基于CNN和SVM的地面高光谱遥感草地植物识别

物候期和识别模型的选择直接影响植物识别的精度。本研究以蒿类荒漠草地主要植物伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)、角果藜(Ceratocarpus arenarius)以及裸地为识别对象,选择4月、6月、9月3个时期,通过SOC 710 VP高光谱成像仪采集草地群落高光谱数据,在分析地物光谱反射率差异的基础上,利用最佳指数因子(OIF)筛选特征波段,通过卷积神经网络(CNN)和支持向量机(SVM)建立识别模型。结果表明：1)不同物候期的伊犁绢蒿与角果藜在可见光波段均表现为“低-高-低”的光谱反射率趋势,并随月份增加峰谷现象逐渐不明显;红边波段这两种植物表现出快速上升;在NIR平台区4月各识别对象间反射率大小差异最明显。2)利用OIF筛选的识别波段组合在月份间表现一致,为638.64、789.49和923.79 nm。3)在识别精度上,SVM> CNN;4月> 9月> 6月;裸地>伊犁绢蒿>角果藜。综合来看,采用SVM在4月对蒿类荒漠草地主要植物进行识别的精度最高,为92.12%。     

基于高光谱成像技术的伊犁绢蒿荒漠草地主要植物识别参数的筛选

为获得伊犁绢蒿荒漠草地主要植物最佳识别参数，本研究利用SOC710 VP成像光谱仪于4月采集群落影像，以伊犁绢蒿（Seriphidium transiliense）、角果藜（Ceratocarpus arenarius）、叉毛蓬（Petrosimonia sibirica）和裸地为识别对象，基于光谱学响应与峰谷特性选取8个位置参数、2个面积参数、4个植被指数，按照显著性差异从小到大逐一筛选敏感参数，并使用Fisher判别分析进行精度验证。结果表明：4种识别对象的反射率大小在可见光和近红外波段表现出不同的特征；用筛选出的红谷位置、红边位置、红谷幅值、蓝边面积、NDVI₁、RVI₁和RVI₂进行判别，精度分别为伊犁绢蒿91.11%、角果藜80.56%、叉毛蓬91.11%、裸地100%，总精度为92.13%。本试验筛选出的识别参数建立判别模型可为进一步对群落影像进行物种定量分类提供依据。     

退化伊犁绢蒿荒漠草地高光谱特征分析

利用SVC HR-768 便携式光谱仪测定围栏内、外不同退化梯度伊犁绢蒿（Seriphidium transiliense）荒漠草地植物群落的光谱反射率,以及该类草地退化过程中的优势种伊犁绢蒿（减少种）、叉毛蓬（Petrosimonia sibirica）（增加种）、萹蓄（Polygonum aviculare）（侵入种）和裸地的光谱反射率,为实现伊犁绢蒿荒漠草地的高光谱遥感监测奠定基础。结果表明：在近红外波段,特征种与裸地的光谱反射率为裸地>萹蓄>伊犁绢蒿>叉毛蓬。萹蓄光谱反射率对退化草地植物群落的反射特征影响很小。退化草地植物群落冠层光谱反射率主要受伊犁绢蒿和叉毛蓬反射特征的影响,与优势种重要值成正相关关系,中度退化草地植物群落光谱反射率为围栏内>围栏外;重度和极度退化草地植物群落光谱反射率为围栏内<围栏外。     

伊犁绢蒿光谱反射率及反演精度对覆盖度变化的响应

为探究覆盖度变化对植物光谱反射率的影响,实现覆盖度和生物量的高精度反演,以伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)为对象,通过室内控制试验获取不同覆盖度下植物光谱反射率,采用最大归一法、一阶微分和二阶微分变换分析其反射率变化,利用归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)、增强型植被指数(EVI)和土壤调节型植被指数(SAVI)共4种植被指数对覆盖度与生物量进行反演,探讨反演精度对覆盖度变化的响应。结果表明：伊犁绢蒿植物种群的冠层光谱反射率在可见光波段随覆盖度增加逐渐减小,在近红外波段逐渐增加,在680 nm处形成植物特有的红边效应,最大归一化和微分变换突出了植物的光谱特征;光谱反射率差值在可见光波段随覆盖度增加基本稳定;利用植被指数逐级反演覆盖度与生物量时,精度随覆盖度增加整体呈上升趋势;利用土地利用/覆盖变化(LUCC)分覆盖度反演时,提高了覆盖度大于20%的伊犁绢蒿种群的数量特征反演精度,且最佳指数为SAVI。     

