2.1.1 测试方法

使用美国ASD(analytical spectral device)公司生产的Field Spec Hand Held型光谱仪, 其波长范围为325~1 075 nm, 光谱采样间隔约1.5 nm, 光谱分辨率3.5 nm。光谱测试的环境条件为：晴朗无云或少云、光照稳定、风力小于3级。光谱测试时间为每天的11:00~13:00。测试时, 采用视场角为7.5° 的探头。为保证探头视角范围内测试目标的覆盖率为100%, 探头向下垂直照射, 与测试目标的垂直距离控制在40 cm左右。探头定位时为避免阴影和光污染, 测量者面向阳光, 不能穿戴浅色、特色衣帽。每次采集光谱数据前都要用标准白板进行校正（标准白板的反射率为1, 所测目标物光谱是无量纲的相对反射率）。对每个样本均重复测量10次, 然后取平均值作为各样本的反射率。

2.1.2 数据处理

在剔除异样光谱曲线的基础上, 对其他光谱曲线进行了平均、平滑处理。考虑到系统误差会导致光谱曲线首尾两端噪音较大, 因此截取了400~900 nm用于随后的处理分析^[11]。实验利用数学方法求解光谱的一阶微分^[12]：

ρ'(λi)=dρ(λi)dλ=ρ(λi+1)-ρ(λi-1)2Δλ（1）

式中：波长间隔取 Δλ=9nm。 ρ(λ)为波长 λ处的光谱反射率, ρ'(λ)为波长 λ处的光谱反射率的一阶导数。

本实验用于光谱分析的红光是指680~760 nm的波段, 所用该波段内的红边参数包括：① 红边位置REP, 指一阶导数光谱最大值所对应的波长; ② 红谷位置L_o, 指一阶导数光谱最小值所对应的波长; ③ 红边振幅D_{λ red}, 指一阶导数光谱的最大值; ④ 红边面积S_red, 指一阶导数光谱包围的面积; ⑤ 红边宽度L_width, 指红边位置和红谷位置对应的波长差。

生物结皮样本的覆盖度通过数码相机拍摄获得。为保证生物结皮样本覆盖度的准确性, 同时保证光谱测量范围与样本相对应, 在拍摄前放置一铝圈于样本周围, 铝圈大小尽量和光谱仪的视场角范围一致; 拍摄时相机垂直向下, 保证整个铝圈在拍摄范围内^[13]。本研究用ENVI 4.8软件统计结皮像元数占总像元数的比例, 并求算生物结皮的覆盖度。

对样本的光谱测量和经纬度测定同步进行, 定位仪器为Trimble Juno SB型手持GPS坐标定位仪。采集样本包括：不同盖度的苔藓结皮、藻类结皮、绿色植被、裸沙、植被枯落物和不同地物的经纬度坐标。

2.3.1 遥感影像处理

影像处理是在ENVI和ArcGIS软件的支持下完成的。处理的影像在工作站已经做过几何和辐射粗校正。第一步, 边界数据确定, 根据毛乌素沙地地理范围图, 用ArcGIS确定出研究区的边界数据; 第二步, 图像镶嵌与裁剪, 用ENVI 4.8将12景TM影像进行拼接, 根据研究区的边界数据对拼接好的影像进行裁剪; 第三步, 对裁剪好的影像进行几何校正和辐射校正, 将DN值转换为反射率影像; 第四步, 图像波段合成, 结合不同地物室外光谱反射率数据, 分析TM遥感影像的7个波段, 本实验主要选取5、4、3波段组合的影像, 采取对地物进行直接判读^[14]、指数提取、监督分类^[15]和坡度分级相结合的方法。

2.3.2 生物结皮提取

由于Landsat TM传感器可探测的生物结皮最低覆盖度为33%^[16], 所以本试验只讨论33%~100%覆盖度的生物结皮。根据本研究测量的高光谱数据, 发现低盖度苔藓结皮和张元明等测量的地衣结皮有非常相似的光谱特性, 因此试验选用的生物结皮指数公式为^[5]：

BSCI=1-L×ρgreen-ρredρGRNIRmean（2）

式中： ρgreen、 ρred分别对应Landsat TM传感器的绿光和红光波段(即第2和第3波段)的反射率, ρGRNIRmean为绿光、红光和近红外波段反射率的平均值, 对应Landsat TM传感器的第2、3和4波段。L为一个经验调整参数, 用于强调 ρgreen和 ρred差的绝对值的贡献率, 本试验设定为2。由于BSCI值随生物结皮盖度的增加而增加, 所以可以根据野外测量的33%和100%盖度生物结皮的高光谱数据, 确定BSCI的阈值上下限。

考虑到苔藓结皮在生长期具有与高等植物相似的特性, 仅根据BSCI的阈值范围提取生物结皮会将一部分绿色植被错划进来。调查研究发现, 苔藓结皮的叶面积指数明显比绿色植被的叶面积指数小。相关研究表明, 归一化植被指数NDVI与叶面积指数相关性较高^[17], 可以用NDVI对叶面积指数进行估算^[18]。通过反复试验, 本研究确定出生物结皮的NDVI的阈值范围。试验所用归一化植被指数公式为^[19]：

