CN108693154A - 一种多角度观测精确反演植被阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法 - Google Patents
一种多角度观测精确反演植被阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108693154A CN108693154A CN201810382107.5A CN201810382107A CN108693154A CN 108693154 A CN108693154 A CN 108693154A CN 201810382107 A CN201810382107 A CN 201810382107A CN 108693154 A CN108693154 A CN 108693154A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- leaf
- light
- canopy
- sun
- observation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 229930002875 chlorophyll Natural products 0.000 title claims abstract description 20
- 235000019804 chlorophyll Nutrition 0.000 title claims abstract description 20
- ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M chlorophyll a Chemical compound C1([C@@H](C(=O)OC)C(=O)C2=C3C)=C2N2C3=CC(C(CC)=C3C)=[N+]4C3=CC3=C(C=C)C(C)=C5N3[Mg-2]42[N+]2=C1[C@@H](CCC(=O)OC\C=C(/C)CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)[C@H](C)C2=C5 ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 27
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 26
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 11
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 10
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 8
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 8
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 7
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims 1
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 description 9
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 description 8
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004177 carbon cycle Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 2
- 230000001568 sexual effect Effects 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000112598 Pseudoblennius percoides Species 0.000 description 1
- 241000209140 Triticum Species 0.000 description 1
- 235000021307 Triticum Nutrition 0.000 description 1
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 1
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000013405 beer Nutrition 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 1
- 238000011157 data evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002795 fluorescence method Methods 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000001766 physiological effect Effects 0.000 description 1
