全 文 ：第26卷第 3期
2006年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
VoI．26，No．3
Mar．．2006
上海盐沼植被的多季相地面光谱测量与分析
高占国，张利权 ．
(华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)
摘要：遥感是大尺度生态研究的重要工具之一，而地面植物群落特征与其光谱特征之间的关系是解译遥感影像的关键。研究选
择上海崇明东滩候鸟自然保护区的盐沼植被为研究对象，使用ASD便携式地物光谱仪测定芦苇、互花米草、海三棱蔗草和糙叶
苔草4类主要群落的春、夏、秋各季冠层反射光谱 ，并计算生成 350—1000nm的反射率曲线的一阶导数曲线，在此基础上分析反
射率与一阶导数曲线在可见光与近红外波段以及物候特征的“绿峰”和“红边”等波段的差异。分析显示 ，不同盐沼群落在各生
长季都有较独特的光谱特征，四类盐沼群落的光谱特征在季相上表现各异。上海地区盐沼植被各类群落的遥感识别和分类的
适宜季相不尽相同，应用多季相影像进行综合分类可取得较好的效果。研究结果可为遥感监测外来种互花米草的空间分布与
动态提供技术支撑，为高光谱遥感的影像判读和解译分类以及盐沼植被制图提供科学依据。
关键词：盐沼植被；地物光谱仪；光谱特征；遥感影像；多季相
文章编号：1000—0933(2006)03—0793—08 中田分类号：Q143，Q145，Q149 文献标识码 ：A
Measuring and analyzing of the multi-seasonal spectral characteristics for saltmarsh
vegetation in Shanghai
GAO Zhan—Guo，ZHANG Li—Quan’ (sf砒五 60rⅡ 吖 ofEstuari~and Coastal ∞ ， I ChinaⅣ0 Iz￡梳 蚵，s 嘶 200062，
China )．ActaEcologica Sinica，20O6。26(3)：793—8OO．
Abstract：Remote sensing technology has become the primary tool for ecological research at large scales，but there is a major
problem in diferentiating between different spectra for the same vegetation and the same spectra for different vegetation，when
classifying saltmarsh vegetation in remotely sensed images in Shanghai．The spectral characteristics of the saltmarsh vegetation
canopy，including four main communities：Phragmites australis community，Spartina alterniflora community，Scirpus ma哟~eter
community and Carex scabrifolia community，were measured by a ground FieldSpec Pro JR spectroradiometer，in the Chongming
Dongtan Natural Reserve．The spectral data were converted to the reflectance curves，and their first derivative curves between
350nm and lO00nm were calculated．The differences in the reflectance and first derivative curves were then analyzed，with
particular attention paid to the characteristics in the bands of visible，near infrared，“green peak’and“red edge”．
The results from this study showed that the diferent saltmarsh communities had diferent and rather unique spectral
characteristics during the three seasons studied(spring，summer and autumn)．As well，the differences among the spectral
characteristics during the three seasons for these four communities were not the same．It is proposed that the optimal strategy for
