基于PROSPECT模型的胡杨生理学参数的光谱反演研究
胡杨作为荒漠河岸生态系统中唯一的建群乔木,对荒漠绿洲过渡带脆弱生态系统的平衡起到关键的调节作用。地下水是胡杨唯一的土壤水分来源,是影响胡杨生命活动至关重要的因素之一。地下水位的变化会导致胡杨生理状况的变化,因此,利用高光谱对不同地下水埋深下的胡杨叶片生理学指标进行估测研究,是对胡杨进行健康监测提供理论基础,也是将遥感应用到生态环境保护上的技术支撑,也是进一步维持荒漠生态系统稳定性的关键。本研究选择阿瓦提县丰收三场与阿拉尔市塔河源胡杨林为研究区,在研究区内设置0～2 m、2～4 m、4～6 m、6～8 m及8～10 m等5个地下水埋深梯度,同时获取各埋深梯度下胡杨的高光谱数据和生理学参数。分析不同地下水埋深下胡杨的生理学参数变化特征和叶片的光谱特征,以及利用PROSPECT-SAIL模型模拟得到胡杨冠层光谱,对比分析叶片光谱与冠层模拟光谱的差异,最后再使用冠层的模拟光谱与生理学指标进行模型构建。以期用以表征胡杨所处的地下水埋深范围,为促进干旱区生态环境建设及植被恢复提供理论基础。主要的研究结果如下:(1)不同时期在埋深0～2 m与2～4 m处胡杨的含水量大多较高,随着干旱程度的增强,呈先降后升趋势。而叶片氮素含量表现为随地下水埋深增大呈“M”型变化,在轻度干旱胁迫下,氮素含量降低,但随着干旱程度的加深,氮素含量逐渐增大。随地下水埋深的增大,钠(Na)、镁(Mg)、锰(Mn)、锌(Zn)、铁(Fe)和钙(Ca)的变化不完全相同,当胡杨受到干旱胁迫后,其叶片内的钠Na、Mg和Zn含量都降低,而Mn、Fe和Ca含量均出现上升,这些现象都是胡杨抵御干旱胁迫的体现。(2)不同时期不同埋深下的同种处理的光谱曲线变化基本一致,都具有植被典型的“峰谷”特征。其中对数、对数倒数及包络线去除光谱能够在可见光或近红外波段放大某些特征,便于研究不同埋深下的胡杨光谱变化特征。而胡杨的光谱位置参数在不同时期不同埋深下的差异较小,绿峰位置随埋深增大,其向长波方向移动,其中红边主要在8、9、10三个月中表现出明显的“蓝移”或“红移”。植被指数与胡杨含水量、氮素及钠的相关程度较高,相关系数大于0.4,而其他指标的相关性均较差。(3)使用PROSPECT-SAIL模型模拟出胡杨的冠层光谱,将胡杨的冠层模拟光谱与叶片光谱进行对比分析,结果表明胡杨的冠层光谱在高反射平台处,随地下水埋深的不同差异明显,且冠层光谱在970 nm处的水分吸收谷处,地下水埋深增大,而吸收谷特征减弱;包括原始冠层模拟光谱和6种数据处理后的冠层模拟光谱与胡杨生理指标,建立了BP神经网络(BP)、偏最小二乘回归(PLSR)和主成分回归(PCR)的胡杨生理指标含量估测模型,其中只有基于BP的胡杨叶片含水量、氮素含量和钠含量的估测模型能够通过精度验证,但是也仅有钠含量的估测模型达到了较好的预测能力,建模精度R~2为0.8372,RMSE为2.1112 mg/g,RPD为2.4820,预测精度R~2为0.8151,RMSE为2.2508 mg/g,RPD为2.3025。(4)利用模拟的胡杨冠层光谱构建了归一化植被指数(NDVI)、差值植被指数(DVI)、简单比值指数(SRI)等11种植被指数,再与同植被指数相关性较高的三个生理指标(胡杨叶片含水量、氮素含量、钠含量)进行模型构建,建立了BP、PLSR和PCR的胡杨生理指标含量估测模型。结果发现植被指数的生理指标含量估测模型,只有基于BP的胡杨叶片钠含量估测模型可以通过精度验证,其建模精度R~2为0.7254,RMSE为2.7470 mg/g,RPD为1.9076,预测精度为R~2为0.7272,RMSE为2.7238 mg/g,RPD为1.9026,模型刚刚达到粗略预测的能力,且预测的结构较差,与冠层模拟光谱的生理指标含量估测模型相比,降低了模型效果,但是缩小了建模方法间模型的效果差异。
- 作者：
- 张冬冬
- 学位授予单位：
- 塔里木大学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2022年
- 导师姓名：
- 王家强
- 中图分类号：
- S792.11
- 关键词：
- 胡杨；地下水埋深；生理学指标；高光谱；PROSPECT模型
-
- 基金项目：
- 国家自然科学基金项目“荒漠河岸林胡杨叶片对地下水埋深的光谱响应研究”(项目编号:31860172),课题主持人:王家强教授(塔里木大学)