（生态学专业论文）大型沉水植物遥感监测研究.pdf

摘要 沉水植物的恢复是水体环境和生态综合整治的一个重要环节，但常规的监测 方法往往受到水环境的限制，所以需要有合适的技术对其分布与生长状况进行大 尺度、快速、动态和综合监测。本研究从地物光谱特征和遥感影像处理两方面对 大型沉水植物的遥感监测进行了探讨和研究。 选择上海地区常见的大型沉水植物为研究对象，利用a s d 便携式地物光谱 仪，分别从以下几个方面对沉水植物的地物光谱特征进行研究： 1 ) 通过实验室模拟实验，测定不同盖度生物量苦草( v a l l i s n e r i as p i r a l i s ) 的 光谱反射率，建立盖度生物量与光谱反射率的函数关系； 2 ) 在上海市“梦清园”人工湿地，通过人工控制实验，测定不同盖度生物 量水深条件下苦草的光谱反射率，建立盏度生物量水深与光谱反射率的函数关 系，同时对不同种类沉水植物( 苦草v a l l i s n e r i a s p i r a l i s 、伊乐藻e l o d e ac a n a d e n s 妇、 狐尾藻m y r i o p h y l l u ms p i c a t u m 和菹草p o t a m o g e t o nc r i s p u s ) 的反射光谱特征进行 研究，找出识别不同种类沉水植物的最佳波段； 3 ) 于2 0 0 5 年9 月、2 0 0 5 年1 1 月和2 0 0 6 年4 月，对上海市崇明东滩国际湿 地公园人工湖中不同盖度狐尾藻的反射光谱进行野外实测，提取植被指数( n d v i 、 r v i ) 、光谱指数( e g f r 、d d r e ) 和光谱参数( “红边”和“绿峰”，建立盖度植被 指数光谱指数与光谱反射率的函数模型，并通过对“红边砑钉“绿蜂 位置及光谱指 数( e g f r 、d d r e ) 变化的分析，对不同季节沉水植物狐尾藻的光谱特征进行研 究。 结果表明：( 1 ) 实验室模拟实验、室外控制实验和野外实测实验中，苦草和狐 尾藻群落在绿光波段和近红外波段的光谱反射率都随着盖度生物量的增大而升 高。不同盖度，生物量苦草靼狐尾藻的光谱反射率之闯的差异都主要表现在 5 0 0 6 5 0 n m 和7 0 0 9 0 0 n m 波段范围。( 2 ) 不同种类沉水植物的光谱特征也有所不同， 差异主要表现在7 0 0 9 0 0 n m ( 近红外波段) 。( 3 ) 在4 0 0 9 0 0 r i m 范围内水深与苦草 光谱反射率均表现为负相关。( 4 ) 随沉水植物狐尾藻群落盖度的降低，其对应的r v i 和n d v i 也有所下降，并且狐尾藻盖度和对应r v i 、n d i 的关系可以用线性关系较 好的表示( n d v i ，r 2 = o 7 7 8 5 ) 、( r v i ，r 2 - 0 。7 0 7 3 ) 。( 5 ) 狐尾藻群落在各生 长季都有较独特的光谱特征，并且随季节的变化e g f r 、d d r e 和“绿峰”、“红边”都 呈现规律性变化。( 6 ) 实验室模拟实验与室外野外实测实验的主要差别在于水体 环境和底质的不同。水体中的藻类和其它悬浮物质会改变沉水植物在近红外波段的 反射光谱特征。 在进行沉水植物地物光谱特征研究的同时，对2 0 0 5 年9 月获得的崇明东滩国际 湿地公园人工湖的q u i c k b k d 遥感影像进行辐射校正，并将同时期获得的人工湖中 狐尾藻盖度与反射率的函数模型与辐射校正后的图像结合，分别对4 个单波段光谱 数据进行运算，得到4 个单波段的人工湖沉水植物盖度反演图。通过实地验证，确 定利用第4 波段( 7 6 0 9 0 0 r i m ，近红外波段) 进行反演的效果最好，误差较小。在此 基础上将沉水植物盖度人为划分为不同等级，通过目视判读，得到人工湖区各类地 物及各等级沉水植物盖度分布图。 本研究将地物光谱信息与q u i c k b i r d 遥感影像相结合，通过最佳波段的筛选 和组合，利用建立的光谱信息与水生植物生物物理参数关系对沉水植物盖度进行 了大尺度估算，为水生植被资源的开发保护、水体环境综合整治与生态修复提供 可借鉴的科学依据，为大尺度、快速、动态和综合遥感监测沉水植物的时空变化 提供技术支撑。 关键词：沉水植物；地物光谱；光谱反射率；q u i c k b i r d 影像；遥感监测 辐射校正 a b s t p a c t t h er e e s t a b l i s h m e n to fs u b m e r g e da q u a t i cv e g e t a t i o nh a sb e e nr e c o g n i z e da sak e y m e a s u r ef o rr e s t o r i n ge u t r o p h i e dl a k e so rr i v e r s h o w e v e r , t om a pt h ed i s t r i b u t i o na n d m o n i t o rt h eg r o w t ha n dd y n a m i c so fs