classifying the sahmarsh vegetation may be through the integration and analysis of multi—seasonal images．The results from this
study can serve as a tool for monitoring the distribution pattern and dynamics of the exotic plant Spartina aherniflora，as wel as to
provide a basis for the judgment and interpretation of the hyper-spectral image，and for the mapping of saltmarsh vegetation．
基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目(2004CB720505)；上海市科委重大科技攻关资助项目(04DZ19304)；华东师范大学2005年优秀博
士研究生培养基金资助项目
收稿日期：2005—01—22；修订日期：2005-05-11
作者简介：高占国(1976 )，男，河北井陉人，博士生，主要从事景观生态学和湿地生态学研究．E-mail：glaciershine@163．corn
*通讯作者 Author for corespondence．E mail：lqzhang@sklee．eeliU．edu．el
Foundation item：Th。pmject was surpported by National Key Fundamental Research and Development Program(No．2002CIM12406)，Key Project of Shanghai
Scientifc and Technological Commitee(No．04DZ19304)and PhD Program Scholarship Fund of ECNU 2005
Received d丑te：2005-Ol-22；Accepted dale：2005-05—11
Biography：GAO Zhan-Guo，Ph．D．candidate，mainly engaged in landscape ecology and wedand ecology．E-mail：glaciershine@163·corn
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794 生 态 学 报 26卷
Key words：saltmarsh vegetation；speetroradiometer；s~ctral characteristics；remote sensing image；multi—seasons
遥感技术已经成为大尺度植被分类和调查的重要手段[】 ]。由于植被组成的不同，在遥感影像上会产生
不同的色调、形状和纹理特征，据此可以进行植被的分类与识别。然而，国内外研究显示由于遥感影像中不同
植物类型有时具有相同的影像特征，因而影响遥感影像的解译和分类 。国内一些学者曾尝试应用多时相
的 TM影像对鄱阳湖和三江平原的湿地植被进行分类 ]。植物的光谱特征如可见光的”绿峰”和红光与近红
外之间的”红边”特征等的变化能够反映植物的生化含量变化、物候期和类别等信息 ]。因而运用地物光谱仪
测定不同生长季节的植被光谱信息，可以提供不同群落在各生长季的光谱特征，通过分析和比较选择植被遥
感解译与分类的适宜时相，提高影像判读和分类的效果 。
互花米草 (Spartina alterniflora)隶属禾本科、米草属的多年生草本植物，原产美国大西洋沿岸，适宜生活
在潮间带。互花米草于 1979年引入我国，用于固滩、护堤等方面，并取得很好的效果n 。并于2O世纪 9O年
代引入上海沿海地区，已经迅速扩散，目前已有对当地自然生态系统带来负面影响的研究报道 ¨ 。
上海地区主要盐沼植被中，由于互花米草群落和芦苇 (Phragmites australis)群落以及海三棱蔗草(Scirpus
mariqueter)群落和糙叶苔草(Carex Scabrifolia)群落存在遥感影像特征的相似性，应用遥感技术监测互花米草
空间分布与动态，需要解决存在的异物同谱现象。本项研究使用便携式地物光谱仪测定上海地区盐沼植被的
多季相光谱特征，研究的主要问题是：(1)不同的盐沼群落是否具有其独特的光谱特征；(2)盐沼群落各季相的
光谱特征是否具有差异；(3)上海地区盐沼植被遥感影像解译和分类的最佳季相。研究结果可为遥感监测外
来种互花米草的空间分布和动态提供技术支撑，为高光谱遥感的影像解译和分类以及盐沼植被制图提供科学
依据。
1 研究区域
上海崇明东滩候鸟自然保护区(图 1)，位于31。25 ～31。38 N，121o50 ～122。05 E之间，属北亚热带海洋性