基于HJ-HSI数据的伊犁绢蒿荒漠草地生物量估测

以地面实测数据为依据,通过获取其同步HJ-HSI影像光谱反射率,筛选出光谱变量、波段变量,对不同利用状态的退化伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地(围栏封育区N,围栏外重度退化区W_1,围栏外中度退化区W_2)的地上生物量进行估测。结果表明,1)各季节不同利用状态伊犁绢蒿荒漠草地群落HJ-HSI光谱反射率不同,春季为W_2NW_1,夏季为W_2W_1N,秋季为W_1W_2N;2)HJ-HSI可以实现对伊犁绢蒿荒漠草地地上生物量的估测,估测模型因群落类型和季节不同而存在差异。春、夏、秋3个季节的估测模型,N分别由DVI、NDVI、620.225-627.895nm反射率平均值所构建,W_1分别由近红外波段(Rn)、656.305nm和776.8199nm反射率归一化值、MSAVI构建,W_2分别由652.09和732.01nm反射率归一化值、红外波段(Rr)、584.52-598.295nm反射率平均值构建。     

伊犁绢蒿荒漠草地退化等级的高光谱识别方法

本研究以伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地为研究对象,基于环境卫星HSI高光谱影像和群落冠层光谱,采用光谱角填图法和光谱信息散度法对草地退化等级进行识别。结果表明:以实地采集的冠层反射光谱为指导的HSI高光谱影像识别精度较差;基于HSI高光谱影像的退化等级识别结果较好,总体分类精度在76%以上,适合对伊犁绢蒿荒漠草地退化等级识别。     

围栏封育下伊犁绢蒿荒漠草地特征植物高光谱特征变化分析

为研究围栏封育对伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地的改善情况,利用便携式光谱仪对不同封育年限的围栏内外实测的半灌木伊犁绢蒿、一年生草本叉毛蓬(Petrosimonia sibirica)和短命植物涩芥(Malcolmia maritima)的高光谱数据进行分析。结果表明,伊犁绢蒿、叉毛蓬和涩芥三者在可见光波段具有明显的差异性,与植物生态生理特征有关,可利用350~680 nm内三者光谱反射率的差异进行区分;伊犁绢蒿的红边斜率在不同封育年限下均表现为围栏内大于围栏外,而叉毛蓬的红边斜率表现为围栏内小于围栏外,涩芥在平台处光谱和红边特征上与其生理生态特征无明显相关性。     

伊犁绢蒿荒漠草地物种光谱特征分析及识别初探

利用便携式地物光谱仪,对天山北坡中段伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地9种植物进行实地光谱测量,对光谱进行一阶微分、平滑、归一化、R_r-R_n光谱特征空间处理,对植物光谱特征分析及识别,并建立判别模型。结果表明,不同植物的原始光谱反射率在特定波段具有一定差异性,一阶微分对于精确提取该类草地植物红边特征参数值有重要作用,平滑处理可以有效去除噪声影响,归一化更有利于发现植物光谱特征,Rr-Rn在区分该类草地植物方面存在困难。选用近红外波段反射率(R_n),红边位置(REP),绿波段反射率(R_g),修改型土壤调节植被指数MSAVI和叶绿素吸收比值指数(CRAI)5项光谱指标建立判别函数,9种植物的判别精度达到90.5%。     

化学防控对草原毒草白喉乌头高光谱特性及其识别的影响

掌握毒害草在化学防控后的光谱差异及识别效果变化是实现大面积遥感监测防控效果的基础。本研究以白喉乌头(Aconitum leucostomum)为识别对象,试验在5月下旬(化学防控前)、6月下旬(防控后15 d)以及7月中旬(防控后30 d)进行,分析其光谱变化,筛选特征波长并建立Fisher判别模型进行识别。结果表明：防控处理后,白喉乌头在600~710 nm波段内反射率升高,在770~1 075 nm波段内反射率降低;其他牧草在720~1 075 nm波段内的反射率表现为6月升高,7月无明显差异;各月份的敏感识别波段不相同,主要分布在399~404 nm波段、512~578 nm波段、684~718 nm波段、775~778 nm波段以及979~1 075 nm波段内;5月未防控乌头识别效果最好,识别精度为96.00%,防控处理后6月、7月的药害乌头识别精度分别为73.33%,78.00%。总体而言,化学防控降低了白喉乌头的识别精度,但防控30 d后药害乌头的光谱会产生明显变化,增加其识别精度。     

不同盖度下伊犁绢蒿荒漠草地光谱特征及盖度反演精度研究

基于覆盖度变化影响地面光谱特征以及导致反演精度不高的问题,本研究借助SVC HR-768便携式光谱仪,于4月28日对伊犁绢蒿荒漠草地群落特征、地面光谱进行测定,研究在18～30%、31～40%、41%～50%、51%～60%4个覆盖度下群落冠层光谱变化特征,进而采用光谱波段,NDVI、RVI、DVI和SAVI对其进行反演。结果表明:(1)植物反射光谱随群落覆盖度的增加而降低。(2)覆盖度和反射率成负相关,可见光波段的相关系数与覆盖度无明显规律,近红外的部分波段内,覆盖度越大,相关系数越大。(3)采用相关性较大的单一波段进行反演时,覆盖度越大,反演精度越好;当覆盖度30%, DVI反演精度最高;而当覆盖度30%,SAVI对覆盖度的反演精度最好。     

