全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
林 业 科学 研 究
, 一
卢 记 即
文章编号 一 〕 拓
行道树叶绿素变化的高光谱监测研究
宋开 山‘ , 张 柏
‘卜国科学院东北地理 与农业生态研究所 , 吉林 长春
,
, 刘殿伟‘ , 张渊志 ,
赫尔辛基科技大学空间实验室 , 赫尔辛基 芬兰
摘要 采样分析了城市行道树与对比区相应树种的叶绿素变化 , 并对由叶绿素变化引起的高光谱响应进行了分析 ,
结喂表明 城市环境对行道树叶绿素有重要影响 , 其中 , 对针叶树种叶绿素的影响较小 , 对阔叶树种叶绿素的影
晌较大 导数光潜与测试树种叶绿素含量关系密切 , 在 附近相关系数达 以上 植被
指数与测试树种的叶绿素含量关系密切 , 幂函数回归的确定性系数达 左右 。 以上结论说明 高光谱遥感可 以
角 来监测因城市环境引起的植被叶绿素变化 。
关健词 高光谱 反射率 导数光谱 叶绿素 行道树
中图分类号 文献标识码
辉
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城 丁行道树生长在较为复杂的环境中 , 机动车
辆尾 之 口日的各种成分 , 如
、
碳氢化合物 、硫氧化
物 、 、 、醛类 , 颗粒物和各种工厂 、生活排放物
等对其生长有着这样或那样 的影响 ’
· ’ 研究表
收机 日期 以
一 一
从
「
项 ‘ , 科院知识创新 程重大项 目 妞一 一
们 简介
‘
衣 山 一 , 男
,
博 主要从事地物高光谱 与偏振光谱特征研究 , 发表论文 篇
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第 期 宋开山等 行道树叶绿素变化的高光谱监测研究
明 行道树在城市特殊环境中生长往往会引起生化
指标的变化 , 其中 , 行道树叶绿素常常被用来作为环
境污染的重要指示指标 。 不同污染程度 , 不同的交
通繁忙地段以及不同气体对植物叶绿素含量的影响
已有报道〔’巧 〕。 在国内 , 李寒蛾〔 〕研究了行道树叶
片叶绿素含量随季节的变化以及不同树种叶绿素含
量对环境的响应 。
早在 年 等人仁’」就建议用高光谱遥
感来估算植被的叶绿素浓度 , 但这一设想只有在新
一代高光谱传感器出现后才真正成为可能 〕。 近年
来应用高光谱监测植被叶绿素含量变化的文献大量
出现 〔’一 , , 〕, 并且建立了多种高光谱植被指数与遥感
模型来定量估算植被叶绿素的变化 〔‘, 〕。 在国内仅
见以高光谱手段监测农作物的文献 〔’‘
, ” 」, 但以高光
谱监测不同树种叶绿素变化的研究基本没有开展 ,
由于土壤 、环境 、气候的变化 , 各种基于统计方式建
立的模型都有一定的局 限性 , 因此函待在我国不同
的地域开展此类研究 。 虽然通过实验手段可以检测
由于受汽车尾气以及其它环境胁迫因素影响而导致
的行道树叶绿素的变化 〔“ 」, 但是只从有限的测点来
估算整个城市行道树的叶绿素变化未免有些牵强 ,
而高光谱遥感恰巧可以解决大尺度面源环境监测问
题 。 正是基于此原因 , 本文将主要探索用高光谱方
式监测城市行道树叶绿素变化的可能性 。
研究方法
试验设计
采样设计 为了研究行道树因城市交通环境而
产生叶绿素含量变化 , 特将受城市交通环境影响较
小的净月潭国家森林公园对应树种进行同期叶绿素
含量的对比研究 。 城市行道树样本采集选在长春市
交通较为繁忙的新民主大街和西安大路 , 平均交通
流量分别为 、 辆
· 一 ’。 对行道树叶绿素
有影响的排放物为 、 二 、 。 净月潭国家森林
公园距离长春市 , 公园内森林基本不受机动
车排放物影响 。 为了使样本具有可 比性 , 所有样本
均采自树龄相近 、距离地面 左右朝南方向的
年生营养小枝作为测试样本 为满足光谱测试需求 ,
每个样品采集 个枝条 。 采样品种 、位置 由
获取 及采样时间见表 。 样品采下后 , 立即放人盛