- 230000037039 plant physiology Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明提供了一种利用多角度观测系统获取的植被冠层光谱数据精确反演冠层阴阳叶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：多角度超高光谱观测系统的建立；多角度超高光谱数据的获取；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；利用叶片夹观测叶片反射率；利用冠层反射率和叶片反射率的比值，结合几何光学模型，计算不同观测角度阴阳叶的比例；通过最小二乘法拟合得到阴叶和阳叶的荧光。本发明可获取连续的多角度植被冠层超高光谱数据，用于反演叶绿素荧光，结合叶片反射率和几何光学模型，简单有效的计算不同观测角和太阳入射角的冠层阴阳叶比例，分别计算阴叶和阳叶的荧光，提高陆地初级生产力监测的精度。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种利用多角度观测系统获取的植被冠层光谱数据精确反演冠层阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法，具体地说，是指一种集成的多角度超高光谱自动观测系统获取多角度植被冠层反射光谱，计算不同太阳天顶角不同观测角下，植被冠层阴叶和阳叶各自叶绿素荧光的方法，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二氧化碳的能力，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 of plant 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荧光与模拟得到的生产力呈线性关系，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荧光与生产力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，光学遥感观测受到冠层的二向性反射的影响，单一角度的观测无法排除众多因素的干扰。而且，现有的研究很少考虑植被冠层内部阴影叶片(即阴叶)和光照叶片(即阳叶)在叶绿素荧光和光合作用方面的固有差别，必然会影响到冠层叶绿素荧光和生产力之间关系结论。越来越多的研究开始认识到阴叶和阳叶荧光的差别，试图从冠层观测数据中对其进行分离，以建立更好的光合作用生产力遥感估算模型。
三、发明内容
本发明的目的是：
提供一套利用多角度观测系统同时获取太阳入射光谱和植被冠层多角度反射光谱的方法，用于计算太阳辐照度和植被冠层不同角度的辐亮度，进而计算不同观测角度植被冠层的荧光。利用不同观测角度的冠层反射率和叶片反射率，模拟不同太阳天顶角下特定观测角度阴叶和阳叶的比例，进而估算阴叶和阳叶各自的荧光，作为准确估算生产力的基础。
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：超高光谱分辨率光谱仪、切换光路的光开关以同时获取太阳入射光和植被反射光，可垂直水平旋转的云台，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多角度的植被冠层反射光谱，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下的荧光变化趋势。结合多角度冠层反射率和叶片反射率，模拟不同时刻不同太阳天顶角特定观测角度阴叶和阳叶的比例，消除冠层二向性反射的影响，精确估算该观测角度瞬时的阴叶和阳叶各自的荧光。
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。光谱仪集成在恒温箱系统中，内置压缩机和升温设备，保证系统温度稳定。光谱仪仅一个光路通道，因此连接一个“Y”型分叉光纤，将一个光路分为两个，分叉光纤的两个光路连接到一个光路切换开关上。开关通过标配数据线与光谱仪连接，通过光谱仪与电脑的连接接收指令，进行光路切换的操作。开关另一端外接两个长光纤，构成两个光路，用于太阳入射光和冠层反射光的观测。光路1配合余弦接收器使用，测太阳入射光谱，余弦接收器水平向上安装。光路2为裸光纤，测冠层反射光谱，瞬时视场角为22.5°，安装在一个45°的支架上，使探头与垂直方向呈45°向下观测植被冠层。支架安装在FLIR公司提供的云台上，型号为PTU-D46-17.5W。云台旋转头安装在室外，通过数据线与云台控制器相连。旋转头水平旋转范围是-159°～159°，垂直旋转范围是-42°～37°，安装45°的支架后，探头观测天顶角的垂直范围改为3°～82°。云台控制器的信号传输接口为RS232，RS232转成USB接口与电脑连接。云台与下行光纤均安装在室外的水平架上，初始位置朝正北安装，以尽可能多的观测到冠层的阳叶部分。光谱仪恒温箱、分叉光纤和光路切换开关等配件安装在防水箱内，和云台控制器与电脑放置于户外百叶箱内。
2.软件控制。观测系统的软件由MATLAB与C语言混编，主体为MATLAB图形界面编写的程序。程序主要由光谱仪与云台的初始化、光谱仪积分时间优化、光谱仪扫描、云台转动、数据采集和数据存储等部分组成。
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：
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。
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。
云台通过水平和垂直旋转改变观测方位角和观测天顶角，观测方位角固定为由正西经正北向正东旋转的半圆，方位角一次改变10°。观测天顶角设定为当时的太阳天顶角，但当太阳天顶角大于40°时，观测天顶角设为40°。
3.观测的具体流程为：云台转到某一角度后，利用光路切换开关将光路切换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，随后利用光路切换开关关闭光路，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。然后利用光路切换开关打开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。至此一个观测循环结束，云台转到下一个角度。
4.数据处理。观测过程中每15分钟生成一个文件，为MATLAB特有的mat文件格式，由太阳入射光谱和冠层反射光谱及对应的积分时间和暗电流、太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角等部分构成。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ρMOD(λ)和FMOD(λ)分别是在相应的波段反射率和荧光的数学表达式，LTOC(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ρMOD(λ)和FMOD(λ)，从而计算得到F和ρ。
