葉綠素?zé)晒獬上窆庾V儀系統(tǒng)

1、 葉綠素?zé)晒獬上窆庾V儀系統(tǒng)介紹

基本原理：

日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF，Solar-Induced chlorophyll Fluorescence)反演機(jī)理：太陽輻射譜線經(jīng)過太陽大氣和地球大氣中各成分的吸收，到達(dá)傳感器時(shí)存在寬度不等(0.1nm-10nm)、深度不同的吸收谷，稱為夫瑯和費(fèi)暗線(Fraunhofer Lines)。SIF作為地表發(fā)射信號，疊加于反射信息之上，改變了夫瑯和費(fèi)暗線的深度，利用SIF對夫瑯和費(fèi)暗線的“井”填充效應(yīng)，通過比對原始暗線深度及經(jīng)SIF填充后的暗線深度，可以實(shí)現(xiàn)SIF的遙感反演。由于反演SIF至少利用一條夫瑯和費(fèi)暗線，且對于任意一條暗線，傳感器的光譜分辨率愈高，觀測得到的原始暗線深度愈深，SIF對暗線的填充效應(yīng)愈明顯，則SIF反演的魯棒性愈強(qiáng)。因此，SIF的遙感反演需要在高光譜分辨率條件下實(shí)現(xiàn)，其核心問題為如何準(zhǔn)確得到未被熒光填充的原始暗線和被熒光填充后的暗線。

日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF(Sun/Solar-induced Chlorophyll Fluorescence)是植物在太陽光照條件下，由光合中心發(fā)射出的光譜信號(650—800 nm)，具有紅光(690 nm左右)和近紅外(740 nm左右)兩個(gè)波峰，能直接反映植物實(shí)際光合作用的動態(tài)變化。

SIF遙感是近年迅速發(fā)展起來的植被遙感技術(shù)，可彌補(bǔ)當(dāng)前植被遙感觀測的不足，為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和植被監(jiān)測等提供了新的思路和技術(shù)。

以基于“綠度”觀測的植被指數(shù)(如NDVI)為代表的植被遙感在過去30年極大地促進(jìn)了從宏觀尺度上來理解和認(rèn)識地球生物圈，但其只能通過“綠度”來探測植物“潛在光合作用”。

葉綠素?zé)晒庠谥脖还夂仙硖綔y方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，是“實(shí)際光合作用”的直接探測方法。可以說植被葉綠素?zé)晒膺b感是近10年來植被遙感領(lǐng)域*具突破性的研究前沿。隨著研究和技術(shù)的發(fā)展，SIF遙感*近10幾年來得到了長足的進(jìn)步。SIF是光下測量葉綠素?zé)晒獾牡湫痛?，通過測量上行輻亮度對下行太陽光譜Fraunhofer暗線的填充來反演植被發(fā)出的葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度，通常會得到如下的光譜曲線。

圖1 反演植被發(fā)出的葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度

技術(shù)指標(biāo)：

? 成像光譜范圍：670-780nm（650- 800nm）

? 成像傳感器：SCMOS（制冷/非制冷）

? 光譜分辨率：0.3~0.4nm

? 光譜采樣間隔：0.1nm

? 光譜波段數(shù)：100~1000個(gè)波段

? SNR：優(yōu)于1000:1（峰值信噪比）

? 入射狹縫寬度：30μm

? 成像鏡頭：25mm定焦鏡頭

? 空間圖像分辨率：≥1200*1000

? 幀頻：1fps~100fps

? 接口：USB3.0

? 重量：＜2.27Kg;

主要功能：

? 動曝光、自動對焦、自動掃描速度匹配

? Shutter快門

? 輻射度、均勻性、鏡頭、反射率校準(zhǔn)

? 太陽光實(shí)時(shí)采集（余弦校正器）

? 內(nèi)置電池

? 內(nèi)置推掃成像

? 輔助攝像監(jiān)控

? 紅外熱成像

? 實(shí)時(shí)反演輸出

圖2 系統(tǒng)硬件及軟件界面

數(shù)據(jù)處理分析：

? 反射光譜數(shù)據(jù)存儲及輸出

? 高光譜數(shù)據(jù)立方體圖

? 實(shí)時(shí)太陽光譜采集/校正

? 植被指數(shù)：歸一化指數(shù)N DV I、比值指數(shù)SR、改進(jìn)的葉綠素吸收反射指數(shù)MCARI、改進(jìn)的葉綠素吸收反射指數(shù)1MCARI1、*優(yōu)化土壤調(diào)整植被指數(shù)OSAVI等，也支持自定義波段計(jì)算公式。

反演模型：

技術(shù)特點(diǎn)：

參考光源強(qiáng)度信息與待測目標(biāo)圖像的實(shí)時(shí)同幀并行采集功能

SIF成像光譜儀的入射狹縫區(qū)域中，設(shè)計(jì)有專門為光纖收集實(shí)時(shí)參考光源強(qiáng)度信息的結(jié)構(gòu)，余弦校正模組會對收集來自各方的光進(jìn)行勻化后，再經(jīng)光纖傳導(dǎo)到入射狹縫的前端，確保在進(jìn)行掃描成像時(shí)，每一幀頻都會記錄其獨(dú)立且與之同步對應(yīng)的參考光源信息。避免因光強(qiáng)變化而引起的校準(zhǔn)誤差，確保校準(zhǔn)的相對獨(dú)立性，為定量研究等提供支持。

圖3 實(shí)時(shí)光纖光強(qiáng)采集

波段自定義設(shè)定和采樣間隔自定義

在軟件界面上，可對自定義光譜起始波段、終止波段、采用間隔的參數(shù)設(shè)置；且支持多個(gè)類似的操作，對感興趣區(qū)域和光譜細(xì)分精度進(jìn)行設(shè)置，對非感興趣區(qū)域進(jìn)行波段數(shù)量縮減，進(jìn)而增加有效信號的提取和減少冗余數(shù)據(jù)量，提升采集效率的同時(shí)又保證了數(shù)據(jù)精度。