有冰块密封较好 的泡 沫箱 里 。 所有 样 品在 当 日
左右采集完毕 , 然后快速带回实验室以备光谱
及叶绿素测试用 。 本次实验树种主要涉及阔叶树
种 , 因落叶松兼有落叶与针叶树种的特点 , 叶绿素含
量与阔叶树种相近而且变化较大 , 故把落叶松 玩
作为研究对象 。
光谱测试方法
光谱测试采用美国分析光谱仪器公 司 叔
, 公司 生产的
光谱仪 , 该设备可在 波长范围
内进行连续测量 , 采样间隔为 , 光谱分辨率
, 视场角 “ , 共有 个采样数据 。 以太阳光作
为测试光源 , 次光谱测试时间都在正午 , 天气晴朗
无云 , 以保证同等的光照条件 。 把所有样品均匀平
放在一块 的黑布上 , 每种样品头尾交
叉铺放 层 , 使样品铺放区无黑布裸露 传感器探头
垂直向下与样品相距约 , 观测范围直径约为
样品范围大于仪器视场角 。 光谱测试之
前 , 先测试光谱仪暗电流 , 每次样品测试都以白板进
行定标 , 测试结果为样品光谱反射率 。 每个样品光
谱值重复采集 次 , 把 组数据的平均值作为该
样品最终光谱反射率 。
叶绿素测试方法
从测试样本中选取 枚成熟叶片 , 用打孔器
在样品叶片中间部位 叶脉一侧取 个小 圆
个小圆质量在 左右 , 将其剪成细丝 , 充分搅
匀 , 以千分之一精度电子天平称取 左右 ,
然后放人盛有 提取液 丙酮 乙醇 蒸馏水
二 的试管中 , 以橡皮塞封 口 , 闭光提取
, 定容到 供测试 。 以 岛津分
光光度计分别测 、 二 处 的光 密
度 , 以 公式计算叶绿素含量 , 表 中的叶绿
素 表示 总体叶绿素 。
高光谱数据分析方法
采取的数据分析方法主要为 各波段反射
率及一阶导数与叶绿素的相关分析 , 得出反演行道
树叶绿素的最佳波段 。 脚 ,
特定色素简单比值植被指数 ” 〕, 其中
凡 凡 。 , 代表叶绿素 , 代表指定波
段的反射率 二 。 , 代表叶绿素 ,
的含义不变 。
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林 业 科 学 研 究 第 卷
表 不同样品的一般性信息及叶绿寮含 统计值
叶绿素含量及采样位置 ① 、采样时间
树种名称 叶绿素 含量 叶绿素 含量 叶绿素 含量 纬度
上
落叶松
糖械
大青肠
蒙占栋
平均值 标准差 平均值 标准差
日〕
珍
《只
平均值
,
标准差
经度
“ ’
采样时间
年一月一日
一 一
对照区净月潭国家森林公园样本叶绿素含量及采样位置 、采样时间
落叶松
糖械
大青杨
蒙占栋
,
一 一
注 由于每个树种都有 个以上样本 , 在这里采用了居于中间位置的样本经纬度作为该种样本的代表位置 叶绿素含量单位
· 一 ’
糖械 渐 , 呷 汕
, 大青杨 八明 。 。 , 蒙古栋 口 阴 。
结果与讨论
城市环境对行道树叶绿素含 的影响
及表 可以看出 市内落叶松的叶绿素含量与
净月潭对比区的差别不大 , 但总体上略低于净月潭
对比区的 市内糖械的叶绿素含量略低于净月潭对
比区的 , 而市内大青杨 、蒙古栋的叶绿素含量明显低
于净月潭对比区的 。 由表 还可以发现 叶绿素 、
含量的标准差变化较大 , 而叶绿素 含量的变化
较小 , 扫此也说明 , 在同等环境下 , 植物种类对环境
的抗逆能力显著不同 , 因此 , 在研究城市环境对行道
树影响时应选取较为敏感的树种 。
市内与对比区行道树种光谱变化趋势
图 是部分样本的光谱反射率曲线 这里只随
机选取 了 组对比光谱来说明不同树种在不同波段
的反射特征 。 由图 可见 , 市内行道树与净月潭公
园对应树种的光谱反射率存在较大差异 。 植物叶片
波长而
图 市内与对 比区各树种光谱反射率曲线
对蓝光波段与红波光段强烈吸收 , 在绿波段 由于叶
绿素原因 , 存在一个小反射峰 , 在近红外波段 , 由于
植物叶片内部细胞结构造成人射光多次散射 , 使得
绿色植物叶片在该波长范围内强烈反射人射光能 。
以上只是绿色植被光谱反应的一般情况 , 在环境胁