气候。崇明东滩是东亚最大的候鸟保护区之一，位于亚太地区候鸟迁徙路线东线中段，是国际迁徙鸟类必需
的栖息地。东滩湿地于 1992年列入《中国保护湿地名录》，2001年正式列入“拉姆萨国际湿地公约”的国际重
要湿地名录。
崇明东滩候鸟自然保护区总面积为 32 610 hm2，其中大堤外滩涂面积 24 600 hm ，包括吴淞标高 Om线以
上的滩涂 10 000 hIl12和0 m线以外宽度3 000 m的水面 14 600 hm2。崇明东滩属于淤涨型潮滩，平均每年向外
伸长 150—300 m，东滩潮滩最宽处为 13 km，自陆向海依次可划分为高、中、低潮滩(图 1)。崇明东滩滩涂湿地
自然植被分布及演替的一般趋势可归纳为：中潮滩下缘和低潮滩的盐渍藻类带(光滩)，高程低于 2 m，潮水淹
没时间长，无高等植物分布；中潮滩的上半部分和高潮滩为海三棱蔗草或蔗草 (Scirpus triqueter)带，高程位于
2—2．9 m；高潮带上半部分为芦苇带，高程一般在2．8 m以上。此外还散生着一些白茅 (Imperata c，lindr ∞)、
碱蓬(Suaeda glausa)、糙叶苔草和灯芯草(Juncus setchuensis)等斑块状群落。
2 研究方法
2．1 样方设置与调查
2004—2005年的4月下旬、6月下旬和1O月中旬，在崇明东滩自然保护区设置了4条调查样带，其中N样
带和 MN样带分别设置于保护区北部，反映受干扰较少的自然高程生境梯度。其中靠近中部的 MN样带的海
三棱蔗草群落带较窄；S样带和 Ms样带设置于保护区南部，反映受干扰区域内的高程生境梯度，其中Ms样
带中包含较宽的芦苇群落带(图 1)，N样带向S样带的人类活动干扰程度逐渐增加。沿各样带设置大小为 1m
×lm的样方，样带长短不同，其样方的数量也不同。样方的植物群落调查包括种类、群落高度和盖度，群落盖
度指单位面积内植物所占的面积百分比，采用网格估算。生态环境因子调查和测定包括高程、土壤含水量、
pH值、氧化还原电位和土壤盐度，高程使用 Ashtech z．Xtreme删GPS Receiver System测定，pH值、氧化还原电位
采用土壤原位测定仪测定，土壤含水量和土壤盐度采用 DALTA．T WET土壤速测仪测定。3次共调查包括芦
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图 1 上海崇明东滩候鸟自然保护区位置与2004年 7月Landsat．TM卫星影像图
Fig．1 The location of chongming Dongtan Bird Nature Reserve，Shanghai，and the Landsat-TM satellite image in July，2004
苇群落、互花米草群落、海三棱蔗草群落和糙叶苔草群落样方共 134个。
2。2 光谱测定
应用 FieldSpecTM Pro JR便携式地物光谱仪，直接测定各样方的冠层光谱反射率，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，漫反射参考板采用中国科学院安徽精密光学机械研究所生产的白板，白板反射率
为98％。测定光谱时根据天气条件进行优化，至多每20min进行一次优化。光谱仪探头全视场角为25o，测定
光谱时探头垂直向下，距植物群落冠层的高度为 1．5m。每个样方测定 20个数据作平均。从 10：30到 14：30，
在阳光几乎直射的时段内进行测定。
2。3 数据分析
用 ASD便携式光谱分析仪携带的光谱处理软件 ViewSpec个M Pro 4．02处理采集的光谱数据，导出ASCI码
的数据在 Excel和OriginLab 7．5中进行处理分析。
群落的反射光谱曲线是通过选取每个季相中每一群落类型的盖度大于 60％，群落高度相当的样方，将其
光谱曲线进行平均处理，最后得到该群落类型的反射曲线，用来进行比较分析。
光谱曲线的一阶导数有助于直观地确定光谱弯曲点的波长位置 ]，其计算公式为：
：
式中， 为每个波段的波长，R( ⋯ 是波长 ⋯ 处的反射率，R ( )为 。的一阶导数， 是波长 到
的波长间隔。
3 结果与分析
崇明东滩盐沼植被中的优势种芦苇、互花米草、海三棱藤草和糙叶苔草的物候特征存在一定的差异，其中
包括春季开始生长的时间、生长旺季和花序与种子成熟期。以下是以这些植物为优势种的盐沼群落在春季、
夏季和秋季的冠层反射光谱特征的比较和分析。
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草群落和海三棱蔗草群落的斜率峰值分别为O．376和0．155。
3．2 同一群落不同季节的反射光谱特征比较
图3和图4分别显示了崇明东滩盐沼群落在春、夏、秋3个季相的反射光谱曲线及其一阶导数曲线。通
过比较和分析可以发现，芦苇群落的斜率峰值出现在波长720—730nm之间，秋季的“红边”斜率峰值最低，春
夏两季基本相似，没有很大的变化。在 850—1000nm的波段内，春夏两季的反射率变化很小，而在秋季其反射