a vo nal a r g es c a l ei sv e r yl a b o ri n t e n s i v ea n d t i m e c o n s u m i n gd u et ot h er e s t r i c t i o no ft h ew a t e re n v i r o m e n t t h ea p p r o p r i a t e t e c h n i q u ei sr e q u i r e dt om o n i t o r i n gt h es a v d i s t r i b u t i o na n dg r o w t hd y n a m i co n al a r g e s e a l e t h i ss t u d yw a sd e s i g n e dt oi n v e s t i g a t et h es p e c t r a lr e s p o n s e so fs e v e r a lc o m m o n s u b m e r g e da q u a t i cp l a n t si ns b 和曲疵u s i n gaf i e l d s p e c t mp r o 瓜f i e l dp o r t a b l e s p e e t r o r a d i o m e t e r an u m b e ro f q u e s t i o n sw e r ec o n s i d e r e d 1 ) t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fas u b m e r g e dp l a n tv a l l i s n e r i as p i r a l i sw i t hv a r i e d e o v e r a g e b i o m a s sw e r em e a s u r e di nt h el a b o r a t o r y ，a n dt h e f u n c t i o n sb e t w e e nt h e c o v e r a g e b i o m a s sa n dr e f l e c t a n c ew e r eb u i l t 2 1t h e s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c so fas u b m e r g e dp l a n t 矿s p i r a l i s 诵mv a r i e d e o v e r a g e b i o m a s sw e r em e a s u r e di nt h em i d d i el a k es e c t i o no fa f i e l d s c a l ec o n s t r u c t e d w e t l a n d , a n dt h ef u n c t i o n sb e t w e e nt h ec o v e r a g e b i o m a s s w a t e rd e p t ha n dr e f l e c t a n c e w e r eb u i l t s i m u i t a n e o u s l y ，t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ts p e c i e ss a v ( v a l l i s n e r i as p i r a l i s ，e l o d e ac a n a d e n s i s ，m y r i o p h y l l u ms p i c a t u ma n dp o t a m o g e t o n c r i s p 淞) w e r ea n a l y z e dt of i n dt h eo p t i m a lb a n d st oi d e n t i f yd i f f e r e n ts p e c i e ss a v 3 、t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so f as u b m e r g e dp l a n t 膨s p i c a t u mw i t hv a r i e dc o v e r a g e w e r em e a s u r e dw i mag r o u n ds e n s o r r a d i o m e t e ri nt h ec o n s t r u c t e dl a k eo f “c h o n g m i n g i n t e r n a t i o n a lw e t l a n dp a r k ”，s h a n g h a i ，i ns e p t e m b e r2 0 0 5 ，n o v e m b e r2 0 0 5a n da p d l 2 0 0 6 t h ev e g