6.叶片反射率的获取。使用FluoWat叶片夹结合ASD FieldSpec3.0光谱仪(光谱分辨率1nm)进行叶片光谱的观测。使用叶片夹夹住叶片，将叶片表面垂直对准太阳光，叶片夹内部具备漫反射特性，在叶片夹出光处使用光谱仪光纤观测叶片反射光谱，然后将叶片换成白板，以同样方法观测白板的反射光谱，叶片反射光谱除以白板反射光谱可得到叶片反射率。
7.阴叶和阳叶荧光的计算。首先估算观测到的阴叶和阳叶的比例。根据四尺度几何光学模型，冠层反射率Rcan可分为四个分量光照叶片RT、光照背景RG、阴影叶片RS和阴影背景RZ：
Rcan＝RT×PT+RG×PG+RS×PS+RZ×PZ (3)
其中，PT、PG、PS和PZ分别为光照叶片、光照背景、阴影叶片和阴影背景的比例。根据比尔定律，不考虑光照背景和阴影背景反射率的差别，特定观测天顶角θV下，探头可视的背景比例可根据下式计算：
根据公式3，阴叶比例PS为：
PS＝1-PT-PVG (5)在计算阳叶比例时，引入叶片的反射率，利用冠层反射率Rcan与叶片反射率Rleaf在670nm处的比值代表冠层受光照的程度，即阳叶比例：
PT＝Rcan/Rleaf (6)
得到阴阳叶各自的比例后，利用每15分钟得到的不同观测角度的观测值SIFobs，根据公式7利用最小二乘法拟合阴叶和阳叶的荧光SIFsun和SIFsh。
SIFobs＝SIFsun×PT+SIFsh×PS (7)
与现有技术相比，本发明优势体现在：多角度观测系统可获取海量光谱信息，用于计算不同光强下的荧光和冠层反射率，并可校正观测几何引起的误差。利用叶片反射率，结合几何光学模型，建立了简单易实施的估算冠层阴阳叶比例的方法，进而反演特定观测角阴叶和阳叶各自的荧光。
具体有益效果如下：
本发明利用自动多角度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。本发明通过旋转光纤的探头改变观测角度，获取冠层的多角度反射光谱，利用叶片夹观测叶片反射率。将冠层反射率与叶片反射率之比作为观测到的阳叶的比例，结合几何光学模型，计算观测到的阴叶比例。利用不同观测角度观测到的阴阳叶比例不同，通过最小二乘法拟合估算阴叶和阳叶各自的荧光。
四、附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为观测系统主要仪器的连接示意图；
图3为防水箱内部实际效果图；
图4为内置光谱仪的防水箱放置于百叶箱的实际效果图；
图5为光谱仪光纤探头和云台安装的实际效果图；
图6为15分钟内不同观测角度的反射率曲线图；
图7为15分钟内荧光与不同观测角度和太阳夹角的关系图；
图8为观测到的阳叶比例在一天内的变化；
五、具体实施方式
以下通过实例对本发明作进一步解释：
以河南省商丘站架设的多角度观测系统为实例，根据技术方案步骤(1)所述，在塔上安装仪器。附图3为防水箱内部实际图，灰色箱体为密封放置光谱仪的恒温箱，可根据设定的温度采取升温或降温操作，以保证温度恒定。附图4为防水箱放置于百叶箱的实际效果图。商丘站植被为小麦和玉米，冠层最高约2米，光纤探头安装在离地面4米处。
根据技术方案步骤(2)所述，系统每天计算太阳天顶角，在太阳升起后开始采集光谱，太阳下落后停止采集。设定的初始积分时间为0.1秒，最长积分时间设定为6秒，targetDN为120000。
根据技术方案步骤(3)所述，利用观测系统获取每日连续光谱数据。然后根据技术方案步骤(4)所述的方法对光谱数据进行处理，求得太阳和冠层的辐亮度，并计算不同观测角度的冠层反射率。附图6为15分钟内不同观测角度的反射率曲线图，760nm处的尖峰代表荧光信号的强弱，可以看出不同角度荧光信号的强弱不同。
根据技术方案步骤(5)所述，利用太阳和冠层的辐亮度数据，采用光谱拟合法反演荧光，如附图7所示，为15分钟内荧光与不同观测角度和太阳夹角的关系图。夹角越小荧光值越大，表明荧光受观测几何的影响。
根据技术方案步骤(6)所述，在晴天条件下，利用叶片夹观测叶片反射光谱和白板的反射光谱，进而计算叶片反射率。根据技术方案步骤(7)所述，利用公式(6)计算冠层反射率与叶片反射率的比值，作为阳叶的比例，附图8所示为阳叶比例在一天内的变化。然后根据几何光学模型原理，利用公式(3)至公式(5)计算得到阴叶的比例。在15分钟的观测周期内，利用不同角度的荧光观测值和各角度的阴阳叶比例，根据公式(7)，即可通过最小二乘法拟合得到阴阳叶的荧光值。
根据本发明提出的方法，可获取连续的多角度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，数据量大可用性强。结合叶片反射率和几何光学模型，简单有效的计算不同观测角和太阳入射角的冠层阴阳叶比例，分别计算阴叶和阳叶的荧光，提高陆地初级生产力监测的精度。
Claims (3)
1.一种多角度观测精确反演植被阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法，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。光谱仪集成在恒温箱系统中，内置降温压缩机和升温设备，保证系统温度稳定。光谱仪仅一个光路通道，因此连接一个“Y”型分叉光纤，将一个光路分为两个，分叉光纤的两个光路连接到一个光路切换开关上。开关通过标配数据线与光谱仪连接，通过光谱仪与电脑的连接接收指令，进行光路切换的操作。开关另一端外接两个长光纤，构成两个光路，用于太阳入射光和冠层反射光的观测。光路1配合余弦接收器使用，测太阳入射光谱，余弦接收器水平向上安装。光路2为裸光纤，测冠层反射光谱，瞬时视场角为22.5°，安装在一个45°的支架上，使探头与垂直方向呈45°向下观测植被冠层。支架安装在FLIR公司提供的云台上，型号为PTU-D46-17.5W。云台旋转头安装在室外，通过数据线与云台控制器相连云台控制器的信号传输接口为RS232，RS232转成USB接口与电脑连接。云台与下行光纤均安装在室外的水平架上，初始位置朝正北安装，以尽可能多的观测到冠层的阳叶部分。光谱仪恒温箱、分叉光纤和光路切换开关等配件安装在防水箱内，和云台控制器与电脑放置于户外百叶箱内；
