼毒叶片的反射率则高于所有牧草叶片的反
射率．
在整个可见光⁃近红外波段，狼毒白花的光谱反
射率均明显高于狼毒花蕾、叶片及同期牧草，反射光
谱曲线呈现波状上升趋势，并在 ９００ ｎｍ 处达到近
７０％．狼毒花蕾含有花青素，在 ５７０ ｎｍ 附近的绿波
段有微弱吸收［２４］，在 ６７５ ｎｍ 处的红波段有明显的
吸收谷，花蕾在可见光波段的反射率明显低于狼毒
白花，但在 ６５０ ｎｍ处形成一个明显的反射峰，并在
７００～７５０ ｎｍ处反射率急剧上升且略高于叶片，并明
显高于同期牧草的反射率．
根据植被光谱特征参量的相关研究［２５－２７］，本文
采用反射光谱与一阶导数光谱的相关参数进一步探
究狼毒与牧草的光谱差异特征，光谱特征参量的定
义见表 １．图 ３显示，狼毒与牧草的反射光谱图中，狼
毒白花与叶片、牧草光谱反射率在红谷的差值最大，
其次是蓝谷、绿峰、近红外反射峰；花蕾与叶片、牧草
的光谱反射率差异也主要体现在红谷，其次是近红
外反射峰．一阶导数光谱分析能够消除光谱数据之
间的系统误差、减弱大气辐射、散射和吸收对目标光
谱的影响［１８，２８］ ．导数光谱运算突出了各目标物光谱
的变化特征．狼毒与牧草的一阶导数光谱图中，狼毒
白花与花蕾在 ４８０～６８０ ｎｍ范围内的一阶导数光谱
曲线相似，与狼毒叶片与牧草等绿色背景的曲线特
征相反，顶花与绿色背景的黄边幅值差值最大，其次
是蓝边幅值．狼毒白花的红边幅值最小，但白花、花
蕾与叶片及各种牧草的红边幅值接近，差异较小．狼
毒白花与花蕾及绿色背景在 ３５０～４５０ ｎｍ之间的一
阶导数光谱也有明显差异，因无对应遥感影像波段
９０３２８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 程　 迪等： 青海祁连瑞香狼毒的光谱差异特征提取　 　 　 　 　
图 ２　 狼毒群落盖度解译
Ｆｉｇ．２　 Ｃｏｖｅｒａｇｅ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｅｌｌｅｒａ ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ．
而不做讨论．
青海省狼毒分布的海拔为 ２２００ ～ ３５００ ｍ，在 ５
月中下旬至 ６月上旬返青， 花期约 １５ ｄ，主要在 ５—
７月，果期为 ７—９月，９ 月中下旬至 １０ 月初枯黄．近
年来，狼毒呈现大面积、高盖度、斑块状密集分布，盛
花期主要呈现白花及少量花蕾的色调特征，实地远
观有明显的粉白色光晕，与绿色背景差异显著．祁连
高寒草甸地区狼毒花期约在 ７ 月 ５—２０ 日，与其
重叠的群落牧草主要有三叶委陵菜和镰形棘豆，
花分别为黄色和紫色，但两者的花小、少数且分
布非常疏落，对大面积高密度的狼毒白花特征几乎
图 ３　 狼毒与牧草的反射光谱和一阶导数光谱
Ｆｉｇ．３　 Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒａ ａｎｄ ｆｉｒｓｔ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ Ｓｔｅｌｌｅｒａ
ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ａｎｄ ｈｅｒｂａｇｅ．
Ⅰ： 狼毒花 Ｆｌｏｗｅｒ ｏｆ Ｓｔｅｌｌｅｒａ ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ； Ⅱ：花蕾 Ｂｕｂ ｏｆ Ｓ． ｃｈａｍａｅ⁃
ｊａｓｍｅ； Ⅲ： 叶片 Ｌｅａｆ ｏｆ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ； Ⅳ： 矮嵩草 Ｋｏｂｒｅｓｉａ ｍｙｏｓｕｒ⁃
ｏｉｄｅｓ； Ⅴ： 镰形棘豆 Ｏｘｙｔｒｏｐｉｓ ｆａｌｃａｔａ； Ⅵ： 赖草 Ｌｅｙｍｕｓ ｓｅｃａｌｉｎｕｓ； Ⅶ：
三叶委陵菜 Ｐｏｔｅｎｔｉｌｌａ ｆｒｅｙｎｉａｎａ； Ⅷ： 早熟禾 Ｐｏａ ｐｒａｔｅｎｓｉｓ．
没有影响．盛花期狼毒顶花独特的光谱特征为狼毒
遥感识别提供了基础．
２􀆰 ２　 狼毒群落与牧草群落的光谱差异特征
遥感影像中每个像元获取的地面反射或发射光
谱信息是该像元对应的所有地表物质光谱信息的综
合．对于狼毒群落来说，影像反映的是狼毒⁃牧草⁃土
壤的混合光谱信息，不同盖度狼毒群落的光谱变化
规律及其与牧草群落的光谱差异是狼毒遥感识别的
重要依据．本文按照狼毒群落样方的盖度分级对相
表 １　 光谱特征参量定义
Ｔａｂｌｅ １　 Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
光谱特征参量
Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ
　 　 　 　 　 　 　 定义
　 　 　 　 　 　 Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ
蓝边位置
Ｂｌｕｅ ｅｄｇｅ
覆盖范围为 ４５０ ～ ５５０ ｎｍ，为蓝边内一
阶导数光谱的最大值（蓝边幅值）对应
的波长位置 Ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ⁃
ｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｏｆ ｆｉｒｓｔ ｄｅ⁃
ｒｉｖａｔｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ４５０ ａｎｄ ５５０ ｎｍ
黄边位置
Ｙｅｌｌｏｗ ｅｄｇｅ
覆盖范围为 ５５０ ～ ６５０ ｎｍ，为黄边内一
阶导数光谱的最大值（黄边幅值）对应
的波长位置 Ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ⁃
ｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｏｆ ｆｉｒｓｔ ｄｅ⁃
ｒｉｖａｔｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ５５０ ａｎｄ ６５０ ｎｍ
红边位置
Ｒｅｄ ｅｄｇｅ
覆盖范围为 ６８０ ～ ７６０ ｎｍ，为红边内一
阶导数光谱的最大值（红边幅值）对应
的波长位置 Ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ⁃
ｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｏｆ ｆｉｒｓｔ ｄｅ⁃
ｒｉｖａｔｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ６８０ ａｎｄ ７６０ ｎｍ
蓝紫波段吸收峰（蓝谷）
Ｂｌｕｅ ｖａｌｌｅｙ
覆盖范围为 ３５０ ～ ５００ ｎｍ，为蓝紫光波
段反射率的最小值 Ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｒｅｆｌｅｃ⁃
ｔａｎｃｅ ｏｆ ｂｌｕｅ⁃ｖｉｏｌｅｔ ｂａｎｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ３５０ ａｎｄ
５００ ｎｍ
绿波段反射峰（绿峰）
Ｇｒｅｅｎ ｐｅａｋ
覆盖范围为 ５１０ ～ ５８０ ｎｍ，为绿光波段
反射率的最大值 Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｒｅｆｌｅｃ⁃
ｔａｎｃｅ ｏｆ ｇｒｅｅｎ ｂａｎｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ５１０ ａｎｄ ５８０
ｎｍ
红波段吸收峰（红谷）
Ｒｅｄ ｖａｌｌｅｙ
覆盖范围为 ６００ ～ ７２０ ｎｍ，为红光波段
反射率的最小值 Ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｒｅｆｌｅｃ⁃
ｔａｎｃｅ ｏｆ ｒｅｄ ｂａｎｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ６００ ａｎｄ ７２０
ｎｍ
近红外波段反射峰
Ｎｅａｒ⁃ｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｅａｋ
覆盖范围为 ７８０ ～ ９００ ｎｍ，为近红外波
段反射率的最大值 Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｒｅｆｌｅｃ⁃
ｔａｎｃｅ ｏｆ ｎｅａｒ⁃ｉｎｆｒａｒｅｄ ｂａｎｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ７８０
ａｎｄ ９００ ｎｍ
０１３２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
应光谱进行平均处理，获取每个级别对应的平均反
射光谱曲线．
　 　 由图 ４可以看出，不同盖度狼毒群落光谱曲线
呈现规律变化：１）牧草群落盖度约为 ８５％，牧草群
落光谱受土壤背景的影响微弱，具有绿色植物的光
谱反射特征．受白花高反射率的影响，在 ３５０ ～ ９００
ｎｍ的可见光⁃近红外波段，不同盖度狼毒群落的反
射率均高于牧草群落．随着盖度增加，狼毒群落整体
图 ４　 不同盖度狼毒群落的反射光谱和一阶导数光谱及其
与牧草群落的光谱特征参量差值
Ｆｉｇ．４　 Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒａ ａｎｄ ｆｉｒｓｔ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒａ ｗｉｔｈ ｄｉｆ⁃