e t a b l ei n d e x e sf l , n ) v ia n dr v i ) ，s p e c t r a li n d e x e s ( e d f ra n dd d r e ) a n d s p e c t r a lp a r a m e t e r s ( r e de d g e ”a n d g r e e np e a k ) w e r ec a l c u l a t e dt ob u i l dt h ef u n c t i o n b e t w e e nt h ec o v 钮唱e ，e g e t a b l ei n d e x e s ( v i ) s p e c t r a lh l d 麟e s ( s da n dr e f l e c t a n c e t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fms p i c a t u mi nd i f f e r e n ts e a s o n sw e r ed i s c u s s e db y a n a l y z i n gt h ec h a n g e so f v i s ip o s i t i o na n ds p e c t r a lp a r a m e t e r s t h er e s u l t ss h o w e d ：1 、t h er e f l e c t a n c er a t eo f 矿s p i r a l i sa n d 肠s p i c a t u mi n c r e a s e d w i t ht h e i ri n c r e a s i n gc o v e r a g e b i o m a s sa n dt h i sw e r ee x h i b i t e db o t ha tt h ev i s i b l eb a n d ( 5 0 0 - - 6 5 0n m ) a n dt h en e a ri n f r a r e db a n d ( 7 0 0 - 9 0 0n m ) 2 ) t h es p e c t r a ld i f f e r e n c e so f d i f f e r e n ts p e c i e sw e r em a i n l ys h o w e di nn e a ri n f r a r e db a n d ( 7 0 0 - 1 0 0 0n m ) 3 ) a n e g a t i v ec o r r e l a t i o nr p 0 0 5 ) w a sf o u n da tr o u g h l yt h ew a v e l e n g t hr a n g eo f4 0 0 - 9 0 0 r i m , w i t ht h eh i g h e s tc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ta r o u n d5 7 4m ( r = 一0 9 5 2 7 ) 4 ) r v ia n d n d v io f 配s p i c a r u md e c r e a s e dw i t ht h e i rd e c r e a s i n gc o v e r a g e a n dac l e a rl i n e a r r e l a t i o n s h i pc o u l db ef o u n df o r 吐l en d v i 2 = 0 7 7 8 5 ) a n dr ( r 2 = o 7 0 7 3 ) 5 ) 膨 s p i c a t u mh a st h es p e c i a ls p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c si nd i f f e r e n ts e a s o n s ，a n de g f rd d r e ， r e de d g e ”a n d “g r e e np e a k w e l ec h a n g e dr e g u l a r l yw i t hs e a s o n 们t h ep r i m a r y d i f f e r e n c e si nt h es p e c t r a ls i g n a t u r eb e t w e e nt h el a b o r a t o r ya n df i e l de x p e r i m e n t sw e r e w a t e re n v i r o n m e n ta n dt h ef u n d u s t h ea l g a lc h l o r o p h y l la n do t h e rs u s p e n d e dc o n t e n t s i nt h ef i e l dw a t e rc o u l dp r o b