(2)利用MATLAB为平台编写的软件控制观测系统的运行，采用优化积分时间算法来确定光谱仪采集数据的积分时间，保证采集到的光谱信号精确有效。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：云台转到某一角度后，利用光路切换开关将光路切换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，随后利用光路切换开关关闭光路，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。然后利用光路切换开关打开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。至此一个观测循环结束，云台转到下一个角度；
(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ρMOD(λ)和FMOD(λ)分别是在相应的波段反射率和荧光的数学表达式，LTOC(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ρMOD(λ)和FMOD(λ)，从而计算F和ρ。；
(6)叶片反射率的获取。使用FluoWat叶片夹结合ASD FieldSpec3.0光谱仪进行叶片光谱的观测。使用叶片夹夹住叶片，将叶片表面垂直对准太阳光，在叶片夹出光处使用光谱仪光纤观测叶片反射光谱，然后将叶片换成白板，以同样方法观测白板的反射光谱，叶片反射光谱除以白板反射光谱得到叶片反射率。
(7)阴叶和阳叶荧光的计算。首先估算观测到的阴叶和阳叶的比例。冠层反射率Rcan分为四个分量光照叶片RT、光照背景RG、阴影叶片RS和阴影背景RZ：
Rcan＝RT×PT+RG×PG+RS×PS+RZ×PZ (3)
其中，PT、PG、PS和PZ分别为光照叶片、光照背景、阴影叶片和阴影背景的比例。不考虑光照背景和阴影背景反射率的差别，探头可视的背景比例根据下式计算：
根据公式3，阴叶比例为：
PS＝1-PT-PVG (5)
在计算阳叶比例时，引入叶片的反射率，利用冠层反射率与叶片反射率Rleaf在670nm处的比值代表冠层受光照的程度，即阳叶比例：
PT＝Rcan/Rleaf (6)
得到阴阳叶各自的比例，利用每15分钟得到的不同观测角度的观测值SIFobs，根据公式7利用最小二乘法拟合阴叶和阳叶的荧光SIFsun和SIFsh。
SIFobs＝SIFsun×PT+SIFsh×PS (7)
2.根据权利要求1所述的一种多角度观测精确反演植被阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法，其特征在于步骤(1)中，利用一个“Y”型分叉光纤，将光谱仪的一个光路分为两个，分叉光纤的两个光路连接到一个光路切换开关上。开关通过标配数据线与光谱仪连接，通过光谱仪与电脑的连接接收指令，进行光路切换的操作。开关另一端外接两个长光纤，构成两个光路用于太阳入射光和冠层反射光的观测。光路1配合余弦接收器使用，测太阳入射光谱，余弦接收器水平向上安装。光路2为裸光纤，测冠层反射光谱，瞬时视场角为22.5°，安装在云台上，通过云台的旋转改变观测角度。
3.根据权利要求1所述的一种多角度观测精确反演植被阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法，其特征在于步骤(7)中，在计算阳叶比例时，引入步骤(6)中获取的叶片的反射率，利用冠层反射率与叶片反射率Rleaf在670nm处的比值代表冠层受光照的程度，即阳叶比例。然后根据几何光学模型，计算得到阴叶比例。利用每15分钟得到的不同观测角度的观测值SIFobs，根据公式SIFobs＝SIFsun×PT+SIFsh×PS利用最小二乘法拟合阴叶和阳叶的荧光SIFsun和SIFsh。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810382107.5A CN108693154B (zh) | 2018-04-25 | 2018-04-25 | 一种多角度观测精确反演植被阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810382107.5A CN108693154B (zh) | 2018-04-25 | 2018-04-25 | 一种多角度观测精确反演植被阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108693154A true CN108693154A (zh) | 2018-10-23 |
| CN108693154B CN108693154B (zh) | 2020-08-14 |
Family
ID=63845088
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810382107.5A Active CN108693154B (zh) | 2018-04-25 | 2018-04-25 | 一种多角度观测精确反演植被阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108693154B (zh) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109900672A (zh) * | 2019-04-02 | 2019-06-18 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种利用高光谱遥感分离阴叶和阳叶叶绿素荧光的方法 |
| CN110132930A (zh) * | 2019-06-12 | 2019-08-16 | 东北师范大学 | 激光诱导叶绿素荧光的多角度激发探测装置及其分析方法 |
| CN110333206A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-10-15 | 南京大学 | 一种光谱仪对接分叉光纤应用的波长校正方法 |
| CN110726474A (zh) * | 2019-09-04 | 2020-01-24 | 南京艾格赛弗环境科技有限公司 | 一种地物超光谱高频观测系统及光谱观测方法 |
