“天空地”一體化下的日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?/h1>

發(fā)布者： 發(fā)布時間：2024-05-13

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1.什么是日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓?/span>

自然狀態(tài)下，植被吸收的太陽光主要用于3個方向：光合作用中的光化學(xué)反應(yīng)、熱量散失和以長波（650~800nm）的形式發(fā)射出去，即日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒庑盘枺⊿olar-induced chlorophyll fluorescence, SIF）（圖1）。這3部分能量不僅與植被的生理有著密切的聯(lián)系，而且彼此之間還存在著類似競爭的關(guān)系，所以探測葉綠素?zé)晒馐且环N可以更加直接獲取到植被光合作用相關(guān)信息的方法。

日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒釹IF（solar-induced chlorophyll fluorescence）是指植物葉綠體在太陽光照條件下葉片自身發(fā)射出的一種光譜信號（650-850nm），在紅光（680nm 左右）和近紅外（740nm 左右）波長處存在兩個明顯的熒光峰值。葉綠素?zé)晒饪梢灾苯臃从彻夂献饔霉夥磻?yīng)中的電子傳遞速率大小，而電子傳遞速率又受光合作用暗反應(yīng)中碳同化的影響，因此，葉綠素?zé)晒饪梢宰鳛闊o損 監(jiān)測植被光合作用的理想“探針”。近年來，研究表明，SIF 遙感為大范圍監(jiān)測全球植被光合作用提供了一種全新的測量方式，其估算能力優(yōu)于植被“綠度”指數(shù)的遙感方法。此外，SIF在研究植物的逆境、脅迫、病理等與生態(tài)系統(tǒng)變化相關(guān)的問題上，也發(fā)揮著重要作用。

圖1  植被吸收的太陽光主要用于3個方向：光合作用中的光化學(xué)反應(yīng)、熱量散失和以長波（650~800nm）的形式發(fā)射出去

2.日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒庵苯舆b感探測

在自然光下，植被發(fā)射的熒光在表觀反射光譜中有一定的表現(xiàn)，由于太陽和地球的大氣層吸收作用，太陽光譜中會出現(xiàn)一系列細(xì)小的暗線，這些寬度為0.1~10nm之間的暗線被稱為夫瑯禾費暗線。因為有些夫瑯禾費暗線的中心強度比相鄰的譜區(qū)要低10%以上，而葉綠素?zé)晒夤庾V輻射可對夫瑯禾費暗線的吸收“井”進(jìn)行一定程度的填充，因此將太陽輻射和植被反射光譜中某個波段的夫瑯禾費暗線與相鄰的波譜之間的相對強度進(jìn)行比較，便可以得到葉綠素?zé)晒獾膹姸取?/span>

圖2.夫瑯禾費暗線：太陽表層元素和地球大氣的吸收，到達(dá)地表的太陽光譜存在許多波段寬度為0.1~10 nm的暗線

圖3.熒光填充作用使反射輻亮度抬升，抬升的量就是獲取的葉綠素?zé)晒?/span>

葉綠素?zé)晒夥瓷涔庾V的波段常與太陽輻射在紅光和近紅外的3個主要的吸收波段（即656.3nm處的太陽大氣的氫吸收線，687和760nm波段處的地球大氣層氧吸收線）相互重疊。687nm和760nm附近的氧氣吸收線形成的夫瑯禾費暗線較明顯，熒光強度高。大氣中的氧分子在760nm波段附近形成了暗線，在687ｎｍ 波段附近形成了暗線，而760nm波段附近的暗線深度和寬度都要大于687nm波段附近的暗線，因此760nm波段被是用來探測熒光的較好的波段。