a b l yc h a n g et h er e f l e c t a n c e 砒t h en i r s i m u l t a n e o u s l y , t h ea t m o s p h e r i cc o r r e c t i o no f t h eq u i c k b i r di m a g eo f t h ec o n s t r u c t e d l a k eg o ti ns e p t e m b e r2 0 0 5w a sp e r f o r m e dt or e a l i z et h ec o n v e r s i o no fd nt og r o u n d r e f l e c t a n c e u s i n gt h er e s u l t so ff u n c t i o nb e t w e e n t h ec o v e r a g eo fm s p i c a t u ma n d t h e r e f l e c t a n c er a t e t h er e f l e c t a n c ei m a g ew a sc o n v e r t e di n t ot h em a po fs a v c o v e r a g e 、析血 4b a n d s t h ef o u r t hb a n d ( 7 6 0 9 0 0 r i m ，s m ) w a sc o n f i r m e dt ob et h eb e s tb a n dt o p r e d i c tt h ec o v e r a g eb yc o m p a r i n gt h ep r e d i c t e dc o v e r a g eo f2 0s i t e st h a th a d n o tb e e n s e l e c t e dt ob u i l dt h ef u n c t i o n sw i t ht h er e a lm e a s u r e dc o v e r a g e o nt h i sf o u n d a t i o n , t h e c o v e r a g eo fs a v w a sd i w i e di n t od i f f e r e n tg r a d e s ，a n dt h em a po fs a vc o v e r a g ew a s t u r n e di n t ot h ed i s t r i b u t i o nm a po fd i f f e r e n ts a vc o v e r a g eg r a d e s b yv i s u a l i n t e r p r e t a t i o n i nt h i sr e s e a r c h ，t h ef i e l ds p e c t r a ls i g n a t u r ew a sc o m b i n e d 埘也aq u i c k b i r di m a g e 。 t h ef u n c t i o nb e t w e e nt h eb i o p h y s i c a lp a r a m e t e r so fs a va n dt h e ks p e c i a ls i g n a t u r e w e r eu s e dt oe s t i m a t et h es a v c o v e r a g eo nal a r g es c a l eb ys e l e c t e da n dc o m b i n e dt h e o p t i m a lb a n d s t h ei m p l i c a t i o n s o ft h i so b s e r v a t i o n , i nt e r m so ft h ea b i l i t yo f h y p e r s p e c t r a lr e m o t es e n s i n gt oe s t i m a t ea n dm o n i t o rt h ed i s t r i b u t i o na n dd y n a m i c so f s a vo n al a r g es c a l ew e r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：s u b m e r g e da q u a t i cv e g e t a t i o n ；s p e e t r o r a d i o m e t e r ；r e f l e c t a _ _ n c e ；q u i c k b i r d i m a g e ；r e m o t es e n s i n g ；r a d i o m e t r i cc o r r e c t i o m 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：墓盐日期：边生：f 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：芬石朴 导师签名： 日期：塑! ：f 圆 坐壅竖堑盘茎2 q q ! 