迫因素作用下 , 会致使植物叶片细胞组成物质的含
量以及结构发生变化 , 这一切都将在光谱反射过程
中表现出来 , 是环境遥感监测的理论基础 。 由图
可以发现 , 城市行道树与净月潭对比区相应树种的
光谱反射率存在一定差异 , 尤其在 附近与近
红外波段这种差异更大 。
反射率与叶绿素含 之间的关系
在整个光谱仪有效波长范围内每隔 个波段
选取一个光谱反射值与叶绿素 、 、 做线性拟合 ,
得到的确定性系数随波长变化曲线见图 样本数
二 。 由图 可以看出 在紫光 、蓝光波段 , 光谱反
射率与测试树种叶绿素的相关性较强 在大部分绿
光波段光谱反射率与叶绿素的相关关系较差 红光
波段与叶绿素的相关关系起伏较大 , 在 处达
到最低值 , 而在红边 向近红外
一 过渡波长区 , 光谱反射率与叶绿素的相
关关系迅速提高 , 到近红外区基本趋于稳定 。 由图
中 条曲线的对 比可发现 叶绿素 与光谱反射
率的相关性最高 叶绿素 、 与光谱反射率的相关
性在 之前二者时有高低 , 在近红外区非常接
近 。 叶绿素
、 以及叶绿素 之间存在密切的相
关关系 , 但是叶绿素 不完全等于叶绿素 和叶绿
素 之和 , 而且 由于叶绿素 、 的衰老速度不一
样 , 因此叶绿素 与叶绿素 或 的相关性也随着
植物生长阶段而有所不同 。 在本研究中 , 样品采集
时 , 不同树种已经处于生理衰老期 , 因此叶绿素 与
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卜‘几胜胜卜趁八
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第 期 宋开山等 行道树叶绿素变化的高光谱监测研究
乃,叶绿素 的相关性更密切 , 所以回归的确定性系数
矿 的变化趋势与叶绿素 更接近 。
让︵留︶献咯积奥互
彭 。石 淤 火
尹 —叶绿素· 一 叶绿素一 叶绿素 一
一
波长而
图 光谱反射率与叶绿素的拟合关系
波长汤皿
图 导数光谱与叶绿素 含量的相关系数随波长的变化
一阶导数与叶绿素含 之间的关系
导数光谱分析技术源于化学光谱分析 , 用 以解
决许多物质光谱吸收 、反射或发射特性相同或相近
导致的诊断光谱特征重叠而无法在光谱特征上区分
某些物质的难题 ’‘ 。 在多光谱遥感阶段 , 因波段数
太少而无法采用导数光谱技术来分析有限的多光谱
遥感数据 。 随着高光谱遥感技术的发展 , 导数光谱
技术在遥感领域得到广泛应用 。 本研究所采用的导
数光谱计算公式如下
’ ‘ 〔 ‘ 一 ‘ 〕 △人
式 中 ’代表导数光谱值 , 为原始光谱反射率 ,
入 为波长 , △ 为相邻波段的间隔 。
对所有样本 的光谱数据按公式 计算后 ,
与叶绿素 进行相关分析得到图 样本数
, 可以发现在 范围内 , 导数光
谱与叶绿素 含量间的相关关系浮动较大 , 尤其
在 与 个波谱区 。
上述情况 的出现是 由于高光谱数据存在较大 的
数据冗余 , 相邻波段 的光谱反射率非常接近 , 光
谱求导后 对 光谱 反 射率 的变化 非常敏感所 致 。
由图 可 以看出 在叶绿素反射峰 左右 ,
导数光谱与叶绿素之间存在较大的负相关关系
在红边区的 范围内 , 导数光谱与叶
绿素存在显著 的正 相关关系 。 测 试树种 叶绿 素
、 含量同导数光谱的相关关系的变化趋势与叶
绿素 的变化趋势基本相 同 , 但通过统计分析表
明仍然是叶绿素 与导数光谱 的相关性最强 为
表示方便 , 这里省去叶绿素 与 的图解 导数
光谱与叶绿素含量 的相关关 系较光谱反 射率与
叶绿素含量相关关系提高了近 。
植被指数与叶绿素的相关关系
自高光谱技术问世 以来 , 大量遥感工作者开
发 了用 于不 同探测 目标 的遥感模型来定量或半
定量研究探测对象 , 和 首先致
力于用高光谱窄波段植被指数研究植被叶片叶
绿素 、 胡 萝 卜素 含 量 , 并 且 取 得 了 很 大 的 成
功
,
川 。 本文 采 用 的 植 被 指 数 是
