“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(shí)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(gè)方向：光合作用中的光化學(xué)反應(yīng)、熱量散失和以長(zhǎng)波（650~800nm）的形式發(fā)射出去，即日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒庑盘?hào)（Solar-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(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，所以探測(cè)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(hào)（650-850nm），在紅光（680nm 左右）和近紅外（740nm 左右）波長(zhǎng)處存在兩個(gè)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(cè)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(cè)全球植被光合作用提供了一種全新的測(cè)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(gè)方向：光合作用中的光化學(xué)反應(yīng)、熱量散失和以長(zhǎng)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(cè)

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(huì)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(fèi)暗線。因?yàn)橛行┓颥樅藤M(fèi)暗線的中心強(qiáng)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(duì)夫瑯禾費(fèi)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(gè)波段的夫瑯禾費(fèi)暗線與相鄰的波譜之間的相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行比較，便可以得到葉綠素?zé)晒獾膹?qiáng)度。

圖2.夫瑯禾費(fèi)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(gè)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(fèi)暗線較明顯，熒光強(qiáng)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(cè)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(cè)植 被光合作用的優(yōu)勢(shì)，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(cè)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(hào)。SIF技術(shù)突破了傳統(tǒng)主動(dòng)熒光觀測(cè)的空間尺度瓶頸，實(shí)現(xiàn)了從葉片、冠層到全球尺度的植物光合作用觀測(cè)。 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(jī)載和衛(wèi)星）SIF遙感數(shù)據(jù)的豐富以及SIF機(jī)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(jí)生產(chǎn)力(GPP)和及時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)平臺(tái)的增加、傳感器的多樣化、地面觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，用于監(jiān)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的SIF時(shí)空數(shù)據(jù)越來越豐富。在時(shí)間尺度上，地基 SIF觀測(cè)可以達(dá)到亞分鐘尺度；在空間尺度上，無人機(jī)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(tái)進(jìn)行天空地一體化SIF協(xié)同觀測(cè)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(tái)日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF)觀測(cè)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(zhǎng)足的發(fā)展，已經(jīng)成功利用多個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)的高光譜數(shù)據(jù)生成了全球SIF產(chǎn)品，表1統(tǒng)計(jì)了觀測(cè)SIF的衛(wèi)星信息參數(shù)。盡管大多數(shù)傳感器設(shè)計(jì)之初并非專門用于觀測(cè)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(cè)范圍大、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)，可用于區(qū)域或全球尺度的SIF觀測(cè)。

表1.觀測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)間分辨率都很低，無法滿足植物生產(chǎn)力高精度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需求。
2. 不同SIF衛(wèi)星遙感產(chǎn)品之間由于時(shí)空尺度、成像時(shí)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(duì)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(zhǎng)時(shí)序、多尺度應(yīng)用潛力。
3. 衛(wèi)星傳感器在長(zhǎng)期運(yùn)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(zhǎng)時(shí)序遙感資料獲取的SIF衛(wèi)星遙感產(chǎn)品無法支持長(zhǎng)時(shí)序變化分析。

3.2 機(jī)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(jī)和機(jī)載觀測(cè)系統(tǒng)成為生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的有效工具(圖3)。無人機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)的飛行參數(shù)(如高度、速度和觀測(cè)角度等)可以根據(jù)觀測(cè)需要進(jìn)行靈活調(diào)整，因此能夠有效彌補(bǔ)地基觀測(cè)的空間位置固定的問題，也能夠彌合地面和衛(wèi)星觀測(cè)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(tái)開發(fā)的機(jī)載日光誘導(dǎo)葉綠熒光測(cè)試系統(tǒng)（圖4），具體參數(shù)如表2。機(jī)載平臺(tái)可作為上訴星載SIF和塔基觀測(cè)方案的補(bǔ)充，相比星載平臺(tái)，具備了靈活布置，不受衛(wèi)星過境時(shí)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(cè)，獲得連續(xù)時(shí)序的SIF數(shù)據(jù)，機(jī)載平臺(tái)在一定時(shí)間內(nèi)可獲得更多區(qū)域植被的SIF信息。同時(shí)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(jiǎn)單的操作流程。

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

產(chǎn)品特點(diǎn)：

• 系統(tǒng)集成度高、操控簡(jiǎn)單
• 一鍵采集，定點(diǎn)巡航
• 實(shí)時(shí)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(hào)的切換，確保上下行實(shí)現(xiàn)同步采集
• 無人機(jī)、地面兩用

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

型號(hào)	設(shè)備名稱	描述
Gaiasky-SP-SIF	機(jī)載日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鉁y(cè)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(zhǎng)時(shí)續(xù)航，增穩(wěn)云臺(tái)，智能飛行電池。
機(jī)載可見近紅外植被反射 & 葉綠素?zé)晒鉁y(cè)試光譜測(cè)量	技術(shù)指標(biāo)	葉綠素?zé)晒馓綔y(cè)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(cè)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(zhǎng)穩(wěn)定性	<3pixel shift
	積分時(shí)間	8ms-60min
	Fiber input	SMA905
	A/D轉(zhuǎn)換	18bit
功能描述	實(shí)時(shí)太陽光采集校準(zhǔn)系統(tǒng)	A、因探測(cè)器探測(cè)結(jié)果與太陽直接輻射的強(qiáng)度、方向以及散射輻射的強(qiáng)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(shí)時(shí)獲取太陽光光照信息，使得探測(cè)器精準(zhǔn)的按照余弦定律來采集，用于相對(duì)光譜強(qiáng)度和絕對(duì)光譜強(qiáng)度測(cè)量、發(fā)射光譜測(cè)量等。 B、在對(duì)地（或者植被目標(biāo)）一側(cè)同樣有一個(gè)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(shí)，利用國(guó)家計(jì)量單位標(biāo)定的光源系統(tǒng)完成絕對(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn)不同采集環(huán)境下的背景信號(hào)（上行和下行均設(shè)計(jì)有快門結(jié)構(gòu)）。

 

3.3 地面/塔基自動(dòng)觀測(cè)方案

地面SIF觀測(cè)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(jī)制。自然光照條件下測(cè)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(duì)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(cè)。依據(jù)FLD原理中SIF對(duì)暗線填充思想，為了提取微弱的SIF信號(hào)，觀測(cè)需實(shí)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(cè)。然而，目前已有的光譜儀種類有限，且只能接收一個(gè)光路，若要同時(shí)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(shí)觀測(cè)；（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(cè)方式(李朝暉,2021)

表3. SIF自動(dòng)觀測(cè)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(zhǎng)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(dòng)熒光測(cè)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(jī)、機(jī)載到衛(wèi)星獲取SIF數(shù)據(jù)，極大地強(qiáng)化了連續(xù)時(shí)空的陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能力。然而，為了更好地發(fā)揮多尺度SIF觀測(cè)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(cè)，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(hào)中的植物生理信息，對(duì)SIF機(jī)理和時(shí)空動(dòng)態(tài)的深入和全面認(rèn)識(shí)。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(cè)(圖6)。

隨著SIF遙感觀測(cè)平臺(tái)的增加、傳感器的多樣化、地面觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，用于監(jiān)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng) 的SIF時(shí)空數(shù)據(jù)越來越豐富。在時(shí)間尺度上，地基 SIF觀測(cè)可以達(dá)到亞分鐘尺度；在空間尺度上，無人 機(jī)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(tái)進(jìn)行天空地一體化SIF協(xié)同觀測(cè)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）