星蠖圭星焦盈垂太型沉丞焦物遂壁堕趔受窒 1 1 研究背景 第一章绪论 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( 金相灿，2 0 0 1 ) 。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( 种云霄等，2 0 0 3 ) 。对河流湖泊中沉水植物多度和分布进行监 测的常规方法，通常是采取目测法和潜水测量法。目测法常常受到水深、透明度、 悬浮物浓度等水域环境的限制，而潜水法不仅耗时，且受地理条件的限制观测覆 盖范围小，同时对水体环境具有一定的破坏性。所以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、低成本、快速、动态监测。 机载和星载高光谱成像仪从两个技术层面为解决上述问题提供了新的契机，它有 助于我们更大程度地获取对地观测信息( s c h m i d t s k i d m o r e ，2 0 0 3 ；h e r o l d ， 2 0 0 4 ) ，提取沉水植物光谱特征地物信息、对水生植被修复、生物多样性、景观异 质性等研究领域开展进一步的研究，解决由此产生的科学问题，以满足水生植被 资源的合理开发、水体环境综合整治与生态修复的需要。 遥感技术已成为获取地表覆被及其组成信息的主要来源( r o u g h g a r d e ne ta 1 ， 1 9 9 1 ) ，它具有独特的宏观、低成本、快速、动态的优势，同时也具有实时性、大 面积监测等特点，并已广泛应用于资源与环境动态监测( 徐冠华等，1 9 9 6 ) 。通过 遥感手段监测和分析沉水植物的分布与动态，是近2 0 年来水生植物工作者一直追 求的目标之一。2 0 世纪9 0 年代以来，国外学者开始探索应用遥感技术监测水生 植物分布时空变化与生长状况( d e k k e re ta 1 ，2 0 0 5 ) 。我国也先后开展了一些利 用航片、卫片对湿地植被资源进行遥感调查和分类研究( 李仁东和刘纪远，2 0 0 1 ) 。 然而与陆生植被不同，沉水植物表面反射的光谱必须穿过大气一水界面，此外水 体中浮游植物和其他光学活性成分( 悬浮物、叶绿素等) 也会改变沉水植物的光谱 特性，同时传统的宽波段遥感卫星的光谱分辨率也制约了图像解译的准确性，因 而影响沉水植物遥感影像的解译和分类。 2 0 世纪9 0 年代后期，伴随着高光谱遥感应用的一系列基本科学问题的解决， 华东师范大学2 0 0 7 届博士学位论文 大型沉水植物遥感监测研究 高光谱遥感已由实验研究逐步转向实际应用阶段( 童庆禧等，1 9 9 7 ) 。人们可以通 过波段选择筛选出不同植物类型间光谱差异极为明显的波段，利用少数几个波段 对植被类型进行识别与分类，并为评价植物长势、估计植被生物量从理论和实践 上提供了可靠的保证；也可采用一些数据压缩技术，重新组合几个综合波段，充 分利用植被的光谱信息，以提高植被识别与分类精度( 陈述彭等，1 9 9 8 ) 。 由于高光谱遥感能提供更多的精细光谱信息，目前许多国内外学者开始研究 它在水体、植被与生态、环境资源勘探以及城市遥感中的应用( h a r t r t m d q u i s t ， 2 0 0 3 ；尹球等，2 0 0 4 ) ，然而有关大型沉水植物高光谱遥感与信息反演的研究还很 少。由此可见，随着高光谱遥感的理论和开发应用方面进展，进行沉水植物光谱 特征地物信息提取和信息反演，可望成为水体环境综合整治与生态修复中的一项 重要的技术手段，为大尺度、快速、动态和综合遥感监测沉水植物的时空变化提 供技术支撑。 本研究选择上海地区常见的大型沉水植物为研究对象，分别从实验室模拟实 验、人工控制实验和野外实测三方面对不同种类大型沉水植物在不同生长季的光 谱特征进行研究，利用高光谱地物光谱仪所得到的丰富的光谱信息对沉水植物的 光谱特征进行识别，对其生长动态进行遥感监测，同时建立沉水植物盖度生物量 与光谱特征之间的定量关系，再将地物光谱信息与q u i c k b i r d 多光谱遥感影像结 合，以期为大尺度、快速、动态和综合遥感监测沉水植物的分布和动态变化提供 科学依据，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。 1 2 沉水植物在水生态修复中的作用及应用概况 1 2 1 沉水植物在水生态系统及水生态修复中的作用 淡水生态系统作为地球三大生态系统之一，连接陆地生态系统和海洋生态系 统，在全球物质循环、能量流动和气候调节中发挥着重要的作用。目前，全世界 的水域生态系统正受到严重改变和损害，如何延缓阻止水域生态系统受损进程， 保持淡水资源持续、健康发展，已成为当今全球关注的一大焦点。水生植物的生 长、生存、繁殖等与水体环境因素有着密切的关系，而水生植物的生存、生长等 活动又影响水环境的各种环境条件，并使水环境向着一定规律不断地转变。