| CN111220552A (zh) * | 2020-01-15 | 2020-06-02 | 杭州电子科技大学 | 考虑光照方向叶片辐射传输模型的叶绿素高光谱反演方法 |
| CN111638195A (zh) * | 2020-05-12 | 2020-09-08 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种干旱监测方法和装置 |
| CN111766224A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-13 | 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 | 一种仅利用辐亮度数据反演叶绿素荧光光谱的方法 |
| CN113008843A (zh) * | 2019-12-22 | 2021-06-22 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 基于tropomi叶绿素荧光遥感的冬小麦旱情监测方法 |
| CN114008481A (zh) * | 2019-04-08 | 2022-02-01 | 米加尔加利利研究所有限公司 | 植物光合能力的遥感 |
| CN116992682A (zh) * | 2023-08-16 | 2023-11-03 | 南京大学 | 阴阳叶激发日光诱导叶绿素荧光估算总初级生产力的方法 |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0209247A1 (en) * | 1985-06-14 | 1987-01-21 | The British Petroleum Company p.l.c. | Instrument for measuring the photosynthetic activities of plants |
| CN2849714Y (zh) * | 2005-11-30 | 2006-12-20 | 黄敬峰 | 一种野外多角度反射光谱观测装置 |
| CN101514963A (zh) * | 2009-03-25 | 2009-08-26 | 北京市农林科学院 | 一种植被荧光探测方法及装置 |
| CN102313526A (zh) * | 2010-07-07 | 2012-01-11 | 中国科学院地理科学与资源研究所 | 一种多角度与多光谱遥感数据定量融合反演叶面积指数的方法 |
| CN103674852A (zh) * | 2013-08-22 | 2014-03-26 | 南京大学 | 一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法 |
| CN104568145A (zh) * | 2015-01-08 | 2015-04-29 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测系统及方法 |
| CN105842220A (zh) * | 2016-05-26 | 2016-08-10 | 伯格森(北京)科技有限公司 | 植被荧光时序测量系统及测量方法 |
| CN206038536U (zh) * | 2016-09-09 | 2017-03-22 | 丑述仁 | 一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置 |
| CN106525731A (zh) * | 2016-09-27 | 2017-03-22 | 北京农业信息技术研究中心 | 基于遥感与农学知识的冠层叶氮垂直分布探测方法及装置 |
| CN107271363A (zh) * | 2016-04-07 | 2017-10-20 | 北京林业大学 | 一种自动多角度光谱仪原位连续观测平台系统及控制方法 |
| CN107356569A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-11-17 | 河南农业大学 | 基于叶绿素荧光预测小麦籽粒产量的方法及其模型的构建方法 |
| CN107688003A (zh) * | 2017-09-04 | 2018-02-13 | 南京大学 | 一种消除植被冠层结构和地表背景影响的叶片反射率卫星遥感提取方法 |
-
2018
- 2018-04-25 CN CN201810382107.5A patent/CN108693154B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0209247A1 (en) * | 1985-06-14 | 1987-01-21 | The British Petroleum Company p.l.c. | Instrument for measuring the photosynthetic activities of plants |
| CN2849714Y (zh) * | 2005-11-30 | 2006-12-20 | 黄敬峰 | 一种野外多角度反射光谱观测装置 |
| CN101514963A (zh) * | 2009-03-25 | 2009-08-26 | 北京市农林科学院 | 一种植被荧光探测方法及装置 |
| CN102313526A (zh) * | 2010-07-07 | 2012-01-11 | 中国科学院地理科学与资源研究所 | 一种多角度与多光谱遥感数据定量融合反演叶面积指数的方法 |
| CN103674852A (zh) * | 2013-08-22 | 2014-03-26 | 南京大学 | 一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法 |
| CN104568145A (zh) * | 2015-01-08 | 2015-04-29 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测系统及方法 |
| CN107271363A (zh) * | 2016-04-07 | 2017-10-20 | 北京林业大学 | 一种自动多角度光谱仪原位连续观测平台系统及控制方法 |
