“天空地”一體化下的日光誘導葉綠素熒光

1.什麼是日光誘導葉綠素熒光

？

自然狀態下
，植被吸收的太陽光主要用於3個方向：光合作用中的光化學反應

、熱量散失和以長波（650~800nm）的形式發射出去，即日光誘導葉綠素熒光信號（Solar-induced chlorophyll fluorescence, SIF）（圖1）。這3部(bu)分(fen)能(neng)量(liang)不(bu)僅(jin)與(yu)植(zhi)被(bei)的(de)生(sheng)理(li)有(you)著(zhe)密(mi)切(qie)的(de)聯(lian)係(xi)
，而(er)且(qie)彼(bi)此(ci)之(zhi)間(jian)還(hai)存(cun)在(zai)著(zhe)類(lei)似(si)競(jing)爭(zheng)的(de)關(guan)係(xi)，所(suo)以(yi)探(tan)測(ce)葉(ye)綠(lv)素(su)熒(ying)光(guang)是(shi)一(yi)種(zhong)可(ke)以(yi)更(geng)加(jia)直(zhi)接(jie)獲(huo)取(qu)到(dao)植(zhi)被(bei)光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)相(xiang)關(guan)信(xin)息(xi)的(de)方(fang)法(fa)。

日光誘導葉綠素熒光SIF（solar-induced chlorophyll fluorescence）是指植物葉綠體在太陽光照條件下葉片自身發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bo長chang處chu存cun在zai兩liang個ge明ming顯xian的de熒ying光guang峰feng值zhi。葉ye綠lv素su熒ying光guang可ke以yi直zhi接jie反fan映ying光guang合he作zuo用yong光guang反fan應ying中zhong的de電dian子zi傳chuan遞di速su率lv大da小xiao
，而er電dian子zi傳chuan遞di速su率lv又you受shou光guang合he作zuo用yong暗an反fan應ying中zhong碳tan同tong化hua的de影ying響xiang
，因yin此ci

，葉ye綠lv素su熒ying光guang可ke以yi作zuo為wei無wu損sun 監測植被光合作用的理想“探針”。近年來，研究表明，SIF 遙感為大範圍監測全球植被光合作用提供了一種全新的測量方式，其估算能力優於植被“綠度”指數的遙感方法。此外，SIF在研究植物的逆境、脅迫、病理等與生態係統變化相關的問題上，也發揮著重要作用。

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

2.日光誘導葉綠素熒光直接遙感探測

在(zai)自(zi)然(ran)光(guang)下(xia)，植(zhi)被(bei)發(fa)射(she)的(de)熒(ying)光(guang)在(zai)表(biao)觀(guan)反(fan)射(she)光(guang)譜(pu)中(zhong)有(you)一(yi)定(ding)的(de)表(biao)現(xian)，由(you)於(yu)太(tai)陽(yang)和(he)地(di)球(qiu)的(de)大(da)氣(qi)層(ceng)吸(xi)收(shou)作(zuo)用(yong)，太(tai)陽(yang)光(guang)譜(pu)中(zhong)會(hui)出(chu)現(xian)一(yi)係(xi)列(lie)細(xi)小(xiao)的(de)暗(an)線(xian)，這(zhe)些(xie)寬(kuan)度(du)為(wei)0.1~10nm之間的暗線被稱為夫琅禾費暗線。因為有些夫琅禾費暗線的中心強度比相鄰的譜區要低10%以上
，而葉綠素熒光光譜輻射可對夫琅禾費暗線的吸收“井”進jin行xing一yi定ding程cheng度du的de填tian充chong，因yin此ci將jiang太tai陽yang輻fu射she和he植zhi被bei反fan射she光guang譜pu中zhong某mou個ge波bo段duan的de夫fu琅lang禾he費fei暗an線xian與yu相xiang鄰lin的de波bo譜pu之zhi間jian的de相xiang對dui強qiang度du進jin行xing比bi較jiao，便bian可ke以yi得de到dao葉ye綠lv素su熒ying光guang的de強qiang度du。

圖2.夫琅禾費暗線：太陽表層元素和地球大氣的吸收
，到達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熒光

葉綠素熒光反射光譜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琅禾費暗線較明顯
，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於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葉綠素熒光

近十年來，日光誘導葉綠素熒光（SIF）遙感具有直接探測植 被光合作用的優勢，成為植被遙感領域*具(ju)突(tu)破(po)性(xing)的(de)研(yan)究(jiu)前(qian)沿(yan)之(zhi)一(yi)

，為(wei)陸(lu)地(di)生(sheng)態(tai)係(xi)統(tong)監(jian)測(ce)提(ti)供(gong)了(le)新(xin)思(si)路(lu)和(he)新(xin)手(shou)段(duan)。葉(ye)綠(lv)素(su)熒(ying)光(guang)是(shi)植(zhi)物(wu)進(jin)行(xing)光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)過(guo)程(cheng)中(zhong)由(you)光(guang)係(xi)統(tong)反(fan)應(ying)中(zhong)心(xin)激(ji)發(fa)出(chu)來(lai)的(de)光(guang)譜(pu)信(xin)號(hao)。SIF技術突破了傳統主動熒光觀測的空間尺度瓶頸，實現了從葉片、冠層到全球尺度的植物光合作用觀測。 如圖2所示，在生態學、地理學
、遙感科學和大氣科學等多學科融合的基礎上，隨著“天空地”一體化（近地麵、機載和衛星）SIF遙感數據的豐富以及SIF機理研究的推進，SIF遙感技術目前已被廣泛應用於精確估算生態係統過程中的關鍵生理生化參數、植被總初級生產力(GPP)和及時監測植物脅迫
、物候和蒸騰作用等生態係統過程。

