引言

為了解決鄱陽湖濕地生態環境問題，本研究對不同地物反射光譜特征進行差異性分析，利用光譜特征波段選擇可有效區分南磯濕地地物的特征波段，以此對南磯濕地地物進行識別分類。研究成果為南磯濕地的物種多樣性保護以及合理開發利用提供了科學依據和更好的技術支持，相關部門可以采取有效手段保障濕地健康，科學開發資源，且研究結果能夠為后續基于高光譜影像數據的濕地研究奠定基礎。

二、研究區概況

2.1 研究區域與樣本

圖 2.1 南磯濕地位置示意圖

鄱陽湖濕地是中國淡水湖泊中最大的生態濕地，與贛江、饒河、信江、修河和撫河等五條江河水流相接，同時與長江相連，水位季節性變化明顯，不同水位下形成了多種濕地類型。南磯濕地是鄱陽湖濕地的一個國家級自然保護區，擁有極其豐富的自然資源，水陸交替的生態環境創造了多樣的生態景觀和地物類型。因此，本研究選取南磯濕地作為研究區。

三、原始光譜特征分析

3.1 主要地類光譜特征分析

見圖1～5，左邊的圖（a）為全部地物的均值光譜曲線，右邊的圖（b）為去除水體之后，剩余地物的均值光譜曲線。根據對研究區地物光譜曲線的初步分析，可以將研究區內的地物歸為三大類，分別是：第一類為水體，包括青色水體、藍色水體、藍綠色水體、深藍色水體、藍黑色水體；第二類為植被，包括林地、蘆葦-南荻群落、薹草-虉草群落、農田；第三類為其他地物，包括居民地、建設用地、裸灘、淺水灘。

圖1 2020年3月15日研究區地物均值曲線

圖2 2020年6月17日研究區地物均值光譜曲線

圖3 2020年10月10日研究區地物均值光譜曲線

圖4 2020年11月11日研究區地物均值光譜曲線

圖5 2021年1月18日研究區地物均值光譜曲線

5類水體的反射率在全波段相對較低，整體維持在0.4以下，這與水體對可見光和近紅外的強吸收特性有關。在可見光區域，水體與剩余地物光譜差異較小，光譜曲線之間交叉重疊嚴重，難以提取水體。在近紅外區域，2020年3月15日、2020年6月17日和2020年11月11日的水體反射率明顯低于剩余地物，有明顯的可分性；而2020年10月10日的水體光譜曲線與裸灘在全波段交叉重疊嚴重，這可能是由于該時期水位為豐水期，水位較高，裸灘含水量高，與水體界限不明顯導致；2021年1月18日青色水體和藍色水體在近紅外區域的光譜反射率較高，與剩余地物的差異不明顯，這可能與枯水期青色水體和藍色水體的水深較淺有關。不同種類的植被在總體上都表現出了植被的典型反射特征。在可見光區域，葉綠素和其他色素對光的吸收很強，因此導致植被總體反射率較低。但在波長范圍為680～750nm時，由于植被內部細胞結構之間的相互作用，植被的反射率快速增加，形成高峰。在可見光區域，葉綠素對藍光和紅光的吸收較強，而對綠光反射較多，因此在藍光和紅光波段會形成兩個吸收谷（稱為藍谷和紅谷），而在綠光波段則會形成一個明顯的反射峰。2020年3月15日和2020年11月11日的植被和其它地物在可見光大多數波段都明顯可分，剩余3個時期的植被光譜與裸灘交叉嚴重。