圖4. 暗線和暗線

3. “天空地”一體化下的日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?/span>

近十年來，日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）遙感具有直接探測植 被光合作用的優(yōu)勢，成為植被遙感領(lǐng)域*具突破性的研究前沿之一，為陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測提供了新思路和新手段。葉綠素?zé)晒馐侵参镞M(jìn)行光合作用過程中由光系統(tǒng)反應(yīng)中心激發(fā)出來的光譜信號。SIF技術(shù)突破了傳統(tǒng)主動熒光觀測的空間尺度瓶頸，實現(xiàn)了從葉片、冠層到全球尺度的植物光合作用觀測。 如圖2所示，在生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、遙感科學(xué)和大氣科學(xué)等多學(xué)科融合的基礎(chǔ)上，隨著“天空地”一體化（近地面、機載和衛(wèi)星）SIF遙感數(shù)據(jù)的豐富以及SIF機理研究的推進(jìn)，SIF遙感技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于精確估算生態(tài)系統(tǒng)過程中的關(guān)鍵生理生化參數(shù)、植被總初級生產(chǎn)力(GPP)和及時監(jiān)測植物脅迫、物候和蒸騰作用等生態(tài)系統(tǒng)過程。

圖2 日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF)應(yīng)用現(xiàn)狀概念圖（吳霖升,2022）

隨著SIF遙感觀測平臺的增加、傳感器的多樣化、地面觀測網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，用于監(jiān)測陸地生態(tài)系統(tǒng)的SIF時空數(shù)據(jù)越來越豐富。在時間尺度上，地基 SIF觀測可以達(dá)到亞分鐘尺度；在空間尺度上，無人機高光譜成像可以提供厘米(cm)尺度的SIF反演數(shù)據(jù)；在空間范圍上，衛(wèi)星可以提供全球尺度的SIF產(chǎn) 品。因此，跨平臺進(jìn)行天空地一體化SIF協(xié)同觀測全球不同生態(tài)系統(tǒng)的植被光合作用尤為重要。

圖3 多尺度下的多平臺日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF)觀測概念圖（吳霖升,2022）

3.1 衛(wèi)星尺度

近年來，SIF衛(wèi)星遙感反演技術(shù)得到了長足的發(fā)展，已經(jīng)成功利用多個衛(wèi)星平臺的高光譜數(shù)據(jù)生成了全球SIF產(chǎn)品，表1統(tǒng)計了觀測SIF的衛(wèi)星信息參數(shù)。盡管大多數(shù)傳感器設(shè)計之初并非專門用于觀測SIF，許多研究者利用這些衛(wèi)星傳感器采集的數(shù)據(jù)反演出SIF。載于衛(wèi)星上的傳感器具有觀測范圍大、現(xiàn)勢性強，可用于區(qū)域或全球尺度的SIF觀測。

表1.觀測SIF的衛(wèi)星信息

Satellites/Sensors	Spectral resolution(nm)	Spectral range(nm)	Spatial resolution(km)	Swath(km)	Lunch time
GOSAT(-2)/TANSO-FTS(-2)	0.025	754-773	10.5 diam	750	2009/2018
OCO-2(-3)	0.042	757-775	1.3*2.25	10.3	2014
ENVISAT/SCIAMACHY	0.48	595-812	30*240 / 30*60	240	2002
MetOp/GOME-2	0.5	590-790	40*80 / 40*40	1920	2007
S5P/TROPOMI	0.5	675-775	3.5*7	2600	2017
TanSat/ACGS	0.044	758-778	2*2	20	2016
GOUMANG	0.3	670-780	0.8*0.3	34	2022
Tansat-2	0.12	672-702&754-770	2*2	＞1500	2026
FLEX/FLORIS	0.3-2.0	500-780	0.3*0.3	150	2024
TEMPO	0.6	540-740	~2.5*5	-	2022
SentineL-4/UVN	0.12	750-775	≤8*8	-	2021
SESGS/GeoCarb	~0.05	758-772	10*10	-	2022

   目前，衛(wèi)星尺度觀測SIF展現(xiàn)極大的應(yīng)用潛力，但是仍然有諸多局限性，也極大限制了SIF在大尺度上遙感監(jiān)測植被生產(chǎn)力的潛力。