ｆｅｒｅｎｔ Ｓｔｅｌｌｅｒａ ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｃｏｖｅｒａｇｅ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒａｌ
ｆｅａｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆ⁃
ｆｅｒｅｎｔ ｃｏｖｅｒａｇｅ ａｎｄ ｈｅｒｂａｇｅ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ．
ａ） 近红外反射峰 Ｎｅａｒ⁃ｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｅａｋ； ｂ） 红谷 Ｒｅｄ ｖａｌｌｅｙ； ｃ） 蓝谷 Ｂｌｕｅ
ｖａｌｌｅｙ； ｄ） 绿峰 Ｇｒｅｅｎ ｐｅａｋ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．Ⅰ： 高盖度狼毒群落
Ｓｔｅｌｌｅｒａ ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｃｏｖｅｒａｇｅ；Ⅱ： 中高盖度狼毒群
落 Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｗｉｔｈ ｍｉｄ⁃ｈｉｇｈ ｃｏｖｅｒａｇｅ；Ⅲ：中低盖度狼毒
群落 Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｗｉｔｈ ｍｉｄ⁃ｌｏｗ ｃｏｖｅｒａｇｅ； Ⅳ： 低盖度狼毒
群落 Ｓ． ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｃｏｖｅｒａｇｅ； Ⅴ： 牧草群落 Ｈｅｒｂ⁃
ａｇｅ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ． Ａ： 高盖度 Ｈｉｇｈ ｃｏｖｅｒａｇｅ； Ｂ： 中高盖度 Ｍｉｄ⁃ｈｉｇｈ ｃｏｖｅ⁃
ｒａｇｅ； Ｃ： 中低盖度 Ｍｉｄ⁃ｌｏｗ ｃｏｖｅｒａｇｅ； Ｄ： 低盖度 Ｌｏｗ ｃｏｖｅｒａｇｅ．
反射率值增大，绿色背景在近 ５００和 ６７５ ｎｍ附近的
吸收谷明显减弱，白花的光谱特征逐步凸显．２）不同
盖度狼毒群落与牧草群落光谱反射率的差值依次为
近红外反射峰＞红谷＞蓝谷＞绿峰，同时在近红外反
射峰处不同盖度狼毒群落之间的差异性最明显．随
着盖度增大，狼毒群落与牧草群落的光谱差异增大，
中低盖度以上的狼毒群落与牧草群落在各特征参
量处均具有较明显的差值，最大差值依次为 ６􀆰 ５％、
５􀆰 ５％、４．２％、３．０％．３）不同盖度狼毒群落与牧草群
落的一阶导数光谱曲线相近，但两者在蓝边幅值和
黄边幅值处有较明显的差异，红边位置出现在 ７２０
ｎｍ处，但红边幅值的差异微弱．
２􀆰 ３　 狼毒群落盖度光谱特征参量
综上所述，不同盖度狼毒群落与牧草群落的光
谱反射率差异主要体现在近红外反射峰、红谷、蓝谷
和绿峰．为了进一步分析这 ４ 个光谱参量对狼毒盖
度的敏感性，对上述参量与狼毒盖度进行线性回归
分析．
　 　 图 ５显示，红谷、蓝谷与狼毒盖度之间具有很好
的线性关系，决定系数 Ｒ２分别为 ０．９４ 和 ０．８９；其次
是绿峰和近红外反射峰，Ｒ２分别为 ０．６９ 和 ０．３６，表
明红谷和蓝谷这两个参量对狼毒盖度变化最为敏
感．为了进一步分析红谷和蓝谷反演狼毒盖度的精
度，采用 ２０１４年 ７ 月 １０—１２ 日在兴海县河卡镇同
类型草甸获取的狼毒样方实测光谱数据对回归方程
进行验证，结果表明，利用红谷估算的狼毒盖度分布
在 １ ∶ １线附近，与实测值高度相关，Ｒ２达 ０．８７，说明
方程总体拟合精度较高，具有一定的可信度；蓝谷估
算狼毒盖度的精度相对较低，Ｒ２为 ０．６２（图 ６）．因
此，可利用红谷构建的线性回归方程对狼毒群落盖
度进行定量反演．
在实际应用中，随着狼毒群落盖度的降低，会造
成狼毒识别精度的下降．图 ４ 显示，低盖度狼毒群落
与牧草群落的反射光谱曲线形状最相似并接近，两
者难以区分．随着狼毒盖度增加，群落光谱在红谷和
蓝谷的吸收特征明显减弱，变化趋于平缓．高盖度、
中高盖度和中低盖度狼毒群落的反射光谱曲线的形
状相似而接近，并与低盖度狼毒有较明显的差异，不
同盖度狼毒群落的一阶导数光谱变化也显示了同样
的规律，结合狼毒群落野外调查的实际情况可知：低
盖度狼毒群落难以与牧草群落区分，盖度约 ２０％可
作为狼毒群落遥感识别的阈值．在目前正在开展的
狼毒分布遥感提取研究中将对该阈值做进一步验证
和修订．
１１３２８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 程　 迪等： 青海祁连瑞香狼毒的光谱差异特征提取　 　 　 　 　
图 ５　 狼毒盖度与光谱特征参量的线性回归分析
Ｆｉｇ． ５ 　 Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｏｆ
Ｓｔｅｌｌｅｒａ ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ （ ｎ ＝
２２）．
∗Ｐ＜０．０５． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
３　 结　 　 论
在 ３５０～９００ ｎｍ的可见光⁃近红外波段，狼毒白
花的反射光谱特征明显异于狼毒叶片和牧草等绿色
背景．狼毒白花与绿色背景光谱反射率的差值有如
下规律：红谷＞蓝谷＞绿峰＞近红外反射峰；花蕾与绿
色背景的光谱反射率差值表现为：红谷＞近红外反
射峰．在 ４８０～６８０ ｎｍ范围，狼毒白花与花蕾一阶导，
数光谱相似其与绿色背景的差值为：黄边幅值＞蓝
图 ６　 狼毒盖度反演盖度与实测盖度的关系
Ｆｉｇ．６　 Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｓｔｅｌｌｅｒａ ｃｈａｍａｅｊａｓｍｅ ｃｏｖｅｒ⁃
ａｇｅ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｃｏｖｅｒａｇｅ （ｎ＝ １４）．
边幅值．盛花期狼毒顶花与绿色背景的差异特征参
量为狼毒遥感识别提供了重要依据．
在 ３５０～９００ ｎｍ范围内，随着盖度增加，狼毒群
落整体反射率升高，绿色背景在近 ５００和 ６７５ ｎｍ处
的吸收谷明显减弱，白花的光谱特征逐步凸显．不同
盖度狼毒群落的反射率均高于牧草群落，两者的差
值规律为：近红外反射峰＞红谷＞蓝谷＞绿峰，一阶导
数光谱差异也表现为：黄边幅值＞蓝边幅值．近红外
反射峰处不同盖度狼毒群落之间的差异性最明显．
对特征参量与狼毒盖度的线性回归分析表明：
红谷和蓝谷与狼毒盖度呈现显著相关，Ｒ２分别为
０􀆰 ９４和 ０．８９．实测数据验证表明，红谷估算的狼毒盖
度与实测盖度之间有很高的相关性，Ｒ２达 ０．８７，方程
总体拟合精度较高，利用红谷构建的线性回归方程
可对狼毒群落盖度进行定量反演．在实际应用中盖
度约 ２０％可作为狼毒群落遥感识别的阈值，在后续
研究中将对该阈值进行验证和修订．
毒草与牧草的光谱差异特征是毒草遥感识别的
关键．本研究表明，红谷和蓝谷体现了狼毒顶花与绿
色背景的差异特征，并与狼毒盖度呈现显著相关，而
近红外反射峰则较好地反映了狼毒群落与牧草群落
之间、以及不同盖度狼毒群落之间的差异性，这 ３ 个
特征参量对应的红、蓝及近红外波段的组合可用于
构建狼毒提取的敏感指数，研究结果可为瑞香狼毒
的遥感识别及盖度反演提供依据．
２１３２ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
参考文献
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ｔｅｒｓ． Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ （遥感
技术与应用）， ２０１０， ２５（１）： １５５－１６０ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［２７］　 Ｃｈｅｎ Ｗ⁃Ｘ （陈文霞）， Ｃｈｅｎ Ａ⁃Ｓ （陈安升）， Ｃａｉ Ｚ⁃Ｈ
（蔡之华）． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｂａｓｅｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
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［２８］　 Ｄｉｎｇ Ｊ⁃Ｌ （丁建丽）， Ｚｈａｎｇ Ｆ （张　 飞）， Ｔａｓｈｐｏｌａｔ Ｔ
（塔西甫拉提·特依拜）． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ
ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎ ａｒｉｄ ａｒｅａ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｒｉｄ Ｌａｎｄ
Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ （干旱区资源与环境），
２００８， ２２（１１）： １６０－１６６ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
作者简介　 程　 迪，女，１９８７年生，硕士研究生． 主要从事生
态环境遥感应用研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｃｈｄ８８２４＠ １２６．ｃｏｍ
责任编辑　 杨　 弘
３１３２８期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 程　 迪等： 青海祁连瑞香狼毒的光谱差异特征提取