NDVI=ρNIR-ρredρNIR+ρred（3）

式中： ρNIR为Landsat TM传感器的近红外波段（即第4波段）的光谱反射率。

由于生物结皮的发育程度与枯落物覆盖、植被盖度、土地利用方式和地形地貌等关系密切^{[2, 20, 21]}, 导致用指数提取方法在不同类型地物和地形地貌上的提取准确率出现差异。所以, 本研究分别用监督分类法和DEM提取坡度法做出研究区的土地利用图和坡度分级图, 对指数提取结果依次进行掩膜校正。最终, 本研究采用结皮指数、归一化植被指数、监督分类、坡度分级相结合的方法提取研究区的生物结皮。

图2为研究区6种地物的反射光谱曲线, 其中两种盖度苔藓结皮的光谱均为结皮潮湿状态下所测。由图2可见, 在整个波段, 6种地物的反射波谱形态相互间存在较大差异。在400~500 nm波段, 6种地物的反射率以大小不同的变化率呈上升趋势, 其中以裸沙的反射率最大。

图2

Fig. 2

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	图2 6种地物的反射光谱曲线Fig. 2 The spectral reflectance curves for six objects

在500~665 nm波段, 绿色植被反射率先快速增大, 在553 nm附近达到一明显的反射峰（ρ =0.107）, 随后降低, 吸收谷出现在665 nm附近（ρ =0.038）。在该波段, 100%盖度苔藓结皮和绿色植被具有相似的光谱变化规律, 但反射峰值右移至625 nm附近（ ρ=0.082）, 且比绿色植被的反射峰值低23.4%。在665 nm附近也有明显的吸收（ρ =0.078）, 比绿色植被的反射率高105.2%。此外, 裸沙、植被枯落物、藻类结皮和33%盖度苔藓结皮在该波段均没有显示出反射峰和吸收谷。

图3

Fig. 3

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	图3 6种地物的一阶导数光谱曲线Fig. 3 The first-order derivative spectral reflectance curves for six objects

在680~760 nm波段, 100%盖度苔藓结皮再一次表现出和绿色植被类似的光谱特性：反射率急剧上升, 产生一个陡峭的“ 红边” 。红边曲线见图3, 红边参数见表1。二者的红边参数除红边位置非常接近外( Δλ=4nm), 其余值均差异较大。33%苔藓结皮和藻类结皮的“ 红边” 现象不明显, 裸沙和植被枯落物均无“ 红边” 现象。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 研究区典型地物的红边参数 Table 1 The red edge parameters of typical objects in Mu Us Desert 地物类型 红边位置/nm 红谷位置/nm 红边宽度/nm 红边振幅 红边面积 绿色植被 699 760 61 0.008 1 0.003 7 100%苔藓结皮 695 747 52 0.002 4 0.001 7 33%苔藓结皮 728 740 12 0.000 7 0.000 8 藻类结皮 693 758 65 0.000 8 0.000 9

表1 研究区典型地物的红边参数 Table 1 The red edge parameters of typical objects in Mu Us Desert

在近红外短波波段（760~900 nm）, 6种地物反射率均高于可见光区域的反射率。除绿色植被和裸沙外, 其余4种地物反射率均非常接近。不同地物平均反射率从高到低依次为：绿色植被(0.424)> 裸沙(0.304)> 100%盖度苔藓结皮(0.213)> 藻类结皮(0.210)> 植被枯落物(0.203)> 33%苔藓结皮(0.198)。在该波段, 100%盖度苔藓结皮比绿色植被的平均反射率低49.8%。

33%低盖度苔藓结皮、藻类结皮和植被枯落物在整个波段（400~900 nm）反射率缓慢增长, 且曲线非常接近, 反射率之和分别为46.0%、43.5%和41.3%。与裸沙相比, 苔藓结皮、藻类结皮和植被枯落物由于表面呈黑色、灰色或黑褐色, 具有较低的反射率（反射率之和均低于48%）。

苔藓结皮在生长期具有与绿色植被相似的光谱曲线, 是因为苔藓在遇水恢复新陈代谢活动时具有光合作用特性^[22]。绿色植被枝叶繁茂, 太阳辐射经过上下多层的叶面反射, 在550 nm附近叶绿素的绿色强反射区和665 nm附近的叶绿素吸收区光谱特性表现得尤为突出; 而苔藓结皮叶面积指数低, 相当比重的太阳辐射穿过结皮直接透射到地面, 因此反射率总体降低。另外, 苔藓结皮在土壤水分不足时表面糙度和颜色与湿润状态时有较大差异, 颜色变深, 使得反射峰值对应波长右移。由于叶绿素的缺失, 植被枯落物在可见光范围内并未出现绿色强反射特征。