在近紅外區域，植被的總體反射率較高，大部分能量被植被反射出去，形成了植被特有的反射高原區。2020年6月17日和2020年10月10日的植被光譜曲線與其它地物雖有一定程度的交叉，但整體是可區分的，而剩余時期植被與其它地物的光譜曲線交叉嚴重，需進一步定量分析。其它地物反射率總體較高，在可見光區域，居民地、建設用地和淺水灘的反射率明顯高于水體和植被，除2020年11月11日外，剩余時期裸灘與植被的光譜曲線交叉重疊嚴重。在近紅外區域，2020年6月17日和2020年10月10日其它地物與植被光譜差異明顯，2020年3月15日其它地物與薹草-虉草群落有交叉重疊，2020年11月11日和2021年1月18日其它地物和植被交叉重疊嚴重。通過對圖1～5的（a）和（b）光譜特征進行分析，可以看出水體在近紅外區域反射率相對較低，可與植被和其他地物區分開來，在去除水體的光譜曲線后，植被和其它地物在許多波段都存在明顯可分性，因此，認為原始光譜曲線可以有效區分三大類地物。

3.2 水體光譜特征分析

受水位和水中物質等的影響，不同水體在影像上的顯示有所不同，其光譜曲線及光譜特征也會有所差異。

圖6 不同時期水體原始光譜均值曲線

總體來看，水體在全波段光譜反射率相對較低，整體沒有超過0.4，其中，2020年3月15日和2021年1月18日的反射率相對較高，而剩余時期的水體反射率相對較低，不超過0.25，水體反射率整體來看由高到低的順序是：青色水體>藍色水體>藍綠色水體>深藍色水體>藍黑色水體，與其在影像上的標準假彩色顯示相對應。2020年3月15日的水體光譜反射率整體呈先下降后略微上升的趨勢。在可見光區域，青色水體和藍色水體的反射率明顯高于藍綠色水體和深藍色水體，與藍綠色水體和深藍色水體區別明顯，而藍綠色水體和深藍色水體在可見光區域近乎重合，差異不明顯；在近紅外區域，除青色水體的反射率略微高于其余3類水體外，其余3類水體光譜曲線交叉重疊嚴重，整體來說在近紅外區域可分性不強。2020年6月17日3類水體均表現出可見光區域的反射率高于近紅外區域的特征。在可見光區域，青色水體和深藍色水體的光譜曲線先略微上升再下降，而藍綠色水體的光譜曲線則趨于平緩再略微下降，反射率變化不大，且3類水體在可見光大多數波段都有明顯的可區分性；在近紅外區域，青色水體和藍綠色水體的光譜曲線幾乎重疊，可分性不強，而深藍色水體的反射率則較低，可以區分識別。2020年10與10日3類水體光譜曲線先上升再下降，然后再近紅外區域緩慢上升。

3類水體在可見光區域差異明顯，反射率從高到低的順序為：藍色水體>深藍色水體>藍黑色水體；而在近紅外區域，3類水體光譜曲線幾乎重疊，無法區分識別。2020年11月11日5類水體光譜曲線的變化趨勢可分為兩種類型，青色水體和藍色水體的變化趨勢為先上升后下降，其余3類水體再500nm左右有一個明顯的吸收谷，在530～750nm范圍內，光譜曲線平緩，在760nm處又有一個小型吸收谷，而后趨于平緩。在可見光區域，5類水體具有可分性，而在近紅外區域，青色水體的反射率明顯高于其余4類，其余4類交叉重疊嚴重。2021年1月8日在440～600nm范圍內呈上升趨勢，之后光譜曲線平緩。青色水體和藍色水體在440～620nm范圍內光譜曲線幾乎重合，不可區分，在620nm之后有一定差別；深藍色水體和藍黑色水體在絕大多數波段都有明顯可分性，總體而言，4類水體差異明顯。

3.3 植被光譜特征分析

由于植被內部結構或組成部分的差異，不同植被間所表現的光譜反射曲線特征也不相同。圖7總體來看，各植被均表現出植被的光譜特征，在可見光區域反射率較低，在“紅邊”反射率迅速升高，在近紅外區域形成一個高反射平臺。其中，也存在植被特征較弱的情況，可能與季節、植被生長情況和植被生長環境有關。