在水 域生态系统中，水生高等植物是水体保持良好运行的关键生态类群，而维持水生 植被生态系统平衡的关键又是如何合理利用和保护沉水植被。沉水植物因其完全 水生的特点使得其在水生植物各生活型中对环境胁迫的反应最为敏感，它的存在 2 垒壅垣基盘鲎2 q q ! 星谴圭茔堡逾塞盍型沉盔撞物堡璧鳖型受塞 对水域生态系统中的结构和功能的稳定性起着支撑作用( 金相灿，2 0 0 1 ) 。迄今为 止，国内外围绕沉水植物的生态功能、生态因子对沉水植物的影响和沉水植物净 化污水的能力开展了不少研究( 种云霄等，2 0 0 3 ) ；在受损水域中进行沉水植物的 恢复与重建试验己成为水域生态学研究的重点领域之一( 邱东茹等，1 9 9 7 ) 。 沉水植物( s u b m e r g e dm a c r o p h y t e ) ，俗称水草，是水生植物的一种类型，是指 在大部分生活周期中植株沉水生活，根生底质中的植物生活型，主要为单子叶植物。 由于其根、茎、叶完全适应水生而退化，根和茎中的维管束的退化减弱了根系的吸 收功能，茎中缺乏木质和纤维。叶薄，叶绿素集中于表面，裂叶和异叶现象经常出 现，叶片的构造无栅状组织和海绵组织的分化，细胞间隙大，无气孔，机械组织不 发达，全部细胞能进行光合作用。叶片的形状大多呈条带状，如眼子菜；呈丝或线 状，如金鱼藻、小茨藻等；或细裂呈狭条状，如狐尾藻属。叶片少有宽大，质薄柔 软的，如水车前等。这些形态特征都可以减少和避免水流引起的机械阻力和损伤， 以利于植物在水中的生活。沉水植物的营养繁殖较为普通，有性生殖以水媒方式为 主( 刘建康，2 0 0 2 ) 。 沉水植物是海滨、河口和内陆水体生态系统重要的组成部分( o r t h m o o r e 1 9 8 3 ) ，作为水体生态系统中水和底质两大营养库之间的有机的接合部，对水体生 态系统的生物生产力、结构与功能的稳定起至关重要的作用。沉水植物是水体中 最为重要的初级生产者之一，它直接为水生动物提供食物( 尚士友等，1 9 9 7 ) 。沉 水植物光合作用产生的氧气，完全释放于水中，保证水生动物呼吸所需( 杨清心， 1 9 9 8 ) 。沉水植物的存在，增加了水生生态系统的空间生态位，为水生动物提供了 隐蔽、栖息、繁育、附着和取食场所，提高了系统的生物多样性( 邱东茹和吴振 斌，1 9 9 7 ；由文辉，1 9 9 9 ) 。沉水植物能净化水体，即：能固着底泥，吸附悬浮物， 降低混浊度；能直接吸收水中无机营养盐和溶解性的有机物，降低水体污染负荷； 能竞争性利用水中光能与营养盐，抑制藻类过量生长，提高水体透明度( 宋福等， 1 9 9 7 ；金相灿，2 0 0 1 ；f r i f i o f f , 2 0 0 5 ) 。因此，沉水植物被认为是水下森林，当其 遭到破坏时，就会导致类似森林遭砍伐时的后果，使依赖其环境生存的动植物灭 绝和造成水土流失等。 1 2 2 大型水生植物在水生态修复中的应用研究 人类对沉水植物( 水草) 的认识经历了两个不同的阶段，即：强调水草的促 淤作用，于是片面养鱼吃草、捞草喂鱼、打草积肥的认识阶段；发现并重视水草 对水生态系统结构的稳定作用与对水体的净化作用，进而保护和恢复水草的阶段。 在7 0 年代，国内外许多湖泊通过大量放养草鱼来消灭水生植物，以防止湖泊衰老。 华东师范大学2 0 0 7 届博士学位论文大型沉水植物遥感监测研究 进入8 0 年代以后，随着湖泊的普遍富营养化和随之而来的藻类水华的发生，人们 对过去破坏水生植物的行为有所悔悟，向往昔日草绿水清的湖泊生态景象，并试 图在已经丧失了水生植物富营养化水体中重建水生植被。 许多研究都认为沉水植物占优势时水体水质清澈、生物多样性高。水生植物 在不同的营养级水平上存在维持水体清洁和自身优势稳定状态的机制：水生植物 有过量吸收营养物质的特性，可降低水体营养水平；减少因为风和摄食底栖生物 的鱼类所引起沉积物再悬浮，降低浊度。同时水生大型植物对藻类也存在他感作 用，能抑制浮游植物的生长，从而降低藻类的现存量。水生植物可以显著提高富 营养水体的水质，对有毒的有机污染也有明显的净化作用。恢复以沉水植物为主 的水生植被是合理有效的水质净化和生态系统恢复的重要措施( 金相灿，2 0 0 1 ) 。 基于大型水生植物在去除水体中n 、p 的明显效果和在系统中重要的生态功 能，以及利用大型水生植物进行水生态修复的技术具有低投资、低能耗等优点， 水生植物常常被用来进行水生态修复。多种以大型水生植物为核心的污水处理和 水体修复生态工程技术已被开发，也是近年来环境领域的研究热点之一。 国内一些湖泊的水生植被的恢复与重建从2 0 世纪8 0 年代起，许多国内学者建议 利用高等水生植物来控制、治理藻型富营养化浅水湖泊。李文朝等( 2 0 0 5 ) 在云南 滇池，邱东茹等( 1 9 9 7 ) 和吴振斌等( 2 0 0 1 ) 在武汉的东湖，李文朝( 1 9 9 7 ) 在东 太湖和江苏南部的一些湖泊，尝试利用高等水生植物来控制、治理藻型富营养化浅 水湖泊，已取得了一定的成效。吴芝瑛等( 2 0 0 5 ) 在西湖，利用恢复、重建西湖原有 的沉水植物群落，增加水生生物多样性，修复水生生态系统的结构和功能，降低浮 游植物的初级生产力，使西湖由“藻型浊水状态”向“草型清水状态”转变。李如忠 ( 2 0 0 2 ) 在巢湖水环境生态修复中提出在水深大于0 8 m 的水域种植苦草、黑藻、马来 眼子菜等沉水植物，来恢复和重建湖泊滨岸带生态系统。 国内学者对水生高等植物，尤其是沉水植物在富营养化浅水湖泊生态恢复中所 起的作用已十分肯定。恢复和重建高等水生植物群落己成为藻型富营养化浅水湖泊 的治理和生态修复的关键措施。 1 3 遥感技术在水生植物监测方面的应用 2 0 世纪9 0 年代以来，国外学者开始探索应用遥感技术监测水生植物分布时空变 化与生长状况( o r t h m o o r e ，1 9 8 3 ；w e l c he ta 1 ，1 9 8 8 ；n o h a r a ，1 9 9 1 ；j e n s e n ， 1 9 9 2 ；j e n s e ne ta 1 ，1 9 9 3 ；k i r k m a n ，1 9 9 6 ；s e h m i e d e r ，1 9 9 7 ；y u a n z h a n g ， 2 0 0 7 ) 。j a k u b a u s k a s 等( 2 0 0 0 ) 在美国怀俄明# l g r a n dt e t o n 国家公园的天鹅湖，利 用5 1 2 波段的分光辐射计测量从3 2 6 5 n m 至l j l 0 5 5 3 n m 波段的睡莲光谱反射率变化，同 4 生盘塑蕉盘鲎! q q ! 昼谴堂焦盈盘太型沉丞揎物逢盛些到硒塞 时估计睡莲的盖度，对睡莲的盖度和光谱反射之间的关系进行了定量的研究。h a n 和r u n d q u i s t ( 1 9 9 4 ) 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，发现在6 0 0 9 0 0 n m 范围，水深与金鱼藻反射率的关系为显著负 相关。r o y ( 1 9 9 3 ) 利用l a n d s a t t h e m a t i c m a p p e r 旧可见光( 1 - 3 ) 波段对巴哈马 浅水区域沉水植物进行提取，并建立了灰度值与水草生物量的经验公式，以此评价 海湾南部水草生物量。 ， 我国也先后开展了一些利用航片、卫片对三角洲及三江平原的湿地植被资源 进行遥感调查和分类( 刘振乾等，1 9 9 9 ：张树清等，1 9 9 9 ) 以及对洪湖和鄱阳湖 水生植被资源进行了调查、制图( 张晓阳和蔡述明，1 9 9 1 ；简永兴等，2 0 0 1 、李 仁东和刘纪远，2 0 0 1 ) 。但研究对象多为挺水或浮叶植物，在分类时往往把沉水植 物归为水域或忽略不计，未对沉水植物光谱信息进行深入提取，降低了对水生生 态系统中水生植物资源调查、分类和评估的准确性。 然而与陆生植物及挺水植物不同，沉水植物完全沉于水下，其表面反射的光 谱必须穿过大气水界面，此外水体中浮游植物和其他光学活性成分( 悬浮物、叶 绿素等) 也会改变沉水植物的光谱特性，( h a n r u n d q u i s t ，1 9 9 4 ；g e o r g e m a l t h u s ，2 0 0 1 ：h e e g ee ta 1 ，2 0 0 3 a ；h e e ge ta 1 ，2 0 0 3 b ) ，光谱特征更为复杂。 a e k l e s o n 和k l e m a s ( 1 9 8 7 ) 分别利用l a n d s a t m s s 和t m 影像对澳大利亚东北部 海湾浅水域的沉水植物进行监测比较，提出可以用此技术对沉水植物进行监测。 a r m s t r o n g ( 1 9 9 3 ) 利用l a n d s a tt m 影像分别对巴哈马南部海湾的沉水植物生物 量进行了估算，探讨了建立光谱信息与沉水植物生物物理参数之间的定量关系。 z h a n g ( 1 9 9 8 ) 利用t m 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。d e k k e r 等( 2 0 0 5 ) 和g u u s t r o m 等( 2 0 0 6 ) 利用多 年的l a n d s a tm s s 和t m 影像分别对澳大利亚和坦桑尼亚南部海岸带水草和大型 藻类多年变化进行了监测和时空变化评估。在他们的研究中都提出遥感技术用来 监测大型沉水植物的种类、分布及时空变化的可能性，但传统的宽波段遥感卫星 的光谱分辨率是制约图像解译准确性的主要因素之一，若能利用高光谱遥感技术 则可能较好地解决这一问题。 1 4 高光谱遥感在植被研究中的应用 2 0 世纪9 0 年代后期，伴随着高光谱遥感应用的一系列基本科学问题，如高光谱 成像信息的定标和定量化、成像光谱图像信息可视化及多维表达、图像光谱变换、 大数据量信息处理等，高光谱遥感已由实验研究逐步转向实际应用阶段( 童庆禧等， 1 9 9 7 ；杨哲海等，2 0 0 3 ) 。高光谱遥感数据能大大地改善对植被的识别与分类精度。 