全 文 ：第 34 卷 第 3 期
2013 年 5 月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报
Journal of Inner Mongolia Agricultural University
Vol． 34 No． 3
May． 2013
沙柳沙障固沙地迎风坡地物光谱特性研究
*
杨 光1， 李庆和2
(1．内蒙古农业大学生态环境学院，呼和浩特 010019;2．内蒙古水事监理服务中心，呼和浩特 010020)
摘要: 论文以库布齐沙漠沙柳沙障固沙地迎风坡不同部位沙粒、黑色及绿色生物结皮为研究对象，通过实地采集
地物光谱数据，对比分析了其在迎风坡不同部位的光谱反射特性及变化规律。研究结果表明:土壤颗粒的大小直接
关系到土壤反射率高低，随着人工固定沙地地表土壤中粉粒和黏粒含量的增加，其地表反射率呈下降的趋势;黑色
生物结皮的光谱反射率曲线总体变化比较平缓，与维管植物相比差异较大，反映到光谱曲线上典型特点是“红边”位
置基本不存在;绿色结皮的光谱特性从绿光波段反射峰、叶绿素吸收峰及高反射区等方面与维管植物比较相近，最
典型的特点是“红边”不仅存在而且非常明显，说明绿色生物结皮比黑色生物结皮更接近维管植物的特点。
关键词: 地物光谱特性; 生物结皮; 固定沙地; 库布齐沙漠
中图分类号: O433． 1 文献标识码: A 文章编号:1009 － 3575(2013)03 － 0071 － 06
STUDY ON THE SPECTＲAL CHAＲACTEＲISTICS OF
WINDWAＲD SLOPE OF DUNE FIXED BY SAND
BAＲＲIEＲS OF SALIX PSAMMOPHILA
YANG Guang1， LI Qing － he2
(1． College of Ecology and Environmental Science，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010019，China;
2． Inner Mongolia Water Supervision Center，Huhhot 010020，China;)
Abstract: This paper take the sand，black and green biological crust in different parts of Windward Slope of Dune Fixed by Sand
Barriers of Salix Psammophila as rearch objects，measured the spectral data in study field，compared and anylyzed the spectral reflec-
tance characteristics and variation law． The results show that the size of the soil particles is directly related to the level of soil reflec-
tance，with silt and caly increasing，the spectral reflactance of soil presents downtrend;Compared with vascular plants，the curve of
spectral reflactanc of black biological crust is relatively gentle， red edge does not exsist basiclly;In terms of green band reflection
peak，chorophyll absorption peak and high reflective area，the spectral characteristics of green crust is relatively similar to the vascular
plants，the defining characteristic is that the red edge not only exists but also is very obvious，this shows that the characteristic of
green biological crust is closer to vascular plants than black biological crust．
Key words: Spectral Characteristics; Biological Crust; Fixed Sand; Kubuqi Desert
生物结皮又称微生物结皮，是苔类、叶苔、蓝绿
藻、地衣类、真菌和细菌以及许多景观中常见的非维
管植物成分形成的十分复杂的聚合体［1，2］。生物结
皮在干旱区生态系统中扮演着重要的角色，它能在
干旱、瘠薄、高温等恶劣的环境中生存繁殖，在热带
和寒带的干旱及半干旱地区分布广泛，在某些地区
其覆盖度在 70%以上，是干旱和半干旱地区生态系
统演替中的重要环节［3 － 5］。20 世纪 80 年代以来，伴
随着沙漠化威胁的日益加重，生物结皮在荒漠生态
系统中的作用愈发突出，生物结皮所具有的生态功
能亦引起了学者的普遍重视，并逐渐成为荒漠地区
生态研究的热点。研究者分别从地表生物结皮的发
育、生物结皮细菌的分离、生物结皮的人工促进技术
以及生物结皮对土壤入渗、植物生长、土壤抗冲性、
* 收稿日期: 2013 － 01 － 12
基金项目: 内蒙古自然科学基金项目(2011BS0608) ;林业公益性行业科研专项项目(201104002 － 5) ;教育部新教师基金项目(2009151520005)
作者简介: 杨光(1974 －) ，男，博士，副教授，主要从事荒漠化遥感监测的研究．
土壤微生物的影响等方面进行了研究与探讨［3，6 － 14］，
而对沙丘表面生物结皮的光谱特性研究较少。本文
以库布齐沙漠中段七里明沙区沙柳沙障固沙地迎风
坡不同部位沙粒、黑色和绿色生物结皮为研究对象，
采集了迎风坡不同部位裸沙粒、黑色和绿色生物结
皮地物光谱数据，对比分析了其光谱特性，找出其变
异规律，不仅是建立地面光谱数据与遥感图像空间
光谱数据之间的桥梁，也是提高地物识别精度和信
息定量反演精度的基础，其理论成果将为利用生物
结皮进行沙漠沙地治理提供积极的指导作用。
1 研究区概况
研究区位于库布齐沙漠中段七里明沙区，区域
范围界于:N40°10 ～ 40°20，E109°48 ～ 110°48。研
究区位于内蒙古高原向黄土高原的过渡带，属于温
带大陆性气候。年平均温度为 6． 1℃，极端最高温度
为 40． 2℃，最低为 － 34． 5℃。多年平均降雨量为
310mm，7 ～ 9 月降水量占全年的 70%，且多以暴雨
形式出现，蒸发量 2500mm。大风日数最多达 48d /a，
主导风向为西北风。研究区总面积 400km2，区内地
貌类型主要由流动沙丘、半固定沙丘、风蚀残丘等构
成，其中流动沙地面积 1． 13 × 104hm2，占本区总面积
的 28． 3%。
2 研究方法及数据处理
2． 1 光谱数据采集点选择
以设有 10 年沙柳沙障的典型固定沙丘为研究
区，选择迎风坡丘间地、沙丘底部、沙丘中部及沙丘
上部作为光谱数据采集点，分别采集迎风坡不同部
位裸沙、黑色和绿色生物结皮的地物光谱数据。为
使数据具有可比性，生物结皮光谱数据采集点处的
生物结皮盖度均为 45 ～ 55%。
2． 2 观测仪器
本研究采用的是由美国 Spectra Vista 公司生产
的 SVC HＲ －1024 便携式地物光谱仪(Field Portable
Spectroradiometers) ，有效光谱范围在 350 ～ 2500nm，
通道数为 1024，光谱分辨率为:350 － 1000 nm 内≦
3． 5nm，1000 － 1850 nm 内≦ 8． 5nm，1850 － 2500
nm内≦ 6． 5nm，最小积分时间 1ms，信号采集方式采
用蓝牙传输。
2． 3 光谱数据采集及处理
2． 3． 1 光谱数据采集 野外地物光谱特性测量受
太阳高度角和天气状况的影响较大。为了克服太阳
高度角变化对测量结果的影响，选择每天 10:00 ～
14:00 为野外测量时间。在 2012 年 8 月 4 日 ～ 8 月
5 日天气晴朗无风的时段进行了研究区地物光谱测
量。每个全光谱数据测量时间设定为 5s，地物光谱
测量前首先对光谱仪进行暗电流采集和白板标定，
以后每更换一次地点，进行一次白板标定。测量高
度即探头距离地物 60cm，每类地物测量均在 10min
内完成 10 次测量，取其平均值作为该类地物的反射
率。
2． 3． 2 光谱数据融合 首先利用地物光谱仪自带
的 SVC HＲ －1024 软件对研究区变异较大的地物光
谱曲线进行剔除，然后利用该软件的 Overlap /Matc-
hing 功能对数据重叠部分进行匹配，再利用 Merge
功能对地物光谱数据进行融合。
2． 3． 3 光谱数据平滑 由于光谱仪波段间对能量
相应上的差异，使光谱曲线总存在一些噪声，为得到
平衡与概略的变化，需平滑波形，以去除包含在信号
内的少量噪声。实践表明:如果噪声频率较高，其量
值也不大，用平滑法可在一定程度上降低噪声。常
用的平滑方法有移动平均法、静态平均法、傅立叶级
数近似等，其大部分方法是基于低通滤波，使用低通
滤波保留低频部分的同时消除高频部分，以达到平
滑和去噪的作用。本文采用 9 点移动平滑法对采集
的地物光谱数据进行平滑处理。数据平滑在遥感影
像处理软件 ENVI / IDL 支持下完成。利用 IDL 中的
Smooth函数编写 9 点平滑代码，在 ENVI 中通过
Spectral菜单下的 Spectral Math，调用 9 点平滑函
数对实测光谱数据进行平滑处理。平滑处理前后效
果见图 1。
2． 3． 4 剔除水汽吸收波段 由于大气中水汽的强
烈吸收，地面光谱和空中遥感数据在水汽吸收波段
基本都是噪声。为使野外地面测量结果与今后遥感
数据相匹配，需剔除水汽吸收峰影响严重的波段区
域，去除明显错误波段数值。通过借鉴有关文献结
论［15］结合 SVC地物光谱仪数据采集特点，具体剔除
波段范围为:1350 ～ 1417nm，1797 ～ 1971nm，2470 ～
2500nm。剔除水汽吸收前后光谱曲线比较见图 2。
3 结果与分析
3． 1 沙丘迎风坡不同部位沙粒光谱特性分析
沙丘迎风坡不同部位沙粒光谱反射特性对比见
图 3。
27 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 2013 年
由图 3 分析可知，在全波段范围内，沙柳沙障固
定沙丘不同部位沙粒光谱曲线总体变化比较平缓。
350nm 处不同部位光谱反射率非常接近，350 ～
600nm范围内，光谱反射率快速增加，由 6． 7%增加
到 41%，600nm以后迎风坡 3 个部位光谱反射率变
化规律基本相同，其反射率大小排序为:迎风坡中部
＞迎风坡上部 ＞迎风坡丘间地。设置沙障的沙丘与
流动沙丘相比，粉粒和黏粒含量均有所增加，且其变
化规律呈现出沙丘中部 ＜沙丘上部 ＜沙丘下部的趋
势［16］。粉粒和黏粒含量较多的沙地，其土壤颗粒
细，土中微生物含量高，且水分条件好，地表对光的
吸收率高。600 ～ 1350nm 是判定土壤颗粒粉粒和黏
粒含量理想的波段范围。
图 1 光谱平滑处理效果对比图
Fig． 1 Comparison chart of spectral smoothing effect
(a)剔除水汽吸收波段前光谱曲线; (b)剔除水汽吸收波段后光谱曲线
(a)Spectral curves before excluding water vapor absorption band;(b)Spectral curves after excluding water vapor absorption band
图 2 剔除水汽吸收波段前后光谱曲线对比图
Fig． 2 Comparison chart of spectral curves before and after excluding water vapor absorption band
3． 2 沙丘迎风坡不同部位黑色结皮光谱特性分析
沙丘迎风坡不同部位黑色结皮光谱反射特性对
比见图 4。
由图 4 分析可知，沙柳沙障固定沙地迎风坡中
部和上部黑色结皮光谱反射率在 350 ～ 2280nm波段
范围内变化规律基本相同，且 2 条光谱反射率曲线
非常接近，说明黑色结皮及地表状况在这 2 个部位
较为相似。迎风坡丘间地黑色结皮光谱反射率与迎
37第 3 期 杨 光等: 沙柳沙障固沙地迎风坡地物光谱特性研究
风坡中部和上部相比，光谱反射率明显偏低，主要是
由于丘间低地水分状况好，地表水分对光的吸收能
力强。
3． 3 沙丘迎风坡不同部位绿色结皮光谱特性分析
图 5 为沙丘迎风坡不同部位绿色结皮光谱反射
特性对比。
据相关研究表明，健康维管植物的光谱曲线有
着明显的特点:在可见光的 550nm附近，有一个反射
率为 10% ～ 20%的小反射峰;波长在 450 ～ 650nm
附近，有两个明显的吸收谷;波长在 700 ～ 800nm 之
间是一个陡坡，在高光谱研究中它被称为植被“红
边”;波长在 800 ～ 1300nm之间是一个相对平坦的较
高反射率区域;在 1450nm、1950nm、2600 ～ 2700nm
处一个吸收谷。
由图 5 分析可知，沙丘迎风坡丘间地、中部及上
部绿色结皮均表现出绿色植物所具有的光谱曲线变
化特点。350 ～ 500nm 范围内，光谱曲线变化平缓，
绿色结皮在绿光波段 560nm处有一反射峰。由于叶
绿素的吸收作用，在 680nm 处有一吸收峰。680 ～
740nm范围内，反射率急剧增高，在高光谱研究中它
被称为植被“红边”，是植被具有诊断性的光谱特
征［17，18］，“红边”的位置、高度和斜率会因植被的不
同及同一植被不同生长状况而存在差异。波长在
740 ～ 1330nm 之间是一个相对平坦的较高反射率区
域，它主要由绿色结皮的细胞构造所决定。通过以
上分析可以看出，沙柳沙障固沙地迎风坡不同部位
绿色结皮的光谱反射特性与维管植物非常相似。当
生物结皮的植物体干燥时呈黑色或灰黑色，湿润时
呈绿色或黄绿色［15］，根据实地勘察，由于 2012 年该
研究区降水量丰沛，土壤含水量高，测定的绿色结皮
更为鲜绿和健康，因此与普通维管植物较为相似。
图 3 沙丘迎风坡不同部位沙粒光谱反射曲线图
Fig． 3 The spectral curves of sand in different parts of windward slope of dune
图 4 沙丘迎风坡不同部位黑色结皮光谱反射曲线图
Fig． 4 The spectral curves of black crust in different parts of windward slope of dune
47 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 2013 年
3． 4 沙丘迎风坡黑色与绿色结皮光谱特性分析
图 6 为沙丘迎风坡黑色与绿色结皮光谱特性对
比图。由图 6 分析可知，迎风坡底部和中部黑色结
皮光谱反射率曲线总体变化比绿色结皮平缓。绿色
结皮在 680 ～ 740nm范围内反射率急剧增加，有明显
的“红边”，而黑色结皮“红边”基本不存在，说明随
着土壤含水量的增加，生物结皮从外表颜色及细胞
特性等方面逐渐接近于通绿色植物。
图 5 沙丘迎风坡不同部位绿色结皮光谱反射曲线图
Fig． 5 The spectral curves of green crust in different parts of windward slope of dune
图 6 沙丘迎风坡黑色与绿色结皮光谱反射曲线图
Fig． 6 The spectral curves of black and green crust in different parts of windward slope of dune
4 结论与讨论
生物结皮作为固定、半固定沙漠中重要的地表
覆盖类型，在防风固沙、改善生态环境等方面发挥着
极其重要的作用。论文以库布齐沙漠中段七里明沙
区沙柳沙障固沙地迎风坡不同部位沙粒、黑色结皮
及绿色结皮为研究对象，实地采集研究对象的地物
光谱数据，并进行了对比分析。研究结果表明:随着
土壤中粉粒与黏粒含量的增加，地表土壤反射率呈
下降趋势;沙丘迎风坡不同部位黑色生物结皮的光
谱反射率曲线变化比较平缓，与绿色结皮相比，“红
边”基本不存在，更接近于普通壤土;沙丘迎风坡绿
色结皮均表现出绿色植物所具有的光谱曲线变化特
点。研究结果将对于评价生物结皮治理沙漠沙地效
果具有重要意义。但从目前研究结果看，荒漠藻生
物结皮的光谱特性研究还鲜见报道，因此在后期研
究中应加强以下几方面研究:
(1)生物结皮颜色随着地表水分的变化而变化，
表现出的规律是:地表干燥时，结皮表现为黑色或灰
黑色;地表湿润时，结皮表现为绿色。其光谱特性上
57第 3 期 杨 光等: 沙柳沙障固沙地迎风坡地物光谱特性研究
亦存在着较大的差异性，因此保持同一土壤水分条
件下测定黑色与绿色结皮光谱特性，将会使研究结
果更具有代表性。
(2)结合光谱测定技术，评价高立式、低立式、隐
蔽式、平铺式等类型沙障内的生物结皮生长状况及
防沙治沙效果。
参 考 文 献:
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