CN108593611B - 一种植被叶绿素荧光的双通道自动观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用棱镜拆分光路的光谱观测系统获取的植被冠层光谱数据精确反演冠层日光诱导叶绿素荧光的方法，属于植被遥感反演参数获取方法的研究领域。其步骤为：利用棱镜拆分并切换光路的高光谱观测系统的建立；超高光谱数据的自动连续获取；计算太阳入射和冠层反射辐亮度；计算冠层反射率和反演叶绿素荧光。本发明通过旋转棱镜，交替获取太阳入射光谱和冠层反射光谱，保证进入光谱仪光路的唯一性，避免双光路或多光路对光的衰减和相互间谱端的偏移，降低荧光反演的噪声干扰，可得到连续高质量的植被冠层荧光数据产品，提高陆地初级生产力监测的精度。

Description

一种植被叶绿素荧光的双通道自动观测方法

一、技术领域

本发明涉及一种利用自动观测系统连续获取的植被冠层光谱数据计算冠层日光诱导叶绿素荧光的方法，具体地说，是指一种集成的超高光谱自动观测系统同时获取太阳入射光谱和植被冠层反射光谱，计算植被冠层日光诱导叶绿素荧光的方法，属于植被遥感反演参数获取方法的研究领域。

二、背景技术

植被总初级生产力是指植物通过光合作用固化CO₂的能力，是陆地生态系统在自然条件下的生产能力。植被总初级生产力是全球碳循环的最大碳通量，植被总初级生产力直接决定了陆地生态系统后序碳循环要素，也关系到陆地生态系统对人类可持续发展的支持能力。因此，植被总初级生产力是估算地球支持能力和评价生态系统可持续发展的重要指标，也一直是目前地球系统科学研究的热点。目前陆地生态系统生产力估算主要有生态系统模型和基于植被指数的光能利用率模型。由于目前模型对于一些关键的生态过程描述不清，或者由于模型结构、参数和输入数据等方面的原因，当前模型生产力的估算尚存在较大的不确定性，模拟能力仍有待提高。而现有遥感技术虽然能提取出与地表碳通量、储量相关的植被参数，但是这些植被参数无法直接反应植物生理活动，不能直接反应陆地生态系统碳通量信息，因此需要用新的观测数据对模型估算进行优化，以提高对区域植被生产力的模拟精度。

日光诱导叶绿素荧光弥补了当前植被遥感观测的不足，可以为陆地生态系统生产力估算提供新的思路和方法。日光诱导叶绿素荧光(以下简称荧光)是由植物光合中心发射出的光谱信号(650-800nm)，可以反映植被的光合作用状态，被誉为“光合探针”。植被吸收的光能有三个去向，分别是光合作用、热耗散和荧光。植被用于光合作用的能量不足吸收光能的20％，而大部分能量通过热耗散释放，少部分能量通过荧光形式释放。由于这三种能量紧密相关，存在着此消彼长的关系，因此在吸收太阳辐射能量一定的情况下，可以通过观测荧光更为直接探测植被的光合作用等有关信息。相比植被指数，荧光更能够反映植被的光合动态变化，因此逐渐成为陆地生态系统生产力估算的研究热点。

Frankenberg等人在“New global observations of the terrestrial carboncycle from GOSAT：Patterns ofplant fluorescence with gross primaryproductivity”一文中提出通过卫星反演荧光的方法，利用叶绿素荧光遥感探测区域及全球尺度植被光合作用，进而估算陆地生态系统生产力。在全球和季节尺度上GOSAT卫星反演得到的近红外波段的SIF与模拟得到的GPP呈线性关系，但不同生态系统差异明显。同时，虽然卫星荧光遥感的结果揭示SIF与GPP在季节尺度上具有线性关系，但观测与模拟研究表明，受环境因素影响，叶片和冠层的叶绿素荧光和光合作用的关系呈非线性，尤其是在短时间尺度上。这表明荧光与生产力的关系还受到其他因素如植被的冠层结构、相关植物生理机制影响。