华东师范大学2 0 0 7 届博士学位论文大型沉水植物遥感监测研究 单就充分利用植被的光谱信息而言，人们可以通过波段选择筛选不同植被类型光谱 差异极为明显的波段，利用少数几个波段对植被类型进行识别与分类，并为评价植 物长势、估计植被生物量从理论和实践上提供了可靠的保证；也可采用一些数据压 缩技术，重新组合几个综合波段，充分利用植被的光谱信息，以提高植被识别与分 类精度( 陈述彭等，1 9 9 8 ) 。因此，高光谱遥感信息在信息量、波段数、波段相关 性、图谱合一、处理方法、应用模型等方面都具有优于传统全色、多光谱遥感信息 的特点。 1 4 1 植被信息的提取 通过高光谱遥感植被指数技术可以提取植被冠层结构定量信息。蒲瑞良和宫鹏 ( 1 9 9 7 ) 用小型机载成象光谱仪( c a s i ) 测得的的航空高光谱分辨率数据( 光谱 范围约4 1 7 8 0 0 r i m ) ，通过对导数光谱和n d v i 值进行多项式逐步回归分析，估计了 森林族叶化学成分浓度。提出使用光谱方式的c a s i 数据及n d v i 值提取植被信息， 结合光谱微分技术能明显地改善森林族叶化学成分的估算精度。 1 4 2 植被长势监测和估产 高光谱遥感的超多波段( 几十，上百个) 、光谱分辨率高( 3 2 0 r i m ) 的特点， 使其可探测植被的精细光谱信息( 特别是植被各种生化组分的吸收光谱信息) ，反 演各组分含量，监测植被生长状况。 王延颐和高庆芳( 1 9 9 6 ) 用美制的e x o t e c h l 0 0 a 四通道光谱仪在试验田分析 了水稻各生育期( 分蘖盛期、穗分化期、齐穗期、灌浆期及乳熟期) 在一些特征太 阳光谱波段( 4 0 0 h m 、5 0 0 r i m 、6 7 0 r i m 、8 0 0 r i m 、9 0 0 r i m ) 反射波谱特征。牛铮( 2 0 0 0 ) 的实验也已经证明用高光谱分辨率数据能够估计叶子化学成分。t e r e n c e ( 1 9 9 8 ) 还建立了模型l i b e r t y ，通过叶子的光谱数据来监测叶子的生物化学成分。m a t s o n 等( 1 9 9 4 ) 使用a v i r i s 和c a s i 数据证实冠层化学成分携有多种气候区生态系统变 化过程的信息，并建议此类信息可从高光谱数据中得到估计。另外还可运用高光谱 数据的光谱波长“位置”而不是光谱特征值之大小来估计冠层化学特性，提取植被信 息。例如“红边”位置依据叶绿素含量和物候变化能在6 8 0 n m 和7 5 0 r i m 间移动，m i l l e r 等( 1 9 9 0 ) 、c u r r a n ( 1 9 9 0 ) 等从实验室或飞机上获取的高光谱数据中证实了这种 “红边”位移的行为。 植物光谱维方向的特征信息主要集中在由植物叶子中生物化学成分含量的变 化形成的吸收波形处。植物光谱的导数实质上反映了植物内部物质( 叶绿素及其它 6 璺盘竖垂盘茎! q q z 星谴茎焦迨塞 太型通盔植物堡盛堕塑i 班窟 生物化学成分) 的吸收波形变化( 申广荣和王人潮，2 0 0 1 ) 。因而，可以通过植物 的光谱特性监测植物的各种缺素症和病虫害。 a d a m s 和p h i l p o t ( 1 9 9 9 ) 利用a v i r i s 高光谱数据，引入黄色指数来监测胁迫 植物叶子的失绿症。p o n z o n n i ( 1 9 9 9 ) 用s p e c 2 t r o n s e 5 9 0 光谱仪( 光谱波段 4 0 0 9 0 0 a m ) 和l i c o n 积分球研究作物缺氮，磷，钾时的光谱特性，发现在可见光 波段只能检测到作物缺钾时的各种性状。m a l t h u s 和m a d e i r a ( 1 9 9 3 ) 考察了大豆受 蚕豆斑点葡萄孢感染后的光谱反射率变化情况提出可以利用一阶导数来监测病虫 害的感染情况。 运用高光谱遥感还能监测植被受空气污染的状况。h o l e r 等( 1 9 8 3 ) 发现受空 气污染地区多年的叶簇的红边位置比正常叶子向短波方向偏移了5 n m ( 蓝移) 。在某 些植被类型中，蓝移还与重金属含量偏高有关。水稻受重金属铬和铜污染伤害后， 反射光谱发生红蓝移，有效波段为5 4 0 5 8 0 r i m 、6 4 0 6 9 0 r i m 和7 4 0 。8 0 0 r i m ( 田国良， 1 9 9 8 ) 。 1 4 3 光能利用和蒸散 理论和实验都证明植物冠层的光合有效辐射与反射率有联系。高光谱遥感所得 的光合有效辐射( a p a r ) 比叶面积指数( l 越) 能更可靠地估计作物生物量，因 为作物的光合作用过程直接把a p a r 能量转换成千物质，因此a p a r 是作物初级生 产力的一个较好的指标( c h o u d h u r y ，1 9 8 9 ) 。 张良培和郑兰芬( 1 9 9 7 ) 通过分析光合背景物质。土壤光谱信号的特点，认为 利用对光谱信号一阶导数的运算就能对混合光谱中的土壤信号进行压缩，由此计算 a p a g ( 在波长：7 2 6 3 n m 处b ) 能更客观地反映实际。h a l l ( 1 9 9 0 ) 基于反射率曲线的二 阶导数与光合有效辐射a p a r 的相关关系