黄土高原水蚀风蚀交错区生物土壤结皮高光谱特征与提取算法研究

Biological soil crust (BSC) is widely developed on the abandoned lands and has great significance in promoting the carbon and nitrogen cycles, improving resistance to soil erosion and regulating ecological hydrological processes, since the implementation of “Grain to green” and the grazing prohibition projects on the Loess Plateau. Due to limited research on the spectral characteristics and the discriminant ability of BSC, the roles of BSC are often ignored in regional assessment of soil erosion based on remote sensing. In the study, spectral characteristics for different types of BSC, developmental stages and the influence of poikilohydric plants would be quantitatively analyzed, utilizing surface spectrometric determinant techniques and hyperspectral analysis technology in the water-wind erosion crisscross region on the Loess Plateau. The spectral database and BSC index based on the rules of decision tree classification would be established. It will provide important reference value and scientific basis to illustrate the spatial and temporal distribution of BSC on the Loess regions and for further exploration of soil erosion control at regional scales.

黄土高原自退耕还林还草及封山禁牧实施后，生物土壤结皮在各类退耕地广泛发育，在促进碳氮养分循环、提高土壤抗蚀能力、调节生态水文过程等方面具有不可忽略的作用。因生物土壤结皮光谱特征和识别能力研究的不足，生物土壤结皮在基于遥感的区域水土流失评估中所起的作用往往被忽略。为此，本项目拟采用地物光谱测定技术和高光谱分析技术，定量分析黄土高原水蚀风蚀交错区藻类、地衣、藓类等不同类型和不同发育阶段生物土壤结皮的光谱特征以及生物土壤结皮变水特性对光谱特征的影响，建立不同类型生物土壤结皮光谱数据库、基于决策树分类规则的生物土壤结皮提取算法，为进一步揭示黄土高原生物土壤结皮的时空分布特征和探讨区域尺度生物土壤结皮对土壤侵蚀的影响提供理论依据和技术支持。

黄土高原水蚀风蚀交错区生物土壤结皮高光谱特征的研究，为开展大尺度生物土壤结皮的遥感识别和抗蚀能力评估奠定了良好的理论基础和技术支持。项目采用地物光谱测定技术和高光谱遥感技术手段，以黄土高原水蚀风蚀交错过渡带为研究区，以神木野外生态试验站为依托基地，开展了不同类型生物土壤结皮光谱特征分析、生物土壤结皮变水特性对光谱特征的影响，以及基于无人机高光谱遥感技术的生物土壤结皮识别研究。取得了以下创新性研究进展：（1）藻类生物土壤结皮与土壤具有相似的光谱特征，光谱曲线没有明显的“峰-谷”特征；藻类生物土壤结皮光谱特征主要表现为光谱反射率随生物土壤结皮覆盖度增加而降低的变化规律。（2）藓类生物土壤结皮光谱曲线表现出与高等植物相似的特征，形成绿波段的反射峰和红光波段的吸收谷，以及近红外波段的高反射；但在760~930 nm，藓类生物土壤结皮的光谱斜率明显大于高等植物, 光谱斜率Slope(930/760) 是高等植物的2.5-4.5倍。（3）裸地、藻类和藓类生物土壤结皮在湿润环境条件下均表现出反射率降低及水分吸收谷加深的光谱特征；裸地和藻类生物土壤结皮在干燥条件下的高光谱指数（RVI 、DVI、NDVI、SAVI、MSAVI和OSAVI）要大于湿润条件，而藓类生物土壤结皮则表现出相反的特征。（4）基于六种高光谱指数，归一化植被指数（NDVI）、结皮指数（CI）、生物土壤结皮指数（BSCI）、三角植被指数（TVI）、叶绿素吸收率指数（CARI）、红边拐点（REIP）光谱指数，对研究区生物土壤结皮进行识别，识别盖度分别为31.62%、31.98%、22.76%、29.46%、29.09%、32.88%。本研究可为较大尺度上生物土壤结皮的提取和遥感监测提供有力的支持，对于阐明生物土壤结皮在特定生态系统中所扮演的角色具有重要的科学价值和实际意义。