因此，为了利用荧光遥感信息估算生产力，确定不同时间、空间尺度下的荧光与生产力的关系，对不同生态系统和环境条件下冠层荧光和光合作用的长期连续同步观测十分重要。在不同的生态系统和环境条件下对冠层叶绿素荧光和光合作用的长期同步连续观测，有利于为基于叶绿素荧光的不同生态系统的生产力估算模型提供有效的数据，同时可以对卫星数据作为验证参考，对当前正在发展的基于叶绿素荧光遥感的光合作用探测及全球碳循环模拟有重要意义。

然而，荧光的观测需要亚纳米级光谱分辨率的光谱仪，而市面上可用的光谱仪种类有限，且只能接收一个光路，若要同时获取太阳入射光和冠层反射光，需将一个光路转换为两个；另外光谱仪运行环境要求高，为降低噪声的干扰，需将光谱仪放置在恒温箱内。因此，研制一套能够长期稳定运行，同时观测太阳入射光和冠层反射光的集成观测系统尤为重要。

三、发明内容

本发明的目的是：

提供一套能够稳定运行的超高光谱观测系统，同时获取太阳入射光谱和植被冠层反射光谱的方法，用于计算太阳入射辐照度和植被冠层的辐亮度，进而反演植被冠层的荧光，作为估算冠层尺度生产力的基础。

本发明的原理如下：

利用一套安装在通量塔上的全自动多角度超高光谱观测系统，该系统主要由以下设备组成：装有超高光谱分辨率光谱仪的温控箱、装有切换光路的棱镜的密封室，和连接二者光路的光纤，以同时获取太阳入射光和植被反射光，以及装载自动观测软件平台的电脑。该系统可长期获取每日连续的太阳入射光谱和植被冠层反射光谱，用于计算太阳辐照度和冠层辐亮度，进而计算冠层荧光，可获得不同太阳入射光强、不同天气条件下的荧光变化趋势。

本发明的技术方案主要包括以下步骤：

1.首先建立光谱观测硬件系统。超高光谱分辨率光谱仪由美国Ocean optics公司生产，型号为QEPRO，光谱范围为650-800nm，光谱分辨率为0.3nm，通过USB接口与电脑连接传输信号。光谱仪内部有光路开关，可控制外界光是否能够进入光谱仪，默认为打开状态。光谱仪密封在温控箱中，内置TEC降温设备，设定温度为25℃，避免环境温度过高。

光谱仪仅一个光路通道，为了能够同时观测太阳入射光谱和冠层反射光谱，需将一个光路拆分为双通道的光路。采用装有直角反光棱镜的密封腔体将光路一分为二并在两个光路间进行切换。棱镜由美国Edmund optics公司生产销售，为直角三角柱体，直角所对的面覆盖一层镀铝氟化镁的反射涂层，可全反射200nm-1000nm波长的光。棱镜两个直角面，直角面I进入的光打到反射面上，光传播方向改变90°，由直角面II射出。腔体为长方体，有两个进光孔，对称分布在两个相对的面上，孔中心在一条直线上，均装配有余弦校正器，可接收半球入射光。一个出光孔在另外一个面上，垂直于孔中心的直线与进光孔所在直线垂直，且两条线的交点在两个进光孔的中心位置，棱镜反射面的中心点与此交点重合。棱镜直角II面始终与出光孔所在面平行，另一个直角面I与两个进光孔所在面平行，可将进光孔射入的光反射90°到出光孔。反射面固定在棱镜基座，基座与电机相连，电机控制基座旋转180°，使直角面II在两个进光孔之间切换，某一时刻仅一个进光孔的光可反射到达出光孔，以此达到将光路一分为二并实现光路间切换的目的。光谱仪进光口与光纤一端连接，光纤另一端接入棱镜腔室的出光口。