| CN105842220A (zh) * | 2016-05-26 | 2016-08-10 | 伯格森(北京)科技有限公司 | 植被荧光时序测量系统及测量方法 |
| CN206038536U (zh) * | 2016-09-09 | 2017-03-22 | 丑述仁 | 一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置 |
| CN106525731A (zh) * | 2016-09-27 | 2017-03-22 | 北京农业信息技术研究中心 | 基于遥感与农学知识的冠层叶氮垂直分布探测方法及装置 |
| CN107356569A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-11-17 | 河南农业大学 | 基于叶绿素荧光预测小麦籽粒产量的方法及其模型的构建方法 |
| CN107688003A (zh) * | 2017-09-04 | 2018-02-13 | 南京大学 | 一种消除植被冠层结构和地表背景影响的叶片反射率卫星遥感提取方法 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| F.G. HALL ET AL.: "Multi-angle remote sensing of forest light use efficiency by observing PRI variation with canopy shadow fraction", 《REMOTE SENSING OF ENVIRONMENT》 * |
| QIAN ZHANG ET AL.: "Ability of the Photochemical Reflectance Index to Track Light Use Efficiency for a Sub-Tropical Planted Coniferous Forest", 《REMOTE SENS.》 * |
| 张乾: "基于多角度光谱数据光化学反射指数与冠层光能利用率关系的构建", 《中国博士学位论文全文数据库基础科学辑》 * |
| 张乾等: "森林冠层多角度高光谱观测系统的实现与分析", 《南京林业大学学报》 * |
| 杨志青等: "城市绿地生态系统多角度高光谱光化学反射植被指数与光能利用率的关系", 《植物生态学报》 * |
| 郑腾飞等: "多角度高光谱对光化学反射植被指数估算光能利用率的影响探究", 《热带气象学报》 * |
| 陈蝶聪等: "基于通量和光谱观测的中亚热带人工针叶林光能利用效率的反演", 《应用生态学报》 * |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109900672A (zh) * | 2019-04-02 | 2019-06-18 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种利用高光谱遥感分离阴叶和阳叶叶绿素荧光的方法 |
| CN114008481A (zh) * | 2019-04-08 | 2022-02-01 | 米加尔加利利研究所有限公司 | 植物光合能力的遥感 |
| CN110333206A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-10-15 | 南京大学 | 一种光谱仪对接分叉光纤应用的波长校正方法 |
| CN110132930A (zh) * | 2019-06-12 | 2019-08-16 | 东北师范大学 | 激光诱导叶绿素荧光的多角度激发探测装置及其分析方法 |
| CN110132930B (zh) * | 2019-06-12 | 2023-11-14 | 东北师范大学 | 激光诱导叶绿素荧光的多角度激发探测装置及其分析方法 |
| CN110726474A (zh) * | 2019-09-04 | 2020-01-24 | 南京艾格赛弗环境科技有限公司 | 一种地物超光谱高频观测系统及光谱观测方法 |
| CN113008843A (zh) * | 2019-12-22 | 2021-06-22 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 基于tropomi叶绿素荧光遥感的冬小麦旱情监测方法 |
| CN111220552B (zh) * | 2020-01-15 | 2022-10-04 | 杭州电子科技大学 | 考虑光照方向叶片辐射传输模型的叶绿素高光谱反演方法 |
| CN111220552A (zh) * | 2020-01-15 | 2020-06-02 | 杭州电子科技大学 | 考虑光照方向叶片辐射传输模型的叶绿素高光谱反演方法 |
| CN111638195A (zh) * | 2020-05-12 | 2020-09-08 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种干旱监测方法和装置 |
| CN111766224A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-13 | 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 | 一种仅利用辐亮度数据反演叶绿素荧光光谱的方法 |
| CN111766224B (zh) * | 2020-07-06 | 2021-12-07 | 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 | 一种仅利用辐亮度数据反演叶绿素荧光光谱的方法 |
| CN116992682A (zh) * | 2023-08-16 | 2023-11-03 | 南京大学 | 阴阳叶激发日光诱导叶绿素荧光估算总初级生产力的方法 |