在借鉴 、 等人 的工 作
基础上开发 出来 的对植被 叶绿素含量较为敏感
的植被指数 ￡” 。 图 是 植被指数与叶
绿素 进行不同的函数 回归分析后 , 确定幂函数
为最佳拟合方程 , 确定性指数 矿 达到 。 图
是 植被指数与叶绿素 进行幂函数
回归后 , 得到的最佳回归方程 , 线性 回归 、 指数回
归所得到的确定性指数 矿 只是略低于幂 函数 回
归方式 , 出现这种情况 的一个原 因是 由于测试树
种叶绿素 的差异水平低 , 多种回归方式都能满
足有限的数据散点拟合 。 图 的植被指数是
发现的对植被叶绿素 较为敏感 的
高光谱植被指数 〔’ 〕, 由于这一植被指数仍属于对
植被色素敏感的简单 比值植被指数 , 为了表示方
便采用 表示 。 发 现 。
叶片级别上与叶绿素 呈线性关系 , 但是
在借鉴这一植被指数研究冠层级别叶绿素
含量变化时 , 发现幂函数为最佳回归方程 〔‘“ 〕。 作
者只是列举了不 同叶绿素植被指数中的 与
叶绿素回归方程 以及 回归效果 , 其他数据分析方
式还有待进一步验证 。 由图 对 比可 发
现 市内行道树叶绿素 、 与光谱反射率的散点
分布在回归方程 曲线 的低值 区 , 而对照数据散点
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林 业 科 学 研 究 第 卷
分 布在个, 对高值区 , 二 者有相 同的分布趋势 。 市
内行道 时叶绿 素 与光谱反射率数据则相对 远
离回归 厅程
,
对照 区 的数据则 出现相反 情况 , 这
种现象 的机理还有待进一步探讨与定量研究 。
万
市内
户兰乌吕,曳司州
一一
叫 一一 一 二一
一 二 一 一 公
一
一 月
叶绿素 含量式 断
冬 。 与十绿素 的关系
二 ‘
伟川
”二
谱响应 , 得出以下结论
城市环境对行道树的叶绿素含量有着重要
影响 , 这种影响因不同树种的抗逆能力而有不同表
现 城市环境对针叶树种叶绿素含量影响小 , 对阔叶
树种叶绿素含量影响较大 。
高光谱对植被叶绿素含量变化较为敏感 ,
通过对采样行道树的光谱反射率 、一 阶导数与叶绿
素相关分析 , 表明它们之间关系密切 , 可以用高光谱
技术来监测城市行道树叶绿素变化 。
通过 与采样树种叶绿素进行的 回归
分析表明 , 高光谱植被指数可 以用来监测不同
树种叶绿素的变化趋势 。
以上结论是从一个特定季节高光谱数据与叶绿
素分析中得出来的 , 行道树叶绿素含量在整个生长
季如何变化
、不同物种的差异 以及相应 的光谱响应
都需要进一步工作来加以研究 。 本文的结论是建立
在采样树种枝条级别上 , 把光谱测试工作建立在树
冠级别上将对解决实际问题更有帮助 , 另外在光谱
测试中如何控制叶面积对光谱反射率的影响也是需
要解决的问题 。
净月潭
泊确‘乌吕苗︶召仍‘
市内
翻 」
叶绿素 含星以
· 一勺
图 , 与叶绿素 之间的关系
二 , ,
市内
净月潭
吕卜飞乐卜侧﹄钾国
叶绿素 含量 一 ,
图 一 与叶绿素 之间的关系
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通七 分析长春市行道树与净月潭森林公园对比
区相应树种叶绿素含量的差异及此差异引起的高光
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第 期 宋开山等 行道树叶绿素变化的高光谱监测研究
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」赵春江 , 黄文江 , 王纪华 , 等 不同品种 、肥水条件下冬小麦光
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及叶绿素密度的相关分析〔〕遥感学报 , 以 ,
〔 一 , ,
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