野外安装时，棱镜腔室安装在观测塔水平杆前端。腔室进光孔均装配余弦校正器使用，其中一个余弦校正器水平向上安装，测太阳入射光谱，另一个向下安装，测冠层反射光谱。为避免塔的阴影对向上的余弦校正器造成影响，水平杆一般朝向南方。光谱仪恒温箱安装在防水箱内，防水箱内同时集成一台微型电脑，控制光谱仪的运行和数据采集存储。防水箱放置于户外百叶箱内，为保证系统在野外运行稳定，配置一部稳压器提供电压稳定的电源。

2.软件控制。观测系统的软件由C#语言编写，程序主要由光谱仪的初始化、光谱仪积分时间优化、光谱仪扫描、数据采集、数据存储、反射率和荧光的计算等部分组成。

由于野外天气不确定性以及光谱仪记录数值范围有限为达到光谱仪最佳的探测效果，既不使记录数据过小，也不使记录数据饱和，本系统采用了自动优化积分时间的方法，通过太阳光强度变化自动调节采集光谱的时间，保证采集到的光谱信号精确有效。计算公式为：

I＝IT×targetDN/max (1)

其中，IT为自定义的初始积分时间，targetDN为用户自定义的理想光谱仪记录值，max为在用户自定义IT时间内采集到的光谱最大的光谱仪记录值。

采用自动优化积分时间之后，光谱仪记录的值始终在理想的记录值范围内，光照强度减弱时，积分时间会增强，光照强度增加时，积分时间相应减弱。同时，为系统设定最大积分时间，若积分时间达到最大积分时间时，无论记录值是否达到理想状态均进行记录，防止出现积分时间无穷大的情况。

3.观测的具体流程为：棱镜转至太阳入射光观测光路，按照初始积分时间采集一条太阳入射光谱，使用公式1计算优化的积分时间，然后按照优化的积分时间观测一条太阳入射光谱并记录数据，随后关闭光谱仪内部光路开关，按优化的积分时间记录一条暗电流，即没有光进入光谱仪而由光谱仪自身产生的噪声数据。然后棱镜转至冠层反射光观测光路，重复以上步骤以获取冠层反射光谱和对应的暗电流。最后，以上述步骤再次观测一条太阳入射光谱和对应积分时间的暗电流，至此一个观测循环结束，此种观测方法称为三明治观测。

4.数据处理。观测过程中获取的每一条太阳入射光谱和冠层反射光谱均记录在独立的txt文件中，同时记录有对应的积分时间和暗电流等信息。由于光谱仪记录值不具有物理含义，需要利用记录有不同波段辐亮度值的标准光源对光谱仪进行定标，获取可将光谱仪记录值转换为辐亮度的定标系数。观测获得的光谱数据，首先减去暗电流，以消除仪器自身的噪声，然后除以积分时间，将积分时间归一化到1秒，再乘以定标系数，即可得到辐亮度值，用于随后叶绿素荧光的反演。冠层反射光的辐亮度除以太阳入射光的辐亮度即为反射率。

5.荧光的反演。太阳辐射在760nm左右存在一个氧气吸收井，光谱曲线呈凹陷状态，荧光由植物向外发射，可填充这个吸收井，通过对比太阳入射光谱和冠层反射光谱吸收井暗线与其相邻波段的辐亮度相对强度，可反演提取得到冠层荧光。暗线处的冠层反射由冠层的真实反射ρ和荧光F两部分组成，采用光谱拟合方法反演荧光F，可将ρ和F用多项式模型表达，冠层反射的辐亮度L表示为：

式中ρ_MOD(λ)和F_MOD(λ)分别是在相应的波段反射率和荧光的数学表达式，L_TOC(λ)表示观测的冠层反射辐亮度，E(λ)为太阳入射的辐亮度，ε(λ)表示每个波段观测值和拟合值的残差项。通过最小二乘解线性方程组，可以得到ρ_MOD(λ)和F_MOD(λ)，从而计算F和ρ。

与现有技术相比，本发明优势体现在：利用棱镜的转动实现太阳入射光和冠层反射光的观测，从根本上讲，连接光谱仪的光路仅与其相接的一根光纤，并未使用额外的光纤增加光路，保证了进入光谱仪光路的唯一性，避免了额外光路对光谱造成的衰减和光谱偏移，建立了简单高效的获取植被观测荧光的方法。

具体有益效果如下：

本发明利用自动超高光谱观测系统获取植被海量的光谱数据，提供了一种连续高效的反演植被冠层荧光的方法。本发明通过旋转棱镜，交替获取太阳入射光谱和冠层反射光谱，保证进入光谱仪光路的唯一性，避免双光路或多光路对光的衰减和相互间谱端的偏移，降低荧光反演的噪声干扰，可得到连续高质量的植被冠层荧光数据产品。

四、附图说明

图1为本发明的观测系统安装和连接图；

图2为棱镜腔室整体结构图；

图3为棱镜腔室尺寸图；

图4为棱镜腔室内部电机旋转轴尺寸图；

图5为与电机旋转轴相连的固定棱镜的底座结构和尺寸图；

图6为棱镜腔室内部图；

图7为棱镜腔室外部图；

图8为装配控制电脑的机箱图；

图9为装配光谱仪的机箱内部图；

图10为控制系统运行的软件界面显示的荧光值；

图11为观测系统观测的植被冠层反射率。

五、具体实施方式

以下通过实例对本发明作进一步解释：

根据技术方案步骤(1)所述，制作棱镜腔室，安装观测系统。附图2至附图5为自主设计绘制的棱镜腔室结构和尺寸图，附图6为装配好棱镜的腔室内部实际图，在进行野外光谱观测时，腔室内部除棱镜外均需做发黑处理，以防止腔内壁反光对光路造成影响。附图7为安装完整的棱镜腔室外部实际图，上下进光孔装有余弦校正器，左侧出光孔接光纤，光纤另一端接入光谱仪，左侧为电机。棱镜腔室安装时需保证进光孔余弦垂直于水平面。附图8为装配控制电脑的机箱，面板中部安装工控机，装有控制系统运行的软件。附图9为装配光谱仪的机箱内部图，野外观测时防置光谱仪箱体需密封并布放干燥剂，箱体内装有TEC降温设施，面板上方为TEC显示器，可设定预期温度。

根据技术方案步骤(2)和步骤(3)所述，采用优化积分的算法计算积分时间，自动采集太阳入射光谱和冠层反射光谱数据，以及对应积分时间的暗电流。每天太阳高度角大于0°的时候开始采集光谱，太阳高度角小于0°的时候停止运行。

根据技术方案步骤(4)所述，将观测的光谱数据减去暗电流，并将积分时间归一化到1秒，根据各波段的辐亮度定标系数，计算太阳入射辐照度和冠层反射辐亮度。然后技术方案步骤(5)所述，采用光谱拟合法反演荧光，并实时显示在工控机控制系统运行的软件界面上。以盆栽植物为观测对象测试系统运行状况，附图10为软件界面显示的荧光实时的变化。附图11为某一时刻获取的光谱数据计算的反射率，图中可以看到曲线整体平滑，760nm处的波峰为荧光的信号，峰越突出代表荧光信号越强。峰右侧出现小范围的波动，波动大代表噪声大，而本系统观测的数据波动较小，凸显利用棱镜分解光路的优点。

根据本发明提出的方法，可获取高质量连续的植被冠层超高光谱数据，用于计算太阳和冠层辐亮度，可计算反射率和反演荧光，根据荧光与光合作用紧密的关系，有助于提高陆地初级生产力估算的精度。

Claims (2)

1.一种植被叶绿素荧光的双通道自动观测的方法，其主要包括以下步骤：

(1)超高光谱观测硬件系统的建立；超高光谱分辨率光谱仪由美国Ocean optics公司生产，型号为QEPRO，光谱范围为650-800nm，光谱分辨率为0.3nm，通过USB接口与电脑连接传输信号；光谱仪内部有光路开关，可控制外界光是否能够进入光谱仪，默认为打开状态；光谱仪密封在温控箱中，内置TEC降温设备，设定温度为25℃，避免环境温度过高；