“ 红边” 与植被的各种理化参数密切相关, 它是描述植被色素状态和健康状况的重要指示波段。植被覆盖度、叶绿素含量、叶面积指数和生物量越大, 则红边振幅、红边宽度和红边面积越大, 且红边位置会有“ 红移” 现象^{[23, 24, 25]}, 反之, 相关红边参数越小, 而红边位置则会相应“ 蓝移” 。6种典型地物中仅100%盖度苔藓结皮和绿色植被存在明显“ 红边” 。和绿色植被相比, 苔藓结皮的红边位置有轻微“ 蓝移” 现象, 红边宽度、红边振幅和红边面积均明显低于绿色植被。这与苔藓结皮的相关植被参数均低于绿色植被有关。

植物对近红外波段有高反射率、高透射率和极低的吸收率, 这种现象可看成是植物预防过度增热的一种适应。同时, 近红外光对植被差异及长势非常敏感, 表现为在该波段绿色植被反射率明显高于其他地物。

根据野外测量的33%和100%盖度生物结皮的高光谱数据, 分别求出绿光（520~600 nm）和红光（630~690 nm）波段反射率的平均值, 以及绿光、红光和近红外短波波段（760~900 nm）反射率的平均值, 计算出BSCI的上、下限阈值分别为9.59和6.53。下限阈值的设定可以用于提取最低盖度（33%）的生物结皮, 而上限阈值则对应于生物结皮盖度达到100%时的BSCI数值。

以研究区TM影像为底图, 通过多次试验和野外调查求证, 本研究确定生物结皮的NDVI阈值范围为0.1~0.25。影像上同时满足6.53≤ BSCI≤ 9.59和0.1≤ NDVI≤ 0.25的像元为结皮像元, 占研究区总面积的14.6%, 共1.64× 10⁴ km², 见图6(a)。

图4

Fig. 4

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	图4 研究区土地利用Fig. 4 Land uses in Mu Us Desert

根据研究区特点, 将土地利用方式分为城镇、水域、沙地、耕地、灌木和结皮六大类。在土地利用图中, 结皮像元占研究区总面积的16.73%, 共1.87× 10⁴ km², 见图4。用2010和2011年野外考查数据对土地利用图进行精度评价, 见表2。从评价结果看, 总体精度为80.87%, Kappa系数达到0.767 5, 说明研究区的土地利用图可以用于对生物结皮的指数提取结果进行掩膜校正。校正后的生物结皮占研究区总面积的9.30%, 共1.04× 10⁴ km², 见图6(b)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 分类精度评价 Table 2 Accuracy assessment on classification in Mu Us Desert 影像分类类别 地表真实类别 使用者精度/% 耕地 结皮 城镇 水域 沙地 灌木 总计 耕地 28 0 0 0 0 5 33 84.8 结皮 0 27 0 0 2 4 33 81.8 城镇 2 0 14 1 2 1 20 70.0 水域 0 0 1 21 0 0 22 95.5 沙地 0 4 3 0 37 1 45 82.2 灌木 2 5 0 2 0 21 30 70.0 总计 32 36 18 24 41 32 183 生产者精度/% 87.5 75.0 77.8 87.5 90.2 65.6 总体精度：80.87% Kappa系数：0.767 5

表2 分类精度评价 Table 2 Accuracy assessment on classification in Mu Us Desert

由于苔藓植物喜欢阴暗潮湿的环境, 而垄间低地在融雪和降水后会出现临时性积水, 为苔藓植物的有性繁殖与营养生长创造良好的环境条件^[1], 所以苔藓结皮多数分布在地形低洼区。受水分条件和沙面基质的影响, 沿坡下缘向上至垄顶很难有苔藓植物的分布^[5]。调查研究发现, 毛乌素优势盖度最大植物是油蒿, 苔藓结皮常与之相伴存在, 且多数在油蒿垂直阴影处生长。由于苔藓结皮的分布与地形地貌密切相关, 而图6(b)显示右上角和左边右上部分布有大面积苔藓结皮, 所以可以推断, 在上述两处结皮提取误差较大。本研究用数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）做出研究区坡度分级图（图5）, 掩膜除去坡度大于5° 的结皮分布区域, 对图6(b)结果进行修正, 修正后的结皮像元占研究区总面积的6.43%, 共0.72× 10⁴ km²[图6(c)]。

图5

Fig. 5

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	图5 研究区坡度分级Fig. 5 The slope classification in Mu Us Desert

图6(c)显示, 生物结皮的分布具有以下特征：① 毛乌素沙地的生物结皮分布比较分散, 其中以中部偏北地区发育最为充分, 其次为中部和南部地区。西北部结皮发育非常微弱, 地表基本为沙地和裸地。中部向东因植被盖度较高和人类活动频繁而干扰了生物结皮的发育, 所以生物结皮呈破碎性分布。② 在整个研究区域, 连续分布的生物结皮比较少见, 整体呈现间断性分布。通过野外调查发现, 尽管研究区实施和推进了退耕还林（草）工程, 人为干扰（特别是放牧和陡坡耕种）不断减弱, 但公路修建、资源开采等活动依然频繁, 对生物结皮的发育影响明显。

图6

Fig. 6

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	图6 研究区结皮分布Fig. 6 The spatial distribution of the biological crusts in Mu Us Desert