圖2 日光誘導葉綠素熒光(SIF)應用現狀概念圖（吳霖升,2022）

隨著SIF遙感觀測平台的增加、傳感器的多樣化
、地麵觀測網絡的發展，用於監測陸地生態係統的SIF時空數據越來越豐富。在時間尺度上

，地基 SIF觀測可以達到亞分鍾尺度；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反演數據；在空間範圍上

，衛星可以提供全球尺度的SIF產 品。因此，跨平台進行天空地一體化SIF協同觀測全球不同生態係統的植被光合作用尤為重要。

圖3 多尺度下的多平台日光誘導葉綠素熒光(SIF)觀測概念圖（吳霖升,2022）

3.1 衛星尺度

近年來
，SIF衛星遙感反演技術得到了長足的發展，已經成功利用多個衛星平台的高光譜數據生成了全球SIF產品，表1統計了觀測SIF的衛星信息參數。盡管大多數傳感器設計之初並非專門用於觀測SIF，許多研究者利用這些衛星傳感器采集的數據反演出SIF。載於衛星上的傳感器具有觀測範圍大、現勢性強
，可用於區域或全球尺度的SIF觀測。

表1.觀測SIF的衛星信息

   目前，衛星尺度觀測SIF展現極大的應用潛力，但是仍然有諸多局限性，也極大限製了SIF在大尺度上遙感監測植被生產力的潛力。

1. SIF衛星遙感數據的空間分辨率
   、時間分辨率都很低
   ，無法滿足植物生產力高精度的動態監測需求。
2. 不同SIF衛星遙感產品之間由於時空尺度、成像時間、光譜特性
   、反演算法、產品波段等方麵的差異
   ，不同產品的SIF絕對值缺乏可比性，給多源數據融合應用帶來了困難
   ，削弱了現有衛星SIF產品的長時序
   、多尺度應用潛力。
3. 衛星傳感器在長期運行過程中不可避免地存在儀器衰減現象，因此利用原始的長時序遙感資料獲取的SIF衛星遙感產品無法支持長時序變化分析。

3.2 機載日光誘導葉綠素熒光

近年來
，搭載各種傳感器的無人機和機載觀測係統成為生態係統監測的有效工具(圖3)。無人機觀測係統的飛行參數(如高度、速度和觀測角度等)可以根據觀測需要進行靈活調整，因此能夠有效彌補地基觀測的空間位置固定的問題
，也能夠彌合地麵和衛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於大疆M350平台開發的機載日光誘導葉綠熒光測試係統（圖4）
，具體參數如表2。機載平台可作為上訴星載SIF和塔基觀測方案的補充
，相比星載平台
，具備了靈活布置，不受衛星過境時間限製，可快速獲得研究區域植被的SIF信息；相比塔基的固定式觀測



，獲得連續時序的SIF數據，機載平台在一定時間內可獲得更多區域植被的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）。整套係統基於大疆M350深度開發，具備極高的集成度和極簡單的操作流程。

圖4 機載日光誘導葉綠素熒光測量係統Gaiasky-SP-SIF

產品特點：

• 係統集成度高
  、操控簡單
• 一鍵采集，定點巡航
• 實時太陽光餘弦校正模塊
• 特俗光纖結構，快速完成上行下行信號的切換，確保上下行實現同步采集
• 無人機、地麵兩用

表2 機載日光誘導葉綠素熒光測量係統Gaiasky-SP-SIF參數

3.3 地麵/塔基自動觀測方案

地麵SIF觀測有助於將SIF相關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製。自然光照條件下測定的植被反射的輻照度光譜既包括SIF的發射光譜，又包括葉片對入射光的反射光譜。由於SIF發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光譜首先需要精準的觀測。依據FLD原理中SIF對暗線填充思想
，為了提取微弱的SIF信號，觀測需實現高光譜分辨率（亞納米）detaiyangrusheguangheguancengfansheguangjinhutongbudeguance。raner，muqianyiyoudeguangpuyizhongleiyouxian，qiezhinengjieshouyigeguanglu，ruoyaotongshihuoqutaiyangrusheguangheguancengfansheguang
，zhuyaoyouliangzhongfangfa：（1）雙光譜儀同時觀測
；（2）單光譜儀結合光路切換開關。

圖5.塔基SIF兩種常見觀測方式(李朝暉,2021)

表3. SIF自動觀測係統光譜儀參數標準(李朝暉，2021)

4 展望

SIF遙感技術突破了傳統主動熒光測量的尺度瓶頸及傳統光學反射率遙感的生理限製瓶頸，從葉片、冠層、景觀到全球尺度提供了研究陸地生態係統光合作用的新途徑。目前，從地基
、無人機、機載到衛星獲取SIF數據，極大地強化了連續時空的陸地生態係統監測能力。然而
，為了更好地發揮多尺度SIF觀測的潛力
，仍有很多挑戰需要去克服。例如
，天空地一體化觀測，數據預處理後獲取可靠的SIF數據產品，準確提取隱含在SIF信號中的植物生理信息，對SIF機理和時空動態的深入和全麵認識。在此基礎上，探索基於SIF的新興的生態學應用，從而更好地服務於陸地生態係統監測(圖6)。

隨著SIF遙感觀測平台的增加
、傳感器的多樣化、地麵觀測網絡的發展，用於監測陸地生態係統 的SIF時空數據越來越豐富。在時間尺度上
，地基 SIF觀測可以達到亞分鍾尺度；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反演數據；在空間範圍上，衛星可以提供全球尺度的SIF產品。因此，跨平台進行天空地一體化SIF協同觀測全球不同生態係統的植被光合作用尤為重要。

圖6 日光誘導葉綠素熒光(SIF)遙感標準化數據處理與建模流程及其在生態學中的新興與潛在應用（吳霖升,2022）