（生态学专业论文）水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响.pdf

华孽师籀太学2 0 0 7 届研究生硕士学位论文水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响 摘要 沉水植物的恢复是改善富营养化水体和重建水生生态系统的有效措施。应用 遥感技术可以实现实时、大面积监测沉水植物的分布和生长情况。然而水体中的 悬浮物、叶绿素a 等物质以及水体深度等影响沉水植物的光谱特征，直接影响了 对湖泊、河流遥感影像中沉水植物的准确解译。 本研究探讨了水体环境对沉水植物光谱反射率的影响，定量分析了水体环境 因子与沉水植物光谱反射率之间的关系，目的在于修正水体环境条件对沉水植物 反射光谱的影响。 本研究使用美国a s d 公司生产的f i e l d s p e c t mp r oj r 便携式地物光谱仪，在 室外人工控制条件下，分别实测了不同水体悬浮物浓度、不同叶绿素a 浓度和不 同深度条件下的沉水植物黑藻( h y d r i l l av e r t i c i l l a t a ) 群落的光谱反射率。不同水 体环境条件下的沉水植物光谱反射曲线均具有陆生植被的反射光谱特征，在蓝光 波段和红光波段具有吸收波谷，在绿光波段出现绿峰现象，而在近红外波段出现 双峰现象，但没有出现典型陆生植被光谱曲线的高原反射区特征。在深度为3 0 c m 处的沉水植物近红外波段的光谱反射率要比可见光部分要低，而当沉水植物深度 减小时，其光谱反射率可见光部分要小于近红外部分，随着深度的增加，沉水植 物可见光波段的光谱反射率要大于近红外波段。 本研究分析了水体环境条件对沉水植物反射光谱的影响，随着水体悬浮物浓 度和水体叶绿素a 浓度的增加，沉水植物的光谱反射率增大，随着沉水植物对于 水面距离的减小，沉水植物的光谱反射率增大。由于沉水植物反射光谱在小于 4 0 0 r i m 和大于9 0 0 n m 受干扰的影响较大，所以本研究选择4 0 0 - - 9 0 0 r i m 波段范围 内的光谱数据。通过相关分析发现，水体环境条件对沉水植物光谱反射率的影响 均为多波段的。根据对电磁波区段划分的4 个波段范围( 蓝光波段：4 3 0 - - 4 7 0 n m ； 绿光波段：5 0 0 - 5 6 0 n m ；红光波段：6 2 0 0 6 0 n m ；近红外波段：7 6 0 9 0 0 n m ) ，分 别建立水体悬浮物浓度、水体叶绿素a 浓度以及水体深度与其自身光谱反射率的 回归方程，并分别得到了针对水体悬浮物、叶绿素a 和深度影响沉水植物光谱反 射率的修正公式，以消除水体环境条件对沉水植物反射光谱的影响。 在研究修正单一环境因子对沉水植物反射光谱影响的同时，也研究了水体中 同时存在的多个环境因子对沉水植物反射光谱的影响，利用m a t l a b 软件得到了 可以修正水体悬浮物和水体叶绿素a 影响的综合修正公式，以实现对沉水植物反 射光谱影响的水体环境综合修正。 根据本项研究结果，对富含悬浮物、叶绿素a 水体中沉水植物反射光谱迸行 修正，可以消除水体中悬浮物、叶绿素a 浓度对沉水植物反射光谱的影响，进而 华孽师嚣太季2 0 0 7 届研究生硕士学位论文水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响 为准确、快速和大尺度遥感监测沉水植物的分布和动态变化提供科学依据和技术 方法。 关键词：沉水植物，黑藻，悬浮物浓度，叶绿素a 浓度，深度，光谱反射率，地 物光谱仪 华- 辱师嚣太擘2 0 0 7 届研究生硕士学位论文水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响 a b s t r a c t t or o t a ) n s t r u e ts u b m e r s 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 n l e a s u r ef o rr e s t o r i n ge u t r o p h i c a t e dl a k e sa n dr i v e r s r e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g yc a l l b eu s e dt om o n i t o rt i m e l yt h ed i s t r i b u t i o na n dg r o w t hs i t u a t i o no fs u b m e r s e d v e g e t a t i o no nal a r g es c a l e h o w e v e r , s u s p e n d e dm a t t e r si nw a t e r sm a ya f f e c tt h e s p e c t r a lc h a r a c t e ro fs u b m e r s e dv e g e t a t i o n , a n dt h e r e f o r e ，a f f e c tt h ea c c u r a c yo f m o n i t o r i n ga n dc l a s s i f i c a t i o no ft h es u b m e r s e dv e g e t a t i o nu s i n gr e m o t es e n s i n g i 五a a g e s t h eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d yi st oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so ft h ew a t e rc i r c u m s t a n c e c o n d i t i o no nt h er e f l e c t a n c eo ft h es u b m e r s e dv e g e t a t i o n ，a n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e t h et e l a t i o nb e t w e e nt h ew a t e rc i r c u m s t a n c ec o n d i t i o na n dt h er e f l e c t a n c eo ft h e s u b m e r s e dv e g e t a t i o n i nt h i ss t u d y , w ec h a n g e dt h ee o n c e n t r a t i o u so fs u s p e n d e dm a t t e r , t h e c o n c e n t m t i o u so fc h i o r o p h y haa n dt h ed e p t h so fs u b m e r g e dv e g e t a t i o ni nt h ew a t e r f i r s t l y t h e nw em e a s u r e dt h es p e c t r a lr e f l e c t a n c eo fh y d r i l l av e r t i c i l l a t a ，a s u b m e r s e dp l a n tu s i n gag r o u n df i e l d s p e cp r oj rs p e c t r o r a d i o m e t e ra b o v et h ew a t e r s u r f a c eu n d e rt h ed i f f e r e n tw a t e rc o n d i t i o n t h es p e c m u nr e f l e c t a n c ec t l r v e so ft h e s u b m e r s e dv e g e t a t i o nf o r m e dat y p i c a lv e g e t a t i o nc r e v ci nt h ed i f f e r e n tw a t e r c o n d i t i o nl i k et h el a n dv e g e t a t i o n , w i t has m a l lp e a ka tt h eg r e e nb a n d ，t w op e a ka tt h e n e a r - i n f r a r e db a n da n dt w ol o wi n t e n s i t ya b s o r p t i o na r e a si nt h eb l u eb a n da n dr e d b a n d t h er e f l e c t a n c eo ft h es u b m e r s e dv e g e t a t i o na tt h e3 0c mb e l o wt h ew a t e r s u r f a c ei nt h ev i s i b l es p e c t r u mw a sl e s st h a nt h a tb e y o n dt h e7 0 0n i n w h e nt h ed e p t h o f t h es u b m e r s e dv e g e t a t i o nw a sd e c r e a s e d , t h er e f l e c t a n c ei nt h en e a r - i n f i - a r e dw o u l d b eh i g h e rt h a nt h a ti nt h ev i s i b l es p e c l n m a b ya n 矗l y z m gt h ee f f e c to fw a t e rc o n d i t i o no nt h es p e , c t l h mr e f l e c t a n c ec l l 】w s ， w ec o u l df i n dt h a tt h er e f l e c t a n r eo ft h es u b m e r s e dv e g e t a t i o nw o u l di n c r e a s e dw i 也 t h es u s p e n d e dm a t t e rc o n c e n t r a t i o n s ，t h ec h l o r o p h y l lac o n c e n t r a t i o n si n c r e a s i n g ，a n d t h e d e p t ho ft h es u b m e r s e dv e g e t a t i o nd e c r e a s i n g d u e t oa no b s e r v e dl o w s i g n a l - t o - n o i s er a t i oa tw a v e l e n g t hs h o r t e rt h a n4 0 0n n la n dl o n g e rt h a n9 0 0n n l ，o n l y r c f l e c t u n c cc a l c u l a t e db e t w e e n4 0 0a n d9 0 0n mw a su s e d t h ec o r r e l a t i o na n a l y s i s r e s u l ts h o w e dt h a tt h ew a t e rc o n d i t i o na f f e c t e dt h er e f l e c t a n c eo ft h es u b m e r s e d v e g e t a t i o na tm a n yb a n d s b a s e dt h e4b a n d so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e ( t h eb l u e b a n d ：4 3 0 , - - 4 7 0 n m ，t h eg r e e nb a n d ：5 0 0 - 5 6 0 n m , t h er e db a n d ：6 2 0 - v 7 6 0 n m ，t h en e a r i t f f x a r e db a n d ：7 6 0 - 9 0 0 n m ) ，w eg o tt h er e g r e s s i o na n a l y s i sb e t w e e nt h es u s p e n d e d 华孽炜嚣太雪2 0 0 7 届研究生硕士学位论文水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响 m a t t e rc o n c e n t r a t i o n s 。t h ec h l o r o p h y l lac o n c e n l 枷o m ，t h ed e p t h so ft h es u b m e r s e d v e g e t a t i o na n dt h e i rr e f l e c t a n c e n 他r e g r e s s i o ns h o w e dac l e a rl i n e a rr e l a t i o n s h i p ， w h i c hc o u l dc o r r e c tt h ee f f e c to ft h ew a t e rc o n d i t i o no nt h er e f l e c t a n c es p e c t r u mo f t h es u b m e r s e dv e g e t a t i o na ts o m es p e c t r u mb a n d s a f t e rs t u d y i n gt h ec o r r e c t i o no ft h es i n g l ew a t e re o n d h i o ne f f e c t0 1 1t h e r e f l e c t a n c eo ft h es u b m e r s e dv e g e t a t i o n , w es t u d i e dt h ee f f e c to ft h et w ow a t e r c o n d i t i o no nt h er e f l e c t a n c eo ft h es u b m e r g e dv e g e t a t i o n w eg o tt h ei n t e g r a t i v e f o r m u l at oc o r r e c tt h ee f f o r to fw a t e rs u s p e n d e dm a t t e rc o n c e n t r a t i o n sa n dt h e c h l o r o p h y l lac o n c e n t r a t i o n so i lt h er e f l e c t a n c eo ft h es u b m e r s e dv e g e t a t i o n , w h i c h r e a l i z e dt h ei n t e g r a t i v ec o r r e c t i o no ft h ew a t e rc o n d i t i o n se f f o r to nt h er e f l e c t a n c eo f t h es u b m e r s e dv e g e t a t i o n 1 1 1 er e s l l l to ft h i ss t u d yc o u l db ea p p l i e dt oc o r r e c tt h ea f f e c t i o no ft h ew a t e r c i r c t t m s t a u c ec o n d i t i o no nt h er e f l e c t a n c eo ft h es u b m e r s e dv e g e t a t i o n ，l i k et h ew a t e r s u s p e n d e dm a t t e rc o n c e n t r a t i o n s ，t h ec h l o r o p h y l lac o n c e n t r a t i o n sa n dt h ed e p t h so f t h es u b m e r s e dv e g e t a t i o n 1 1 1 ei m p l i c a t i o n so ft h i si nt e r m so ft h ea b i l i t yo fr e m o t e s e n s i n gt od i s t i n g u i s ha 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 fs u b m e r s e d v e g e t a t i o no n al a r g es c a l ea r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：s u b m e r s e dp l a n t , h y d r i l l av e r f i c i l l a t a , s u s p e n d e dr o a r e r , c h l o r o p h y l la ， w a t e rd e p t h , s p e c t r a lr e f l e c t a n c e , s p e e t r o r a d i o m e t e r 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。 名：样日期碑徊，咽 学位论文使用授权声明 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 日 导师签名： 华，毒! 唪菇太学2 0 0 7 届研究生硕士学位论文水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响 第一章绪论 水是人类赖以生存和社会经济发展最基本的物质基础。近十几年来，随着我 国经济的快速发展，我国水环境污染日益严重。水污染的加重，致使水体水质恶 化，高等水生植物消亡，鱼类绝迹，生物多样性下降，这一系列的连锁反应导致 了水生生态系统的破坏，水生生态系统的破坏对人类的生命资源水造成了巨 大的威胁。作为一个水资源紧缺的国家，水环境污染将成为影响和制约我国社会 经济持续快速稳定健康发展的重要因素之一。因此对水生态系统进行修复，寻找 恢复健康水生生态系统的途径成为国内外学者研究的热点之一( 吴振斌等，2 0 0 3 ； k a r le ta 1 ，2 0 0 4 ) 。大型水生植物是水生生态系统的重要组成部分，不仅具有较高 的生产能力和经济价值，而且具有较强的环境生态功能。大型水生植物的修复， 特别是沉水植物的修复，有利于维持良性的水生生态系统，并能在较长时间内保 持水质的稳定。因此许多学者提出恢复高等水生植物是水生生态系统修复的关 键，是重建富营养湖泊生态系统的重要措施( 陈开宁等，2 0 0 6 ；吴振斌等，2 0 0 1 ) 。 大型水生植物( a q u a t i cm a e r o p h y t e ) 是指生理上依附于水环境、至少部分生 殖周期发生在水中或水表面的植物类群。大型水生植物即除小型藻类以外所有的 水生植物类群。永生植物在分类群上由多个植物门类组成，包括非维管束植物， 如大型藻类和苔藓植物；低级维管束植物，如蕨类和蕨类同源( f e r na l l y ) 植物； 以及最高级的维管束植物种子植物。主要是维管束植物，其中被子植物占绝 大多数，典型的水生植物多为被子植物中的单子叶纲植物( 刘建康，1 9 9 9 ) 。 水生植物是生态学范畴的类群，是不同分类群植物通过长期适应水环境而形 成的趋同性生态适应类型。水生植物生活型代表了水生植物对水环境的不同适应 程度。水生植物按生活型一般分为：湿生植物、挺水植物、浮叶植物和沉水植物。 水生植物有挺水、浮叶、湿生和沉水生活型。( 刘建康，1 9 9 9 ) 。 一般而言，在一个自然的水体中，水生植物的分布规律是自沿岸带向深水区 作同心圆式分布，各生活型带间是连续的，从沿岸带至湖心方向各生活型的位置 依次为：湿生植物、挺水植物、浮叶植物和沉水植物。目前，利用大型水生植物 对水体环境进行改善的研究主要集中于以下四个方面：( 1 ) 在其生长繁殖过程中 从水中吸收营养盐改善水质的研究；( 2 ) 加速截留在根系周围的有机胶体或悬浮 物的分解矿化；( 3 ) 扎根于底质，通过对底质的固定作用抑制底质再悬浮造成的 营养盐释放的研究；( 4 ) 通过分泌化感物质及竞争营养、阳光抑制其他藻类生长 繁殖的研究。 已有的研究表明( 朱斌等，2 0 0 2 ) ，水体中的高等水生植物，在生长过程中， 需要吸收大量的n 、p 等营养元素，可以吸收底泥和水中的营养物质，当水生植 竿j 宝师蒋太学2 0 0 7 届研究生硕士学位论文水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响 物被运移出水生生态系统时，被吸收的营养物质随之从水体中输出，从而达到净 化水体的作用。水生植物群落的存在，为微生物和微型生物提供了附着基质和栖 息场所，水生植物的光和作用也可以为微生物活动提供氧气，植物的根际分泌物 则为根周围的有益微生物提供一个稳定的生境，黏附在植物根、茎和叶上的微生 物和游离微生物分解水中的有机物质，还可以大大的加速对有机胶体等悬浮物质 的分解矿化。浮水植物能形成一道密集的过滤层，当水流经过时，不溶性胶体会 被根系黏附或吸附而沉降下来，且能把悬浮性的有机物和新陈代谢产物沉降下 来。水生植物和浮游藻类在营养物质和光能的利用上是竞争者，前者个体大、生 命周期长，吸收和储存营养盐的能力强( 全为民等，2 0 0 3 ) ，能很好的抑制浮游 藻类的生长( s c h e f f e r ，1 9 9 9 ) 。某些水生植物根系还能分泌克藻物质，达到抑制 藻类生长的作用( 鲜放明等，2 0 0 5 ) 。 沉水植物在水生生态系统中有着不可替代的作用。沉水植被修复后，水质明 显改善，透明度大大提高，生物多样性增加。但在水生植被修复中，沉水植物的 重建和修复要难于挺水、浮水和浮叶植物。因此沉水植物的重建和修复是湖泊治 理和生态修复的关键技术( 徐德兰等，2 0 0 5 ) 。 1 1 沉水植物生态功能及其应用的研究进展及意义 沉水植物是水生植物的一种生活类型，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。在湿生植物、挺水植物、浮 叶植物和沉水植物四种水生植物生活型中，只有沉水植物是完全的水生植物，其 器官形态和构造都是典型水生性的( 刘建康，1 9 9 9 ) 。 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( 王卫红等， 2 0 0 6 ) ，占据了水生态系统中水和底质的界面，是水体两大营养库间的有机结合 部( 李伟等，1 9 9 2 ) ，不仅为鱼类、贝类提供食物和栖息场所，产生氧气，而且 在生长季节，沉水植物还可以吸收氦和磷元素，去除富营养的氮素，抑制水体藻 类的产生，对水体生态系统过程具有重要的影响。目前，对于沉水植物的研究目 前主要有以下方面： 1 1 1 沉水植物在水体生态系统中的生态作用研究 沉水植物作为水域生态系统中的重要组成部分，根扎于泥中，全株沉没于水 面以下，受光照、透明度的影响较大，是湖泊生态系统重要的初级生产者，其存 在和消亡对湖泊生态系统的结构和功能有很大的影响。宋碧玉等研究发现，通过 有效增加空间生态位、抑制生物性和非生物性悬浮物、改善了水下光照和溶氧条 2 华毒师花太学2 0 0 7 届研究生硕士学位论文水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响 件。另外沉水植物还直接为水生动物提供食物，为形成复杂的食物链提供了食物、 场所和其他必要的条件，也间接的支持了肉食和碎食食物链，而且还为水生动物 提供了栖息生境和繁殖场所及避难场所，是水体生物多样性赖以维持的基础( 宋 碧玉等，1 9 9 9 ) ，沉水植物的正常生长有利于维持整个水域生态系统的稳定。沉 水植物表面还着生有大量藻类、原生动物和螺类等，一旦沉水植物消失，将使得 水体生物群落结构发生改变，即食物链缩短，水体中螺类、草食性鱼类和凶猛性 鱼类等减少或消亡，滤食性鱼类增加( v e c e h i ae ta 1 2 0 0 5 ) 。宋碧玉等利用在武 汉东湖的中型围隔来研究沉水植被的重建与消失对原生动物群落的影响。结果表 明：沉水植被重建后，一些原已消失的种类重又出现，原生动物种类增加，密度 增加，多样性指数增高，优势种类由固着种类取代浮游种类( 宋碧玉等，2 0 0 0 ) 。 刘保元等研究也表明，在人工恢复沉水植物后，水质得到明显的改善，底栖动物 群落结构发生明显的变化，其种类、个体密度和生物量增加，软体动物重新出现， 生物多样性提高( 刘保元等，1 9 9 7 ) 。 1 1 2 沉水植物在水体净化和修复中的应用价值研究 与湿生植物、挺水植物、浮叶植物三种生态类型水生植物相比，沉水植物具 有较强的水体净化能力。沉水植物的茎、叶和表皮都与根一样具有吸收作用，且 皮层细胞含有叶绿素，有进行光合作用的功能。这种结构对水体中营养盐类的吸 收、降解及对重金属的浓缩富集都有很强的作用，而且沉水植物具有过量吸收营 养物质的特性( 刘建康，1 9 9 9 ：范国兰等，2 0 0 5 ) ，因此大大降低了水体n 、p 等富营养物质和重金属的含量( 马凯等，2 0 0 3 ：k e s k i n k a n ，2 0 0 4 ) 。另外沉水 植物随水流而形成的弹性扭曲现象会影响流水的速度，去除水中的悬浮颗粒物 ( s t e p h a n e t a l 2 0 0 2 ) ，减少了因为风和摄食底栖生物的鱼类所引起的沉积物再 悬浮，降低了水体浊度( s c h i v e r e ta 1 ，1 9 9 4 ：s e h i v e r e ta 1 ，1 9 9 5 ) 。实验证明， 大型沉水植物不但能够通过竞争光照和营养而抑制浮游植物，还可以分泌相克物 质克制其他藻类。 当水质富营养化的时候，沉水植物消失，浮游植物大量增加。因此富营养化 水体的生态恢复措施之一是恢复和维持水生植物占优势的状态。沉水植物系统的 存在有利于湖泊富营养化的防治( 宋碧玉等，1 9 9 9 ) ，沉水植被恢复后，水质明 显改善，透明度大大提高，消失的鱼类重新出现( a n n a d o t t e r , 1 9 9 9 ) 。通过野外 生态围隔沉水植物恢复试验发现，在植被恢复后围隔水体自净能力大大加强( 邱 东茹等，1 9 9 7 ) ，恢复以沉水植物为主的水生植被是改善富营养湖泊水质和重建 生态系统的有效措施( 吴振斌等，2 0 0 1 ) 。 华孽师茹天学2 0 0 7 届研究生硕士学位论文水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响 1 1 3 沉水植物对水生态系统的过程影响 沉水植物作为水体中较大的生物类群，对水体物理环境的改变显著。沉水植 物对水下光场影响显著，不同沉水植物的消光系数差异较大，最大可相差4 倍。 沉水植物区的垂直温差可达1 0 m - 1 ，而邻近的无植被区为0 2 c m - 1 。这种种间差 异造成对沉水植物群丛中共生种和植株上着生生物的生长环境差异。沉水植物能 减缓风浪，有利于保持小颗粒底质的稳定性，增加碎屑的沉积量，从而提高水体 的透明度。沉水植物的生长代谢对环境的生物地球化学过程影响尤为显著。沉水 植物较浮叶植物更能有效地提高水体的溶解氧水平，并能显著的影响p h 、无机碳 形态和含量等( 刘建康，1 9 9 9 ) 。 沉水植物对水生态系统演替的影响，研究表明随着水体营养水平的提高，沉 水植物首先发生演替，生产力和周转速度低的莲座型植物为大叶冠层型代替，以 后可能又被裂叶种取代，最后出于藻类的竞争优势的扩大而走向消亡。随着沉水 植物消失，一旦浮叶和挺水植物开始克服水深限制在沿岸带形成群落，湖泊便会 迅速开始沼泽化。 1 2 水体环境对沉水植物的影响 水体环境对沉水植物的影响分为非生物环境和生物环境两个方面。非生物环 境包括悬浮物的浓度、水体光强、水体的透明度、水温和营养水平等；生物环境 包括着生藻类、渔业的鱼类放养和收割水草等。沉水植物的生长状况及其分布受 到一系列生物和非生物因素的影响。 1 2 1 非生物环境因子对沉水植物的影响 沉水植物的生产力、分布和种类结构受到一系列环境因素的调控，其中光强、 温度、矿质元素一般被认为是最重要的理化因子。光是沉水植物生长的能量来源， 光强可以影响植物的光合作用，从而影响植物的生长。水体光强，特别是光合作 用有效辐射是沉水植物的必需环境因子。研究发现藻型富营养化湖泊较低的透明 度是制约沉水植被恢复的关键因子( 张圣照等，1 9 9 8 ) ，当水深与透明度的比值 达n 5 2 6 时，绝大多数水草的生长受到威胁，应该维持适当的水位高度( 陈中义 等，2 0 0 0 ) 。倪乐意等研究发现水深1 3 m 的微齿眼子菜叶绿素含量最高( n ie ta 1 ， 1 9 9 9 ) 。薛维纳证明了5 0 0 1 u x 以下光强就会抑制黑藻生长( 薛维纳，2 0 0 1 ) 。 水温对沉水植物的影响较陆生植物的影响要弱，但其对植物的季节生长的影 4 年喜师箍土季2 0 0 7 届研究生硕士学位论文水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响 响却很明显。水温决定植物的萌发、生长量和最大生长，有时还决定开花和休眠 期。高键等发现温度对萌发后两周的菹草幼苗的生长有明显的影响，2 0 c 时幼苗 正常生长，1 0 时幼苗生长缓慢( 高健等，2 0 0 5 ) 。 矿质营养水平对沉水植物的生长的重要性一向是被关注和强调的重点。王斌 等研究了不同n 、p 浓度条件下竹叶眼子菜( p o t a m o g e t o nm a l a i a n u s ) 的生理反应， 发现竹叶眼子菜对氮、磷浓度变化虽有一定耐性，但耐性会随着时间延长而变弱 ( 王斌等，2 0 0 2 ) 。 1 2 2 生物环境对沉水植物的影响 着生藻类( p e r p h y t i ca l g a e ) 常与周丛动物、细菌及有机碎屑一同组成水草 表面的覆盖物，不仅是水体动物网的重要环节，被水生动物利用，而且影响着水 草的生长和发育。着生藻类不仅大大削弱了到达沉水植物表面的光照和营养物浓 度，其代谢产物还对水生植物的光合作用具有抑制作用。由文辉对淀山湖5 种沉 水植物体上着生藻类群落密度进行了研究发现着生藻类密度和生物量最高的沉 水植物，往往过早凋落( 由文辉等，1 9 9 9 ) 。 鱼类放养对沉水植物的影响。渔业活动对沉水植物的生长和群落结构产生影 响，渔业强度较高时对植被产生直接的牧食和间接破坏效应，过量放养鱼类，则 导致水草的减少甚至灭绝。草食性鱼类以水体中的水草为食物，大量放养草食性 鱼类加速了永体富营养进程中水生植被特别是沉水植被的衰退，永生植物种类大 量减少，使湖泊迅速由草型转为藻型( 邱东茹等，1 9 9 8 ) ，水体的透明度会越来 越低，水下光照越来越少，沉水植物的恢复更加困难。 1 3 高光谱遥感技术的研究进展 2 0 世纪8 0 年代遥感领域最重要的发展之一就是高光谱遥感的兴起。从2 0 世纪9 0 年代开始，高光谱遥感已成为国际遥感技术研究的热门课题和光电遥感 的最主要手段。高光谱遥感( h y p e r s p c c t r a lr e m o t es e n s i n g ) 是指利用光谱分辨 率高的电磁波波段获取物体有关数据的技术( 蒲瑞良等，2 0 0 0 ) ，其特点是光谱 分辨率高( 5 l o n m ) ，波段连续性强( 在4 0 0 - - 2 5 0 0 n m 范围内有几百个波段) 。 高光谱遥感器既能对目标成像( 有时也称为成像光谱遥感) ，又能测量目标物的 波谱特性。高光谱遥感可以在特定光谱域内以高光谱分辨率同时获取连续的地物 光谱图像，使得遥感应用着重于在光谱维上进行空间信息展开，获得更多的精细 光谱信息，定量分析地球表面生物物理化学过程和参数( 郑兰芬等，1 9 9 5 ) 。高 光谱遥感可以在电磁波的紫外、可见光、近红外、中红外以至远红外区域，获取 华毒师菇天擘2 0 0 7 届研究生硕士学位论文水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响 许多非常窄且光谱连续的图像数据。这种高光谱维上的成像可以通过图像一光谱 重建技术提取地图上任何一种地物的类似实验室的光谱曲线，如此便为地物的光 谱识别奠定了信息基础。高光谱分辨率遥感，特别是超多波段成像光谱技术的发 展，使得遥感在常规的多光谱基础上向着遥感信息的定量化和识别模型方向又前 进了一步。由于是超多波段成像，若以波长为横轴、灰度值作纵轴，高光谱图像 上每一个像元点在各通道的灰度值都可形成一条精细的光谱线，这样就可构成了 独特的超多维光谱空间( 唐延林等，2 0 0 1 ) 。 1 3 1 高光谱遥感技术的应用前景 高光谱遥感的发展历史虽然只有短短的二十几年的时间，但在很多国家，很 多领域已得到了越来越广泛的应用，尤其是在地质和植被方面，该技术成为对目 标地物进行定性，特别是定量研究、调查的一种重要手段。 1 3 1 1 地质中的应用 高光谱遥感在地质上的应用，主要是利用矿物的光谱吸收特征参数包括吸收 波段波长位置，深度、宽度、斜率、对称度、面积和光谱绝对发射值等，从中获 取矿物的各种定性、定量信息，进行岩石矿物的分类、填图和矿产勘察( c h a b r i l l a t e ta 1 ，2 0 0 0 ) 。张宗贵等从岩矿光谱特性的研究入手，通过光谱特性识别原则，利 用机载的可见光、近红外及短波红外成像数据，开展成像光谱遥感矿物识别的实 验研究。实验识别的矿物有绿泥石，绿帘石、橄榄石、绢云母、滑石等，结果表 明通过矿物光谱特征分析与其识别原则进行成像光谱遥感矿物识别获得了很好 的效果( 张宗贵等，2 0 0 3 ) 。吴继友等通过研究山东招远金矿区赤松针叶反射光 谱红边的季节特征，来探测林下金属矿藏的有无( 吴继友等，1 9 9 7 ) 。 1 3 1 2 在生态和植被中的应用 在生态和植被中的应用是高光谱的另一个重要的应用。植被遥感由来已久， 早期的研究主要集中在植物及土地覆盖类型的识别、分类与专题制图等。随后则 致力于植物专题信息的提取与表达方式上，提出了多种植被指数，并利用植被指 数进行植被宏观监测、生物量估算。随着定量遥感的逐步深入，植被遥感研究已 向更加实用化、定量化方向发展( 赵荚时等，2 0 0 3 ) 。植物叶子中的水、叶绿素、 辅助色素、纤维素、木质素和其他组成成分与植物冠层结构相结合构成植被的光 谱反射率。高光谱植被遥感可以用于大尺度上植被的识别、分类，还可以通过植 被物理、化学参数实现对植物生化成分( 叶绿素a 、淀粉、水分、氮、磷等的含 量) 及其物理特征物理量的估测( 张金恒等，2 0 0 3 ；张霞等，2 0 0 3 ；赵德华等， 2 0 0 3 ) 。其中常用的有：植物的“红边”效应和植被指数。前者是植物光谱曲线 最典型的特征，能很好的描述植物的健康及色素状态。后者常用的包括叶面积指 6 年毒炜菇太亏2 0 0 7 届研究生硕士学位论文水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响 数l a i 、归一化植被指数n d v i 等。l 越是植物生态学研究中一个非常重要的指 标，于生物量和植物长势均有密切关系，是估计植物光合作用、叶子凋落以及固 氮等过程的重要参量，是植物生长模型中的一个非常关键的变量，可以用来模拟 植物的生长过程，估算植物的生产能力。归一化植被指数n d v i 是植物的生长状 态及其空间分布密度的最佳指示因子( 浦瑞良等，2 0 0 0 ) 。 1 3 1 3 环境以及土壤调查的应用 高光谱遥感技术目前主要研究和应用领域为地质和植被方面，在环境以及土 壤调查方面还不是很多。在环境监测方面可以用来监测水体叶绿素a 含量( 刘英， 2 0 0 3 ) 和水体悬浮物浓度( 李素菊等，2 0 0 3 ) 等。在土壤调查方面已有研究开始 探索应用高光谱遥感技术反演土壤重金属含量( 刘华等，2 0 0 7 ) 。 上述高光谱应用研究可以表明，高光谱在对地球表面物质特征的识别上具有 多光谱不可比拟的能力。对于高光谱遥感技术的上述应用目前已获得了世界各国 的广泛重视，许多国家都在进行成像光谱卫星、高光谱遥感仪器的研究。如美国 的e o s 计划中已发射成功的m o d i s 卫星，4 0 0 1 4 0 0 n m 的电磁波谱范围内具有 3 6 个光谱通道，e o s i 在4 0 0 2 5 0 0 n m 范围内有4 8 6 个波段，e o _ l 卫星携带的 h y p e r i o n 高光谱仪的在4 0 0 2 5 0 0 n m 范围内具有2 3 3 3 0 9 个波段；我国也先后研 制出了多种成像光谱仪：如1 2 8 个波段的o m i s i 、6 8 个波段的0 m i s - i i 等。 随着新一代高光谱传感器搭载于卫星、高光谱传感器空间分辨率的提高和对高光 谱应用研究的进一步深入，高光谱遥感技术将在更多领域得到更加广泛的应用。 1 3 2 地物波谱特性研究的现状和进展 地物的光谱特征研究是现代遥感技术的重要组成部分，它既是传感器波段选 择和设计的依据，是遥感数据分析解译的基础，信息提取和目标识别的根据，有 是定量遥感技术与应用发展的先决条件。地物波谱的测试作用有：传感器波段选 择、验证、评价的依据；建立地面、航空和航天数据的关系；将地物光谱数据直 接与地物特征进行相关分析并建立应用模型( 王静等，2 0 0 3 ) 。 自1 9 4 8 年原苏联的克里诺夫出版了有关地物光谱特性研究方面的书籍以 来，人们开展了大量的地物光谱特性研究。6 0 年代美国为发射地球资源卫星曾 全面她开展了地物波谱特性研究。7 0 年代该项研究进入了高潮。目前研究的波 段基本覆盖了遥感所使用的波段，测量和研究的对象包括了自然界的植被、土壤、 岩石、水体和人工建筑等地物( 高占国等，2 0 0 6 ；袁琳等，2 0 0 6 ；e l ee ta 1 ，2 0 0 6 刘华等，2 0 0 7 ；) 。利用高光谱非成像光谱( 辐射) 仪，在野外测量地质矿物、植 物或其他物体的光谱反射率、透射率及其他辐射率，有三个方面的作用：野外光 谱数据可用来建立和测试描述表面方向性光谱反射和生物物理属性的关系；野外 7 华毒师转太学2 0 0 7 届研究生硕士学位论文水体环境对大型沉水植物反射光谱的影响 光谱测量可用来描述表面反射特征，以便为航空和航天传感器定标：在不需要图 像数据时，光谱测量或低空测量是一种成本低廉、灵活的数据获取方法( 浦瑞良 等，2 0 0 0 ) 。对这些大量地球表面物质的光谱测量表明，不同的物体会表现出不 同的光谱反射和辐射特征，这些特征引起吸收峰和反射峰的波长宽度在5 - 5 0 n m 左右，其物理内涵是不同的分子、原子和离子的晶格振动，引起不同波长的光谱 反射和吸收，从而产生不同的光谱特征。运用具有高光谱分辨率的仪器，通过获 取图像上任何个像元或像元组合所反映的地球表面物质的光谱特征，经过计算 机的图像处理，就能达到快速区分和识别地球表面物质的目的( 钱乐祥等，2 0 0 4 ) 。 这些研究对人们认识遥感成像机理、遥感图像解译、计算机分类、遥感仪器 最佳波段选择和遥感仪器的研制均起到了推动作用。随着遥感技术应用的深入， 遥感信息与地物相互作用的研究有了进一步的发展，已有研究发现，通过利用高 光谱非成像地物光谱仪所得到的光谱信息可以建立模型定量反演土壤的重金属 含量( 刘华等，2 0 0 7 ) ，可以根据盐沼植被反射光谱信息对盐沼植被进行分类( 高 占国等，2 0 0 6 ) ，可以根据光谱特征对沉水植物的生物量进行监测( y u a n 毗a 1 ， 2 0 0 7 ) 等。另外成像光谱仪的应用，不仅显示了地物光谱特性研究的重要性，而 且也推进了这一领域的研究，因为它可以获得图谱合的信息，可以直接将地物 波谱特性和遥感图像结合在一起，在图像分析和应用方面都取得了很好的结果。 张霞等利用实用型模块化成像光谱仪( o m i s ) 在北京小汤山地区获取了航空高 光谱遥感图像，对图像进行了精确的几何纠正和反射率转换，提取出了4 3 条小 麦图像光谱与地面叶片全氮含量数据相对应，运用红边、光谱吸收特征分析方法 和逐步回归算法，选择和设计了叶片全氦反演的特征波段和特征参数，并进行了 全氮含量填图，经验证，全氮含量填图的值域和分布与地面调查和测量结果一致 ( 张霞等，2 0 0 3 ) 。 在地物波谱特性研究的范围上，人们从技术上开始由可见光、红外、短波红 外波段向热红外和微波波段范围拓展，理论上从定性逐步走向定量，应用上从资 源环境深入到经济、社会诸多领域( 田庆久等，2 0 0 2 ) 。随着热红外和微波遥感 仪器的应用，这两个波段范围的地物波谱特性显得越来越重要。热红外波段的地 物波谱特性和热红外发射率特性都成为目前研究的重点；而在微波波段，自7 0 年代初期开展的介电特性研究开始，人们开展了大量的微波辐射特性、散射特性、 穿透特性和极化特性的研究，这对人们认识地物在微波波段内的基本特性起了推 动作用。随着这二组波段内新型遥感仪器的使用，对其研究的要求更加迫切、必 将推动这一研究的进展。 在地物波谱的测试研究和理论模型研究中，尽管人们发展了许多遥感信息模 型，如土壤水分监测模型、植被叶绿素a 评价( 张金恒