| CN116992682B (zh) * | 2023-08-16 | 2024-03-19 | 南京大学 | 阴阳叶激发日光诱导叶绿素荧光估算总初级生产力的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108693154B (zh) | 2020-08-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108693154A (zh) | 一种多角度观测精确反演植被阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法 | |
| Liu et al. | Measurement and analysis of bidirectional SIF emissions in wheat canopies | |
| de Mattos et al. | Variation in canopy structure, leaf area, light interception and light use efficiency among Eucalyptus clones | |
| Ryu et al. | Monitoring multi-layer canopy spring phenology of temperate deciduous and evergreen forests using low-cost spectral sensors | |
| Kidston et al. | Energy balance closure using eddy covariance above two different land surfaces and implications for CO 2 flux measurements | |
| Matzinger et al. | Surface radiation budget in an Alpine valley | |
| CN103674852B (zh) | 一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法 | |
| Jing et al. | The effects of clouds and aerosols on net ecosystem CO 2 exchange over semi-arid Loess Plateau of Northwest China | |
| CN103886130B (zh) | 森林火灾可燃物燃烧效率的估算方法 | |
| CN108286962B (zh) | 一种水环境光谱库的建立方法及系统 | |
| CN104155007B (zh) | 一种多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置 | |
| CN108593611B (zh) | 一种植被叶绿素荧光的双通道自动观测方法 | |
| Flerchinger et al. | Surface fluxes and water balance of spatially varying vegetation within a small mountainous headwater catchment | |
| Linkosalmi et al. | Digital photography for assessing the link between vegetation phenology and CO 2 exchange in two contrasting northern ecosystems | |
| Jia et al. | Remote sensing of variation of light use efficiency in two age classes of Douglas-fir | |
| Kilinc et al. | An analysis of the surface energy budget above the world's tallest angiosperm forest | |
| Deng et al. | Infrared radiative performance of urban trees: spatial distribution and interspecific comparison among ten species in the UK by in-situ spectroscopy | |
| CN106872030B (zh) | 可用于长期自动观测的可见-短波红外超光谱辐照度仪 | |
| CN108132097A (zh) | 一种探测器探头、光功率计以及光功率测量方法 | |
| Sakai et al. | Quantifying the spatio-temporal variability of net primary production of the understory species, Sasa senanensis, using multipoint measuring techniques | |
| Wang et al. | CO 2 flux evaluation over the evergreen coniferous and broad-leaved mixed forest in Dinghushan, China | |
| MX2012009654A (es) | Espectrofotometro portatil y metodo de caracterizacion de tubos de colectores solares. | |
| CN107945162A (zh) | 基于计算机视觉技术对红火蚁巢的检测识别方法 | |
| Dou et al. | Surface energy balance fluxes in a suburban area of Beijing: energy partitioning variability | |
| Guo et al. | Research of light use efficiency for Paddy Rice using multi-angle hyperspectral observations |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |