全 文 ：第26卷第 4期
2006年 4月
生 态 学 报
AC rA ECOLOCICA SINICA
Vo1．26．No．4
Apr．，2006
大型沉水植物苦草的光谱特征识别
袁 琳，张利权
(华东师范大学河1：3海岸学国家重点实验室，上海 200062)
摘要：地物特征与其光谱特征的关系是解译遥感影像的关键。利用地物光谱仪在实验室和上海“梦清园”人工湿地中，分别实测
了不同盖度沉水植物苦草的反射光谱特征。结果表明随着苦草盖度的增加，其光谱反射率也相应增加，不同盖度苦草的光谱反
射率差异主要表现在 500～650 nm和700—900 nm波段范围。受水体环境影响，实验室模拟试验与室外控制试验测得的苦草光
谱反射率差异主要表现在近红外波段(700—900 nm)。分别将苦草的不同盖度与其在 QuickBi~多光谱遥感影像 4个波段与盖
度相关性最大波段处的光谱反射率进行回归分析，得到了较好的线性关系。应用回归分析得到的线性方程 ，可以根据测定的光
谱反射率定量反演水体中的苦草盖度。研究结果可为监测沉水植物的高光谱遥感影像判读和解译分类提供技术支撑，为大尺
度遥感监测沉水植物的分布和动态变化提供科学依据。
关键词：沉水植物；苦草 ；盖度；光谱反射率 ；地物光谱仪
文章编号 1000—0933(2006)04-1005．O7 中围分类号：QI4，Q178，Q948 文献标识码：A
Identifcation of the spectral characteristics of a submerged plant Vallisneria spiralis
YUAN Lin，ZHANG Li-Quart (StateKeyL ID，y~Estuan 口nd e口 ，脑f China m 妇 毋，s 嘶 20062，China)．
Acta Ecolo~ a Siniea，2006，26(4)：1005—1011．
Abstract：The relationship between land features and their spectral characteristics is a key for the interpretation of remote sensing
images．In this study，the spectral characteristics of a submerged plant Valisneria spiralis with varied coverage were measured with
a ground sensor／radiometer， FieldSpec(tm) Pro JR spectnJradiometer in the laboratory and in a constructed wetland
“Mengqingyuan”，Shanghai．The results showed that the reflectance rate of Vallisneria spiralis increased with its increasing
coverage，which exhibited both at the visible band(500～650 nm)and the near infrared band(700～900nm)．The water quality
influenced the reflectance rate and the primary differences between the laboratory and field experiments mainly occurred at the
near-infrared band(700～900 nm)．A regression analysis was caried out between the coverage of Valisneria spiralis and the
reflectance rate at the wavelengths of Quick Bird 4 bands where the coverage responded the strongest，respectively．These results
of regression analyses showed a clear linear relationship，and by which the coverage of Vallisneria spiralis could be quantitatively
deduced from the reflectance rate measured in situ．Th e implications of this in terms’of the ability of hypempectral remote sensing
to distinguish and monitor the distribution and dynamics of submerged vegetation on a large scale are discussed．
Key words：submerged plant；Valisneda spiralis；coverage；reflectance rate；spectroradiometer
国内外许多经验表明，河流湖泊水生植被的恢复是水体环境和生态综合整治的一个重要环节，是总体治
理效果的最后实现过程，如果缺少这个环节，总体治理效果将会受到很大限制。我国许多河湖虽经治理，但尚
基金项目：国家高技术研究发展 863计划资助专项(2003AA601020)；国家“十五 与“21l工程 重点学科建设资助项 目
收稿日期：2005—12-15；修订日期：2006—0l一24
作者简介：袁琳(1978一)，女，辽宁省铁岭市人，博士生，主要从事景观生态学和水生生态学研究．E-mail：yuanlin-2002@163．con
*通讯作者 Coresponding author．E—mail：lqzhang@sldec．ocnu．edu．Cn
Foundation i~m：The project was supported by National hi technical rosearch“863”Project of China(No．2003AA601020)and the State’s tenth five—year and
“21 1 Project”一supported key academic discipline pm~am of ECNU
Received d Ie：2005—12—15；Accepted血 te：2006-01—24
Biography：YUAN Lin．Ph．D．candidate．mainly en~ged in landscape ecology and aquatic ecology ．
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没有一个河湖能脱离富营养水平，关键问题在于缺少了水生植物恢复这一重要环节⋯。通过人工或自然的繁
殖和培植方法进行水生植物群落的重建，恢复水生生态系统的功能，将湖泊由藻型浊水状态向草型清水状态
转化已成为水环境污染治理和整治工程中的重要内容 叫]。然而，由于受到水深、透明度、悬着物浓度等水域
环境的限制，需要有合适的技术对水生植物，尤其是沉水植物的分布与生长状况进行大尺度、快速、动态和综
合监测。
遥感(Remote Sensing，RS)技术已成为地表覆被及其组成信息的主要来源 ，已广泛应用于资源与环境动
态监测 ]。目前，国外已有学者开始探索应用遥感技术监测沉水植物分布时空变化与生长状况 。
Jakubauskas[1 等对睡莲的盖度和光谱反射之间的关系进行了定量的研究，Han和 Rundquist ,51在试验池中研究
了金鱼藻在清水和富含藻类水体的不同深度下光谱反射率的变化。目前，国内应用遥感技术监测沉水植物分
布的时空变化与生长状况研究还较少。
近年来，随着高光谱遥感技术的发展与应用，使遥感影像的空间分辨率和光谱分辨率得到很大提高。本
项研究使用便携式地物光谱仪测定大型沉水植物苦草(Valisneria spiralis)的光谱特征，其主要 目的是：(1)识
别大型沉水植物的光谱特征；(2)建立沉水植物盖度与光谱特征之间的定量关系，以期为高光谱遥感影像的
影像判读和解译分类以及沉水植物分布时空变化与生长状况监测提供技术支撑，为大尺度遥感监测沉水植物
的分布和动态变化提供科学依据。
1 材料与方法
1．1 材料
本项研究选择苦草为试验材料。苦草是长江中下游湖泊和河流中常见的沉水植物优势种，为多年生沉水
草本，元直立茎，具横走的匍匐茎，叶基生，叶片带状较长n 。苦草的耐污性和适应性强、繁殖快，同时对藻类
具有抑制作用，近年来作为生态修复中常选择的沉水植物种类 ，被广泛用于湖泊、河流和富营养化水体的生态
修复。
1．2 实验室模拟试验
2005年 5月，选择生长一致、健壮的苦草植株(株高约为 15cm，3～5个叶片)移栽到装有洗净、烘干河沙
的塑料箱中，箱体容积为 32cm×26 cm×18 cm，加入 1／10的 Hoagland营养液 15 L，使水面稍低于箱边，然后放
入光照培养箱进行培养。培养时温度 26％，光照强度9000 lx；光暗比16 h：8 h，温度为26℃。每个箱中苦草的
盖度分别为 10％、20％、40％、60％和 80％，对照箱中不栽苦草或其它任何植物。培养40d后，于 2005年6月
在室内使用全光谱卤光灯作为光源进行沉水植物光谱的室内测定。
1．3 室外控制试验
室外样点设在位于上海市苏州河南岸的人工湿地示范区“梦清园”的中湖。梦清园是上海市苏卅I河环境
综合整治二期工程重点项目的景观水体生物净化与生态修复示范基地之一，也是上海市政府 2003年重点 【
程之一。该工程占地 8．6hm ，其地形呈向北伸展三面环水半岛形。其中水生生态系统主要由种植挺水植物
的芦苇(Phragmites australis)湿地(占地 800m。)、种植沉水植物的下湖(占地 lO00m )和中湖(占地 625m。)三大
部分相互联系组成。
2005年 3月，将生长一致、健壮的苦草植株(株高约为 15 Cm，3～4个叶片)按照不同密度栽植到装有中湖
底泥的塑料箱中，箱体大小为45 cm ×28 cm ×23cm，塑料箱四壁有空隙，以便水流顺利通过，使箱中的水与
湖中的水能够交换。将塑料箱悬挂固定在中湖周围的栏杆上 ，中湖水深约90 cm，透明度为40 cm，使植株的冠
层低于水面 10 cm，箱体上方的光照不会受到影响。2005年 6月 23日，10：O0～13：O0，在天空晴朗、太阳几乎
直射的情况下对不同苦草盖度的6个样方进行光谱测定，同时也测定每个样方中苦草的盖度、密度 、冠层平均
高度和水面下光照强度(表 1)。
1．4 光谱测定
使用美国 ASD公司生产的 FieldSpec ㈣Pro JR便携式地物光谱仪，直接测定不同样方中沉水植物的光谱
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反射率，光谱仪的波段覆盖 350～2500nm，其光谱分辨率在700nm为 3nm，在 1400nm和 2100nm为 30nm，采样
间隔在350—1000nm内为 1．4nm，在 1000—2500nm内为 2nm。传感器探头全视场角(FOV)为25。。
实验室测定前用遮光布挡住外界的自然光，用黑色棉布贴在塑料箱四壁，以消除箱壁对光的反射和吸收，
利用 50W全光谱卤光灯作为测定光源，用聚四氟乙烯(F4)漫反射参考板(反射率为 20％)进行仪器的优化，并
将光谱数据转化为反射率。测定时将探头垂直置于水面0．3m之上进行光谱采集，不同盖度苦草的样方各测
定 20个光谱数据作平均。
室外光谱测定时，将探头垂直置于水面 0．5m之
上，对每个样方测定 20个光谱数据作平均。每次进
行光谱测定前，同样利用参考板进行优化。
1．5 数据分析
由于光谱反射信号在 400nm之前和 900nm波段
之后受干扰的影响较大，所以在本研究中只选择 400
— 900nm波段范围的光谱数据。根据 QuickBird多光
谱遥感卫星的 4个波段范围(蓝光：450—520nm；绿
光：520 600nm；红光：630—690nm；近红外：760～
900nm)，用ASD便携式光谱分析仪携带的光谱处理软
裹1 测定样方的苦草生长状况及其环境因子
Table 1 The growth status of Vallisnerla splrails in the samples
measured and their envirommental factors
件 ViewSpec ⋯Pro 4．02，将所测苦草群落的光谱反射率作进一步的光谱波段截取与计算，得出4个遥感卫星
波段组的反射率值。应用SPSS11．0软件进行相关分析和线性回归，并用 OriginPro7．5作图。
2 结果与分析
2．1 实验室模拟试验
实验室模拟试验结果显示，不同盖度苦草的光谱反射曲线表现出典型的植被光谱特征。在 400～500nm
(绿光波段)和 600～700nm(红光波段)处有较强的吸收，形成两个吸收谷，在可见光波长 550nm处形成了反射
“绿峰”，当波长大于 700nm时，光谱的反射率增强，形成了水生植物在近红外波段的反射高原区(图 1)。在近
红外波段的700 900nm范围内；反射率随苦草盖度的降低而下降，反射率的大小从低到高依次为：0％盖度 <
10％o盖度 <20％盖度 <40％盖度 <60％盖度 <80％盖度。在 525—575nm波段范围内，随着苦草盖度的降低，
其光谱反射率也有所下降，但幅度较小。当苦草盖度为 0％时，反射光谱曲线虽然在 750—950nm波段范围内
也有较强的吸收，但在可见光范围内没有典型的植被光谱“绿峰”特征。不同盖度苦草的光谱反射率之间的差
异主要表现在 500 600nm和700～900nm这两个波段范围。
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篓
图1 实验室模拟试验中不同盖度苦草的光谱特征
Fig．1 Refleetanee metlsured in the laboratory for Vallisnerla spiralis with
varied eoverage
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— √ ⋯ 一 d =
400 500 600 700 800 900
波长Wavelength(nn1)
图2 实验室模拟试验不同盖度苦草与其光谱反射率之间的相关性
Fig 2 Correlation cOefficients between the Vallisneria spiralis of varied
eoverage and their refleetanoe measured in the laboratory
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S
蠢
图3 实验室模拟试验中苦草盖度与其反射率的回归分析
Fig．3 Regression ana sis between the coverage of Vallisneria spiralis and their reflectance measured in the laboratory
a)83Onto处 at 830nm；b)QuickBird遥感卫星近红外波f~(760～900nm) at the QuiekBird band 4(760—900nm)
相关性分析结果显示，不同盖度苦草与其在可见光波段 400～421nm和近红外波段 700 900nm处的光谱
反射率的相关性达到显著水平(p<0．05)，其中在 741—900nm范围内到极显著水平(P<0．01)，最高的相关性
位于 830nm处(r=0．955)(图 2)。因此，分别对不同苦草盖度与其在 830nm波段处和 QuickBird遥感影像近
红外波段(760～900nm)的光谱反射率与进行回归分析。其结果显示 ，苦草盖度与其在 830nm处反射率之间的
关系可以较好地用线性关系表示，r =0．9116，与其在 QuickBird遥感影像近红外波段(760 900nm)的光谱反
射率之间的关系也可以用线性关系表示，r =0．9557(图3)，表明沉水植物盖度与光谱反射率之间存在着显著
的相关性。因此，可以应用回归分析得到的线性方程，根据所测得的光谱反射率来定量反演水体中的苦草盖
度。
2．2 室外控制试验
室外控制试验结果同样表明，当苦草盖度变化时，其光谱反射率也相应地发生改变，反射率随苦草盖度的
降低而下降(图4)。随着苦草盖度的降低，探头视场范围内水域面积所占比例逐渐增多，在400 900nm波段
范围内的反射率均有所下降。在可见光到近红外波段，反射率的大小从低到高依次为：0％盖度 <20％盖度
<30％盖度 <50％盖度 <70％盖度 <80％盖度。
图4 室外控制试验中不同盖度苦草的光谱特征
Fig．4 Reflectance of Vallisneria spiralis with varied coverage in the field
experiment
墨
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{
喜
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图5 室外控制试验中不同盖度苦草与其光谱反射率之间的相关性
Fig．5 Correl~ion coefficients between the Vallisneria spaalia of varied
coverage and their reflectance in the field experiment
不同盖度苦草与其光谱反射率之间相关性分析的结果显示 ，苦草盖度与其光谱反射率之间的相关性在
450—710nm和830—90Ohm这两个波段范围较显著，均呈显著相关(P<0．05)，其中在450～700nm可见光波段
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的相关性达到了极显著的水平(p<0．01)(图5)。在可见光波段和近红外波段中，533nm和 895nm处的相关
最高，分别为 (r=0．988)和 (r=0．894)。因此，分别对不同盖度苦草与其在533nm、895nm和QuickBird遥感
影像 4个波段的光谱反射率进行回归分析。
蠢
图6 室外控制试验中苦草盖度与其反射率之间的回归分析
Fig-6 Regression analysis between the Vallisneria spiralis with varied coverage and their reflectances in the field experiment
a)533nm处 at 533nIl；b)895nnl处at 895nm~c)QuickBird波段 1(45o一52Ohm)at the QuickBird band 1(450～520nm)；d)QuickBird波段 2(520～
6001m)at the QuickBird band 2(520—600nm)；e)QuickBird波段3(630—69Onto)~1 f)QuickBird波段 4(760～900nm)at the QuickBird band 3(630
690nm)and f)at the QuickBird band 4(760—900nm)
回归分析结果表明，不同盖度苦草与其在533nm和 895nm处的反射率之间的关系可以用线性关系描述，
其决定系数分别为 r =0．9757和 r =0．7991(图6a、b)。不同盖度苦草与 QuickBird遥感影像 4个波段所截取
的光谱反射率之间的关系也可以用线性关系描述，在蓝光波段(450—520nm)、绿光波段(520～600nm)、红光波
段(630—690rim)和近红外波段(760～900nm)的决定系数分别为 r =0．9696、r2=0．9605、r2=0．9539和 r =
0．8186(图6c～f)。因此，应用这些线性方程也可以定量反演水体中的苦草盖度。
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3 讨论
3．1 不同盖度苦草的光谱特征
许多陆上植物群落的光谱特征研究表明，用叶面积指数或盖度测定的植物生物量与可见光的绿光波段和
近红外的反射率一般呈正相关关系n ，本项研究 中的沉水植物苦草也表现了相同的这些特征。苦草为多年
生沉水草本，群落的高度和盖度越大，其生物量也越高。Jakubauskas等利用 ASD地物光谱仪对不同盖度睡莲
(Nupharpolysepalum)的光谱特征进行了测定，在可见光的518～607nm波段和近红外区域(697～900nm)的光谱
反射率随睡莲盖度增大而n 。与浮叶植物睡莲相比，沉水植物的光谱反射率受到水体和水中悬浮物等因索
的影响，情况较为复杂。然而，沉水植物光谱反射率的基本特征与上述研究结果是基本相符的。
实验室模拟试验和室外控制试验的结果表明，地物光谱仪传感器接收的反射光谱不仅是植物本身的光谱
信息，同时也包括了部分水体和基质的反射光谱。随着苦草群落盖度的降低，水域与基质的面积逐渐增多，因
而在的绿光波段和近红外波段的光谱反射率也随之下降。当苦草盖度为零时，所测得的反射光谱主要来自基
质和水体，其反射光谱虽然在可见光和近红外波段范围内仍有一定的吸收，但却不具有典型的植物光谱吸收
特征n f 。本研究中，不同盖度苦草的光谱反射率之间的差异主要表现在 500～650nm和700—900nm波段范
围，因而可以通过这些波段的光谱反射率来较好地估测苦草盖度或生物量。
3．2 实验室模拟试验与室外控制试验结果比较
实验室模拟试验和室外控制试验的主要差别在于水体环境和基质的不同。与实验室模拟试验结果相比，
室外控制试验中不同盖度苦草的光谱反射率在可见光范围的差异较大，而在近红外波段的红边则不如实验室
模拟试验明显。这主要是由于在近红外波段，沉水植物的结构特征和水体环境是影响光谱反射率的主要因
素n 。室外控制试验的水体中富含藻类和其它悬浮物质，这些物质不仅会增加对光的吸收，同时还会附着在
叶片表面，改变植物的结构，从而降低了在近红外波段的光谱反射率，因此在近红外波段的光谱反射率最高值
明显低于实验室模拟试验的最高值。室外控制试验中，苦草盖度与其光谱反射率的相关性在可见光范围有较
明显的表现，而在近红外波段的相关性则不如实验室模拟试验的明显，而且在近红外波段基质的光谱反射率
变化也不如实验室模拟试验清水中的明显。这些现象说明，实验室测定的沉水植物光谱特征在野外实际应用
中必须考虑这些因素的影响。
3．3 沉水植物遥感监测的可行性分析
恢复和重建沉水植物群落已成为河湖富营养治理中的重要环节，然而，沉水植物生长、分布与动态的测定
和监测往往受到水体环境的限制。Zhang利用 TM遥感影像，结合实地测定的沉水植物生物量，对整个洪湖的
沉水植物生物量进行了估算。。 。然而，该项研究是把已知重量的沉水植物放在加入湖水的容器中测定其光
谱特征的，因此不能保持沉水植物在实地的正常生长状态。结果表明，沉水植物群落的冠层结构和植株状态
在实验室模拟试验中可能发生改变，难以准确反映不同生物量沉水植物的光谱反射率实际情况。Wiliams曾
经提出，在近红外波段影响沉水植物光谱特征的主要因素是植株冠层的结构而不是生化特性，由于冠层结构
不同，对光线的反射和吸收能力也不相同 。
本项研究应用地物光谱仪同时在实验室模拟试验和室外控制试验中测定了不同盖度苦草的反射光谱，通
过分析比较，得出不同盖度苦草与其反射光谱的特征和关系。在对高光谱数据进行截取和 Lambda积分时，选
择了QuickBird多光谱遥感影像的4个波段，因为该遥感影像的波段划分与 TM和SPOT等遥感影像波段比较
接近，具有一定的推广性和实用性。在实际应用中，可利用地物光谱仪测定沉水植物盖度或生物量与其光谱
特征的关系，再结合遥感影像进行解译、分析和反演。然而，在野外实际监测中，沉水植物的光谱特征往往还
受到水体理化特性、环境条件和浮游生物的影响，因此水体环境对沉水植物光谱特征所产生的影响还有待进
一 步研究。
4 结论
本项研究应用地物光谱仪同时在实验室模拟试验和室外控制试验中测定了不同盖度沉水植物苦草的反
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射光谱。结果表明，沉水植物苦草光谱反射率的基本特征主要体现在可见光和近红外波段，可以通过苦草盖
度与这些波段光谱反射率的回归分析，来定量反演水体中的苦草盖度。沉水植物的光谱特征还受水体环境的
影响，实验室测定的沉水植物光谱特征在野外实际应用中必须考虑这些因素。在实际应用中，可利用地物光
谱仪测定沉水植物盖度或生物量与其光谱特征的关系，再结合遥感影像进行解译、分析和反演，从而进行大尺
度遥感监测沉水植物的分布和动态变化。
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