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苔藓生物结皮是干旱半干旱地区重要的荒漠植物,对防风固沙,改善土壤水分、营养等方面具有重要的生态意义。叶绿素作为植物生长过程中进行光合作用的第一个阶段,对控制植物的能量传递和物质循环过程起到了重要作用。植物的生物量是植物生理状态、植物胁迫、表征营养状况的必不可少的一个指标,为植物与环境二者之间的关系提供了依据。植物的氮含量是评价植物长势的重要指标,更是研究全球变化及营养元素迁移的必要因子。高光谱遥感技术可以在较短的时间内实时的监测植被的动态变化,补充干旱区苔藓生物结皮的光谱研究成果,为干旱区荒漠生态系统的开发与保护提供了科学依据。本研究区位于古尔班通古特沙漠南部的阜康市北沙窝,利用ASD光谱仪采集苔藓生物结皮的高光谱数据,并且和实验室所测得的结皮叶绿素、生物量及全氮的实测值,建立基于高光谱数据与苔藓生物结皮生化参数的估算模型。分析研究区苔藓生物结皮的基本光谱特征,以及所测的光谱反射率与三种生化参数之间的相关性,从中选出与苔藓生物结皮叶绿素、生物量和全氮三者之间相关性较高的特征波段。利用偏最小二乘回归(PLSR)和BP神经网络模型(BP)以及支持向量机(SVM)模型建立基于实测光谱数据的苔藓生物结皮叶绿素、生物量及全氮的估算模型。分析实测苔藓生物结皮的生化参数与遥感影像反射率的相关性,并通过相关分析选出敏感波段,建立基于Landsat-8遥感影像的苔藓生物结皮生化参数的估算模型,通过决定系数R~2,建模总均方根误差RMSE,残留预测偏差RPD作为模型精度评价的指标,并对模型进行评价,最后得出基于高光谱数据与遥感影像数据所建立的预测苔藓生物结皮的最佳模型。结果表明:(1)利用实测光谱数据,分析苔藓生物结皮的基本光谱特征,以及光谱反射率三种数学变换形式的光谱曲线特征:一阶微分、二阶微分和倒数对数。对实测光谱进行分析,结果表明:在350~700nm波段内反射率值较低,在500nm附近,存在一个吸收谷,于600nm附近,存在一个反射峰,在680nm附近有吸收谷,700nm附近的反射率开始上升,光谱曲线斜率较大,曲线走势急陡;900~1300nm波段范围内,曲线呈现波动上升的态势,反射率值呈现出不断波动的变化,在1000nm附近反射率值达到最高;在波段1300~1400nm之间,光谱反射率呈现出急速下降的趋势,但是反射率值水平依旧比350~700nm处高。有三个显著的吸收谷分别为1200nm、1400nm和1900nm。由此可以得出一阶微分和二阶微分是光谱反射率的最佳变换形式,通过运用两种变换方法可以把光谱反射率的细微特征进行放大,有利于观察。在400nm,750nm,1000nm,1100nm,1150nm,1800nm处有小尖刺,说明这些波段与苔藓生物结皮生化参数的相关性较好。(2)将苔藓生物结皮的叶绿素、生物量和全氮的实测值分别与光谱反射率的一阶微分和二阶微分进行相关性分析。相关分析结果显示,在400nm处,光谱反射率一阶微分与叶绿素含量的相关系数达到极值,相关系数为0.42,在1000nm处,光谱反射率一阶微分与生物量的相关系数达到极值,相关系数为-0.68;光谱一阶微分与全氮含量的相关性在750nm、1400nm、1650nm、1800nm和2300nm处均出现了极值,相关系数最大为-0.5。从光谱反射率二阶微分与苔藓生物结皮生化参数的相关系数中来看,叶绿素含量的相关系数较好,其中最大的相关系数达到0.4以上,生物量在1000nm波段范围内出现了极值,相关系数达到了0.68,其余波段500nm、1850nm、1900nm处的相关系数的绝对值均超过了0.4。在光谱二阶微分与全氮二者的相关关系中,750nm、1300nm、1650nm、1700nm、2200nm附近的波段范围是全氮的主要光谱响应区域,相关性较好,其中相关系数的绝对值最大可达0.47。(3)利用PLSR和BP以及SVM方法分别建立基于实测光谱的苔藓生物结皮生化参数的估算模型:从模型的稳定性和预测能力方面来看,生物量是预测苔藓生物结皮的最佳生化参数,BP是估算苔藓生物结皮长势情况的最佳模型,其中决定系数R~2的值是0.53,均方根误差为0.05,残留预测偏差RPD为1.91。(4)选择Landsat-8影像中提取的7个特征波段的反射率值分别和苔藓生物结皮叶绿素、生物量及全氮进行相关分析,得出各特征波段相关性最高的参数是生物量,相关系数达到了0.63,在第3波段中,叶绿素和生物量的相关系数较高,相关系数值为0.38和0.53;第7波段与苔藓生物结皮中的3个生化参数都没有相关性。叶绿素仅在3、4波段之间达到显著相关水平;全氮含量分别与第1、2波段值和第5、6波段值具有相关关系。选取与苔藓生物结皮生化参数具有相关关系的波段进行建模分析。(5)将Landsat-8遥感影像中敏感波段的反射率值作为模型的输入参数建立基于遥感影像的PLSR、BP和SVM估算模型,结果表明,基于遥感影像的BP模型是估算苔藓生物结皮的最佳模型,模型的决定系数R~2为0.43,均方根误差RMSE值0.29,残留预测偏差RPD值2.01,由此可得出,全氮含量是估算苔藓生物结皮的最佳参数。