伊犁绢蒿构件动态变化研究

为确定新疆蒿属荒漠草地建群种个体构件的自然生长规律,2005-2006年采用实地调查与室内分析相结合的方式,连续两年对蒿属荒漠草地建群种伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)个体构件数量及产量进行动态监测。结果表明:伊犁绢蒿在整个生长季内株高和枝条重量基本呈线性生长,增长速度呈"快-慢-快"的趋势;枝条数量及叶片重量分别呈"升高-降低-升高"双峰曲线形式;根重变化不明显,均在6.1g/株左右;从整体上看,伊犁绢蒿地上部分和个体总产量均呈"S"型变化;各构件在年度之间存在一定的波动性,可能与当年的水热条件相关;从利用上看,伊犁绢蒿荒漠草地适宜在4-6月、9-10月进行放牧。     

新疆三种主要草地植被类型的高光谱反射特征研究

本研究利用便携式地物光谱仪,对新疆部分天然草地类型及植物进行了实地光谱测量,分析和比较了3种草地类型的光谱反射特征。结果表明,在可见光波段,干荒漠类草甸植被,除角果黎外,其冠层反射率要低于低地山地草甸和蒿属荒漠草地。而在近红外波段,角果黎、骆驼蓬、梭梭冠层光谱反射率明显高于低地山地草甸植被和部分蒿属荒漠草甸植被。同一类型草地中,由于植被类别间的差异以及叶片内部结构的不同,冠层光谱反射率差异较大。3类草地类型不同植被的红边特征参数表现为干荒漠类草甸的梭梭红边位置最高,低地山地草甸的博洛塔绢蒿红边位置最低;蒿属荒漠类草甸的骆驼蓬的红边斜率和红边面积最大,低地山地草甸的苔草红边斜率和红边面积最小。对6种代表性的植被指数分析得出,PRI、OSAVI、MCARI指数均表现为蒿属荒漠类草甸<低地山地草甸<干荒漠类草甸。NDVI植被指数则表现为低地山地草甸最大,而干荒漠类草甸最小。GNDVI指数表现为低地山地草甸最大,蒿属荒漠类草甸最小。总之,高光谱遥感对于草地植被的分类监测和遥感反演等具有重要的意义。     

基于光谱指数的伊犁绢蒿荒漠草地恢复状况的判定

为了从光谱角度探讨退化伊犁绢蒿封育的适宜年限,对未封育、封育2年、7年和10年的草地从群落数量指标、群落光谱特征及特征植物光谱进行研究。通过对植被数据与光谱数据进行回归分析,对比群落和特征植物光谱指数随封育年限的变化趋势,探讨植被高光谱对伊犁绢蒿荒漠草地恢复状况的响应及最佳封育年限判定的可行性。结果表明：随着封育年限的增加,草地的盖度、密度及生物量呈先增加后降低的趋势;对群落的数量指标、群落光谱指数及建群种光谱指数回归均指示在5年左右达到最大值,表明可以通过植物光谱来对草地恢复状况及封育最佳年限加以判定。     

角果藜的结实格局及地下散布单位的入土机制

通过对藜科植物角果藜的物候、地上地下结实格局及地下散布单位入土方式的观察,结果表明,1)角果藜子叶期持续时间长;开花结实早,且持续时间长,约占整个生活周期的4/5。2)地下散布单位仅2枚,位于主茎第1节处,地上散布单位多数,位于三歧聚伞状分枝的叶腋处;形成地下散布单位的花具有专一性。3)地下散布单位以主动性的动态“翻转”模式并借助外力因素的被动方式顺利入土。地上地下结果特性是角果藜适应荒漠生境的特殊对策。     