1. SIF衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率、時間分辨率都很低，無法滿足植物生產(chǎn)力高精度的動態(tài)監(jiān)測需求。
2. 不同SIF衛(wèi)星遙感產(chǎn)品之間由于時空尺度、成像時間、光譜特性、反演算法、產(chǎn)品波段等方面的差異，不同產(chǎn)品的SIF絕對值缺乏可比性，給多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用帶來了困難，削弱了現(xiàn)有衛(wèi)星SIF產(chǎn)品的長時序、多尺度應(yīng)用潛力。
3. 衛(wèi)星傳感器在長期運行過程中不可避免地存在儀器衰減現(xiàn)象，因此利用原始的長時序遙感資料獲取的SIF衛(wèi)星遙感產(chǎn)品無法支持長時序變化分析。

3.2 機載日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?/span>

近年來，搭載各種傳感器的無人機和機載觀測系統(tǒng)成為生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測的有效工具(圖3)。無人機觀測系統(tǒng)的飛行參數(shù)(如高度、速度和觀測角度等)可以根據(jù)觀測需要進(jìn)行靈活調(diào)整，因此能夠有效彌補地基觀測的空間位置固定的問題，也能夠彌合地面和衛(wèi)星觀測之間的尺度差異。

GaiaSky-SP-SIF是江蘇雙利合譜科技有限公司基于大疆M350平臺開發(fā)的機載日光誘導(dǎo)葉綠熒光測試系統(tǒng)（圖4），具體參數(shù)如表2。機載平臺可作為上訴星載SIF和塔基觀測方案的補充，相比星載平臺，具備了靈活布置，不受衛(wèi)星過境時間限制，可快速獲得研究區(qū)域植被的SIF信息；相比塔基的固定式觀測，獲得連續(xù)時序的SIF數(shù)據(jù)，機載平臺在一定時間內(nèi)可獲得更多區(qū)域植被的SIF信息。同時GaiaSky-SP-SIF配置的光譜儀具備極高的光譜分辨率（0.3nm）、超高的信噪比（1000:1）。整套系統(tǒng)基于大疆M350深度開發(fā)，具備極高的集成度和極簡單的操作流程。

圖4 機載日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鉁y量系統(tǒng)Gaiasky-SP-SIF

產(chǎn)品特點：

• 系統(tǒng)集成度高、操控簡單
• 一鍵采集，定點巡航
• 實時太陽光余弦校正模塊
• 特俗光纖結(jié)構(gòu)，快速完成上行下行信號的切換，確保上下行實現(xiàn)同步采集
• 無人機、地面兩用

表2 機載日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鉁y量系統(tǒng)Gaiasky-SP-SIF參數(shù)

型號	設(shè)備名稱	描述
Gaiasky-SP-SIF	機載日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鉁y量系統(tǒng)	光譜范圍： 650-800nm 光譜采樣間隔：0.17nm 信噪比：1000:1
M350 RTK		飛控系統(tǒng)，高清圖傳，長時續(xù)航，增穩(wěn)云臺，智能飛行電池。
機載可見近紅外植被反射 & 葉綠素?zé)晒鉁y試光譜測量	技術(shù)指標(biāo)	葉綠素?zé)晒馓綔y器
	光譜范圍	650-800nm
	光譜儀狹縫SMA	1mm高x25um寬
	通訊方式	USB2.0
	探測器尺寸	24um*24um
	像素	1024*58
	光譜采樣間隔	0.17nm
	信噪比SNR	1000:1
	波長穩(wěn)定性	<3pixel shift
	積分時間	8ms-60min
	Fiber input	SMA905
	A/D轉(zhuǎn)換	18bit
功能描述	實時太陽光采集校準(zhǔn)系統(tǒng)	A、因探測器探測結(jié)果與太陽直接輻射的強度、方向以及散射輻射的強度及其空間分布相關(guān)，所有采樣余弦校準(zhǔn)器結(jié)構(gòu)實時獲取太陽光光照信息，使得探測器精準(zhǔn)的按照余弦定律來采集，用于相對光譜強度和絕對光譜強度測量、發(fā)射光譜測量等。 B、在對地（或者植被目標(biāo)）一側(cè)同樣有一個余弦校準(zhǔn)器結(jié)構(gòu)，可快速的獲取到目標(biāo)的亮度等信息。 C、系統(tǒng)在出廠時，利用國家計量單位標(biāo)定的光源系統(tǒng)完成絕對輻射亮度定標(biāo)（mw.cm2sr-1nm-1）。
	暗背景采集	采樣電子Shutter，在光纖入光口前設(shè)計電子快門結(jié)構(gòu)，通過控制主板發(fā)送相應(yīng)的指令，Shutter實現(xiàn)不同采集環(huán)境下的背景信號（上行和下行均設(shè)計有快門結(jié)構(gòu)）。

 

3.3 地面/塔基自動觀測方案

地面SIF觀測有助于將SIF相關(guān)研究縮小到冠層尺度，以更好的研究其與光合作用耦合的機制。自然光照條件下測定的植被反射的輻照度光譜既包括SIF的發(fā)射光譜，又包括葉片對入射光的反射光譜。由于SIF發(fā)射光譜和植被冠層反射光譜是混合在一起的，所以從冠層光譜中提取SIF光譜首先需要精準(zhǔn)的觀測。依據(jù)FLD原理中SIF對暗線填充思想，為了提取微弱的SIF信號，觀測需實現(xiàn)高光譜分辨率（亞納米）的太陽入射光和冠層反射光近乎同步的觀測。然而，目前已有的光譜儀種類有限，且只能接收一個光路，若要同時獲取太陽入射光和冠層反射光，主要有兩種方法：（1）雙光譜儀同時觀測；（2）單光譜儀結(jié)合光路切換開關(guān)。

圖5.塔基SIF兩種常見觀測方式(李朝暉,2021)

表3. SIF自動觀測系統(tǒng)光譜儀參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(李朝暉，2021)

光譜儀參數(shù)	參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)
波長范圍	650-800 nm（或者730-780 nm）
光譜分辨率	小于0.3 nm，光譜采樣間隔~0.1 nm
CCD制式	1024×58像素面陣型CCD；最高靈敏度200×103
暗噪聲	低于3RMS
信噪比	大于1000∶1
光譜響應(yīng)	780 nm處量子效率最高（70 %），680 nm處量子效率最高50 %

4 展望

SIF遙感技術(shù)突破了傳統(tǒng)主動熒光測量的尺度瓶頸及傳統(tǒng)光學(xué)反射率遙感的生理限制瓶頸，從葉片、冠層、景觀到全球尺度提供了研究陸地生態(tài)系統(tǒng)光合作用的新途徑。目前，從地基、無人機、機載到衛(wèi)星獲取SIF數(shù)據(jù)，極大地強化了連續(xù)時空的陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測能力。然而，為了更好地發(fā)揮多尺度SIF觀測的潛力，仍有很多挑戰(zhàn)需要去克服。例如，天空地一體化觀測，數(shù)據(jù)預(yù)處理后獲取可靠的SIF數(shù)據(jù)產(chǎn)品，準(zhǔn)確提取隱含在SIF信號中的植物生理信息，對SIF機理和時空動態(tài)的深入和全面認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上，探索基于SIF的新興的生態(tài)學(xué)應(yīng)用，從而更好地服務(wù)于陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(圖6)。

隨著SIF遙感觀測平臺的增加、傳感器的多樣化、地面觀測網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，用于監(jiān)測陸地生態(tài)系統(tǒng) 的SIF時空數(shù)據(jù)越來越豐富。在時間尺度上，地基 SIF觀測可以達(dá)到亞分鐘尺度；在空間尺度上，無人 機高光譜成像可以提供厘米(cm)尺度的SIF反演數(shù)據(jù)；在空間范圍上，衛(wèi)星可以提供全球尺度的SIF產(chǎn)品。因此，跨平臺進(jìn)行天空地一體化SIF協(xié)同觀測全球不同生態(tài)系統(tǒng)的植被光合作用尤為重要。

圖6 日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF)遙感標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理與建模流程及其在生態(tài)學(xué)中的新興與潛在應(yīng)用（吳霖升,2022）