率约下降 2％一5％(图 3a和图4a)。
— — 春季 Spring —— 夏季 Summe~" ---- 秋季 A1It衄m
图3 崇明东滩群落不同季相反射光谱特征的比较
Fig．3 Comparison of the multi—seasonal(April，June and October)canopy reflectance CUlWeS of the four main communities at Dongtan
互花米草群落的反射光谱曲线在季相上变化幅度很大，在近红外波段的高峰区，春季的反射率范围为
20．9％～24．0％，夏季的反射率范围为40．0％一44．8％，二者相差约20％左右，秋季的反射率范围为23．3％～
28．4％，略高与春季(图3b)。不同季节的”红边”斜率峰值位置没有发生变化，其斜率峰值分别为0．389、0．917
和0．498，各季节斜率峰值的差异很大，夏季分别高出春季和秋季 0．5和0．4以上(图4b)。
海三棱蔗草群落在绿光波段 550nm处和红光波段650nm处的春季反射率比夏秋两季的要高约5％左右，
而春、夏两季在近红外740—780nm波段的反射率比秋季约高出2％左右(图3c)。相对于其他盐沼群落反射
光谱的一阶导数曲线，各季节的”红边”斜率峰值都位于700—710nm波段，并且峰值都不超过0．1(图4c)。
糙叶苔草群落春季在可见光波段的反射率没有出现“绿峰”，夏、秋两季在波长560nm处出现“绿峰”，反射
率分别为 4．64％和 6．47％，在近红外波段的高峰区，春、夏、秋三季的反射率范围分别为 14．2％ ～17．2％、
16．5％一18．7％和22．7％～25．3％，秋季的近红外波段反射率要比春、夏两季高约7％左右(图3d)。“红边”斜
率峰值随季节更替，峰值逐渐升高，秋季时斜率峰值在波长720nm处达到最高，为0．38(图4d)。
4 讨论与结论
4．1 盐沼群落冠层反射光谱特征分析
植物的形态、生长发育阶段、体内水分含量、叶绿素含量和物候现象与它们的反射光谱特征密切相关 。
崇明东滩盐沼群落由于其种类组成不同，因而其冠层反射光谱特征表现出一定的差异性。春季时，芦苇
群落开始生长的时间比其他盐沼群落早，因而在对叶绿素含量敏感的可见光波段 450nm和 670nm处，形成吸
收低谷。利用具有该波段的传感器如小型机载成像光谱仪(the Compact Airborne Spectrographic Imager，CASI)中
的441～461nm和666—674nm两个波段 副即可识别出芦苇群落。
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在季相上具有各自的变化特征，同时，同一季节不同群落之间也存在一定的差异。
4．3 盐沼群落光谱特征识别与分类的适宜季相
对崇明东滩盐沼群落夏季的反射光谱排序结果显示 ¨，CASI的近红外波段可以识别高盖度的芦苇群落
和互花米草群落，而可见光波段可以识别低盖度的海三棱蔗草群落和糙叶苔草群落 ¨，虽然TM影像的可见
光波段和近红外波段较宽，由于这4类主要盐沼群落的盖度和高度有较大差异，可以利用表示其亮度的像元
值，应用监督分类法基本可以识别解译芦苇群落、互花米草群落、海三棱蔗草群落和糙叶苔草群落，其初步分
类影像精度在 65％左右 ]。说明单季相的遥感影像解译仍存在一定的“同谱异物”或“同物异谱”现象。
遥感技术已成为大尺度植被分类的重要手段，而地面植物群落特征及其反射光谱特征之间的关系是解译
遥感影像的关键。本项盐沼群落多季相光谱反射特征研究可以提高利用遥感影像进行盐沼群落解译和分类
的精度，解决“同谱异物”或“同物异谱”的现象。春季芦苇群落的”绿峰”特征可以作为其识别标识之一，还可
以利用其“红边”斜率峰值和近红外波段的高反射率作为识别根据。夏季可以把芦苇群落和互花米草群落与
海三棱蔗草群落和糙叶苔草群落识别为两类不同高度和盖度的植被。秋季的糙叶苔草群落和海三棱蔗草群
落在“红边”斜率和近红外波段反射率上有明显的区别，而且芦苇群落与互花米草群落的反射光谱特征也有明
显的区别，因此秋季 10月份是进行上海地区盐沼植被遥感解译与分类的适宜季相。
4．4 结论
本项研究应用 ASD便携式光谱分析仪测定了崇明东滩盐沼群落春、夏、秋三季的地面近距反射光谱，分
析了同季相各群落和同类群落不同季相的反射光谱特征及其一阶导数，得出以下主要结论 ：
(1)各类盐沼群落在不同季节具有独特的反射光谱特征。在春夏秋各季节中，盐沼群落之间的光谱特征
差异不同。
(2)盐沼群落各季相的反射光谱特征各不相同。同一群落类型在不同季节的光谱反射变化特征各异。
(3)上海地区主要四类盐沼植被的遥感分类的最佳策略是采用多季相的组合形式，即利用群落与对应生
长季的遥感影像结合进行解译和分类。
上海地区各类主要盐沼群落的多季相反射光谱具有其独特的特征，这些特征的相互组合为遥感影像判读
和用于植被制图的影像分类提供了一定的基础，可以提高对盐沼群落解译和分类的精度。
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