基于不同阶微分高光谱植被指数的牧区草场地上生物量估算

利用高光谱遥感技术能快速、无损、高效地获取草地地上生物量信息,对牧区牧草高效管理、草畜供求关系平衡以及放牧制度优化等方面具有重要意义。为了寻求估算生长旺盛期草地地上生物量最适宜的微分光谱阶数,本研究在内蒙古天然草场通过原位试验采集了高光谱反射率与地上生物量数据,对原始光谱反射率数据进行一至四阶微分处理,在全波段范围内挑选最佳波段构建简单比值植被指数（Simple ratio vegetation index,SRVI）、归一化植被指数（Normalized difference vegetation index,NDVI）、土壤调节植被指数（Soil adjusted vegetation index,SAVI）和增强型植被指数（Enhanced vegetation index,EVI）4种高光谱植被指数,建立相应地上生物量估算模型并对比评价各模型精度。结果表明：对原始高光谱反射率进行微分处理,有助于提高敏感波段与地上生物量的相关性;红边波段与近红外波段是构建最佳植被指数的重要组成波段,占所有优选波段的82%;基于二阶微分光谱的最佳SRVI和NDVI模型精度最好,R²分别为0.69和0.70,RMSE分别为196.60 g·m^-2和196.65 g·m^-2,过高的微分阶数反而会降低估算模型的精度。本研究能为利用不同阶微分高光谱估算草地地上生物量提供科学借鉴,为精准快速的牧区天然草场遥感监测提供技术和方法支持。     

祁连山北坡植物群落空间分布格局与多样性研究

干旱区山地植物群落的空间分布格局和多样性特征对海拔梯度的响应分析,有助于探究山地植物的生态适应性策略。采用TWINSPAN和DCA排序等方法,研究了祁连山北坡植物群落分布格局和多样性特征。结果表明：祁连山北坡植物群落可以分为9个类群,随着海拔的升高,植被类型由荒漠-荒漠草原-典型草原逐渐转变为草甸草原,植物群落由斑块状分布的盐爪爪+珍珠群丛至灌木亚菊+珍珠群丛和合头草+珍珠群丛过渡为甘蒙锦鸡儿+芨芨草群丛、扁穗冰草+西北针茅群丛和西北针茅+赖草群丛,最后逐渐演化为呈镶嵌分布的鬼箭锦鸡儿+高山柳群丛和苔草+嵩草群丛;草地群落的Shannon-Wiener多样性指数（H'）和物种丰富度指数（R）呈“双峰”变化趋势,Pielou均匀度指数（J）在中海拔有最大值,而Simpson优势度指数（C）在中海拔有最小值。祁连山植被类型由低海拔荒漠至高海拔草甸草原演化过程中伴随着植物群落分布格局和种类组成的改变,体现了山地环境对植物群落构建的过滤作用。     

干旱胁迫及复水对伊犁绢蒿幼苗生长及生理特性的影响

为研究伊犁绢蒿（Seriphidium transiliense）幼苗对干旱胁迫的适应能力,本研究采用盆栽控水法分析了持续干旱胁迫及复水过程伊犁绢蒿幼苗生长及生理指标的变化。结果表明：随着干旱胁迫的加剧,幼苗地上部分生长逐渐减慢,重度干旱胁迫下幼苗株高和地上生物量较对照分别降低了50.29%和50.82%（P<0.01）;幼苗根长、地下生物量和根冠比则持续增加,重度干旱胁迫下各指标较对照分别增加了11.41%,10.69%和125.09%（P<0.05）;叶片相对含水量、叶绿素含量和根系活力持续下降;叶片和根系的相对电导率、丙二醛含量、可溶性糖和脯氨酸含量、超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性逐渐升高,而可溶性蛋白质含量和过氧化氢酶活性则呈先升高后降低的趋势。综上所述,伊犁绢蒿幼苗可以通过调节生长和生物量的分配,并通过积累渗透调节物质和提高抗氧化酶活性来清除活性氧,维持其在干旱胁迫下的生长;复水后,叶片和根系的渗透调节物质及抗氧化酶活性大多能恢复至中度干旱胁迫水平,表明伊犁绢蒿幼苗具有较强的干旱适应能力。     

不同植被指数和无人机航高对草地盖度估测精度的影响

搭载高清数码相机的无人机在草地资源调查等方面具有成本低廉、机动性高、观察范围大等突出优势,拥有广阔的发展前景.本研究使用小型无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)、手机相机等设备获取草地盖度数据,选用植被因子指数(vegetative index,VEG)、超绿指数(excess green index,ExG)、超绿超红差分指数(excess green minus excess red index,ExGR)和绿叶指数(green leaf index,GLI)4种基于可见光的植被指数提取草地盖度信息,从无人机航高、草地盖度水平等方面分析各植被指数的适用性.结果表明:1)VEG和ExG方法估测草地盖度的效果较好,平均精确度均在93％以上.ExGR与GLI方法的估测效果较差,平均精度仅75％～80％.2)4种方法的估测精度均随盖度增加而降低.VEG方法估测草地盖度的精度受盖度水平影响最小,ExG方法次之,ExGR和GLI方法对高盖度草地的估测效果较差.3)VEG方法在高、中盖度水平下的最适航高为100 m,在低盖度水平下为40 m;ExG和ExGR方法在高、中盖度水平下的最适航高为100 m,在低盖度水平下为80 m;GLI方法在高盖度水平下的最适航高为100 m,在中、低盖度水平下为20 m.