圖7不同時期植被原始光譜均值曲線

2020年3月15日由于影像圖幅限制，缺少林地和農田這兩類非濕地植被，只有蘆葦-南荻群落、薹草-虉草群落兩類濕地植被。在可見光區域，兩類植被在綠光波段（550nm附近）形成一個小型反射峰，在650～700nm范圍內形成一個小型吸收谷，這是由于植被葉綠素作用而形成的植被固有的特性；在“紅邊”范圍內，蘆葦-南荻群落形成“陡坡”，而薹草-虉草群落僅有緩慢的上升；在近紅外區域，蘆葦-南荻群落形成一個高反射平臺，遠高于薹草-虉草群落。總體而言，薹草-虉草群落的植被特征較弱，這可能是因為薹草-虉草群落在該時期比較稀疏。在近紅外區域，兩類植被可分性明顯。2020年6月17日四類植被均有明顯的“綠峰”和“紅谷”，符合植被光譜特征。在可見光區域，農田在500～650nm波長范圍內略微高于其余三類植被，林地、蘆葦-南荻群落和薹草-虉草群落在可見光區域的光譜曲線幾乎重合，不可區分；在近紅外區域，林地和薹草-虉草群落反射率最高，二者之間存在一定的交叉，次高的為蘆葦-南荻群落，農田反射率最低，與其余植被差異顯著，明顯可分。

2020年10月10日，由于鄱陽湖豐水期水位較高，研究區內大部分地區都被水覆蓋，因此，只有位于南山島和磯山島的林地和農田這兩類非濕地植被。二者也均存在植被的固有特征，在可見光區域，光譜曲線幾乎重疊，不可區分，但在近紅外區域，農田反射率高于植被反射率大約0.1，二者在該范圍差異顯著。2020年11月11日四類植被光譜曲線趨勢相似，在500nm附近有一個小型吸收谷，在550nm附近有一個小型反射峰，在670～720nm波長范圍內也有一個吸收谷，在“紅邊”迅速攀升，近紅外區域形成高反射平臺。在可見光區域，4類植被的光譜曲線交錯重疊嚴重，不易區分，而在近紅外區域，4類植被光譜差異明顯，反射率由高到低依次是：農田>林地>蘆葦-南荻群落>薹草-虉草群落，可通過近紅外波段來區分識別4類植被。2021年1月18日4類植被的植被特征均比較弱，可能是由于植被在冬季枯萎導致的。在450～640nm波長范圍內，4類植被之間存在一定差異，且反射率由高到低依次為：農田>蘆葦-南荻群落>薹草-虉草群落>林地，在650nm之后，4類植被間存在不同程度的交叉現象，其中農田在830nm之前反射率均高于其余3類植被。4類植被的可分性需要進一步定量分析及通過數學變換放大差異。

圖8 同種植被不同時期原始光譜均值曲線

同種植被受氣候、水位等因素影響，生長狀態有所不同，表現出的光譜特征也會有所差異。圖8可以看出：四類植被在2020年3月15日和2021年1月18日的光譜反射率明顯不同于其余時間，該時期植被雖有植被的固有反射特征，由于植被在冬季以及初春時生長環境嚴峻，生長狀況欠佳，在可見光區域的反射率明顯高于其余時間，其余三個時期植被的光譜特征顯著。在可見光區域，林地在冬季時的反射率高于其余時期，其余三個時期反射率差異不大，而在林地夏季時近紅外區域反射率最高，在其余時間差異不大。兩類濕地草叢群落在冬季和初春時可見光區域的反射率高于其余時間，蘆葦-南荻群落初春時近紅外區域反射率高，在夏秋花期時近紅外區域反射率下降，而薹草-虉草群落初夏時近紅外區域反射率最高，該時期薹草生長旺盛。農田在冬季時可見光區域反射率最高，而在夏季時近紅外區域反射率最低。

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審核編輯 黃宇