光谱仪仅一个光路通道，采用装有直角反光棱镜的密封腔体将单通道光路分为双通道光路，并在两个光路间进行切换；棱镜为直角三角柱体，直角所对的面覆盖一层镀铝氟化镁的反射涂层，可全反射200nm-1000nm波长的光；棱镜两个直角面，直角面I进入的光打到反射面上，光传播方向改变90°，由直角面II射出；腔体为长方体，有两个进光孔，对称分布在两个相对的面上，孔中心在一条直线上，均装配有余弦校正器，接收半球入射光；一个出光孔在另外一个面上，垂直于孔中心的直线与进光孔所在直线垂直，且两条线的交点在两个进光孔的中心位置，棱镜反射面的中心点与此交点重合；棱镜直角II面始终与出光孔所在面平行，另一个直角面I与两个进光孔所在面平行，可将进光孔射入的光反射90°到出光孔；反射面固定在棱镜基座，基座与电机相连，电机控制基座旋转180°，使直角面II在两个进光孔之间切换，进光孔的光反射到达出光孔，达到将光路一分为二并实现光路间切换的目的；光谱仪进光口与光纤一端连接，光纤另一端接入棱镜腔室的出光口；

野外安装时，棱镜腔室安装在观测塔水平杆前端；腔室进光孔均装配余弦校正器使用，其中一个余弦校正器水平向上安装，测太阳入射光谱，另一个向下安装，测冠层反射光谱，光谱仪恒温箱安装在防水箱内，防水箱内同时集成一台微型电脑，控制光谱仪的运行和数据采集存储；

(2)利用C#语言编写系统控制程序，由光谱仪的初始化、光谱仪积分时间优化、光谱仪扫描、数据采集、数据存储、反射率和荧光的计算组成；优化的积分时间计算公式为：

T＝IT×targetDN/max (1)

其中，IT为自定义的初始积分时间，targetDN为用户自定义的理想光谱仪记录值，max为在用户自定义IT时间内采集到的光谱最大的光谱仪记录值；

同时，设定最大积分时间，防止出现积分时间无穷大的情况；

(3)观测的具体流程为：棱镜转至太阳入射光观测光路，按照初始积分时间采集一条太阳入射光谱，使用公式1计算优化的积分时间，然后按照优化的积分时间观测一条太阳入射光谱并记录数据，随后关闭光谱仪内部光路开关，按优化的积分时间记录一条暗电流，即没有光进入光谱仪而由光谱仪自身产生的噪声数据；然后棱镜转至冠层反射光观测光路，重复以上步骤以获取冠层反射光谱和对应的暗电流；最后，以上述步骤再次观测一条太阳入射光谱和对应积分时间的暗电流，至此一个观测循环结束，此种观测方法称为三明治观测；

(4)利用记录有不同波段辐亮度值的标准光源对光谱仪进行定标，获得将光谱仪记录值转换为辐亮度的定标系数；观测获得的光谱数据，首先减去暗电流，然后除以积分时间，将积分时间归一化到1秒，再乘以定标系数，得到辐亮度值；冠层反射光的辐亮度除以太阳入射光的辐亮度得到反射率；

(5)冠层反射由冠层的真实反射ρ和荧光F两部分组成，采用光谱拟合方法反演荧光F，可将ρ和F用多项式模型表达，冠层反射的辐亮度L表示为：

式中ρ_MOD(λ)和F_MOD(λ)分别是在相应的波段反射率和荧光的数学表达式，L_TOC(λ)表示观测的冠层反射辐亮度，E(λ)为太阳入射的辐亮度，ε(λ)表示每个波段观测值和拟合值的残差项；通过最小二乘解线性方程组，得到ρ_MOD(λ)和F_MOD(λ)，从而计算F和ρ。

2.根据权利要求1所述的一种植被叶绿素荧光的双通道自动观测的方法，其特征在于步骤(1)中，无论采集太阳入射光谱还是冠层反射光谱，使用装有直角反光棱镜的密封腔体保证进入光谱仪光路的唯一性，降低荧光反演的噪声干扰。

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