冠层光能利用率的叶绿素荧光光谱探测

设计了玉米生长期日变化试验,同步获取玉米冠层光谱和通量观测数据,探究从植被发射荧光光谱角度实现植被光能利用率可靠反演的可能性。运用涡度相关法获取群体生态系统净生产力(NEP),通过呼吸作用拟合得到冠层总初级生产力(GPP);在此基础上结合吸收光合有效辐射(APAR)获取冠层光能利用率(LUE);同时,利用叶绿素荧光光谱分离算法,提取了光合作用叶绿素荧光绝对强度和相对强度。结论表明,植被发射荧光光谱与光合有效辐射(PAR)显著正相关,760nm波段荧光与PAR的复相关系数R2在0.99以上;叶绿素荧光绝对强度与NEP和GPP显著正相关,荧光和NEP对环境日变化具有类似的响应特征;688nm和760nm植被发射的叶绿素荧光相对强度与LUEGPP存在可靠负相关关系,即叶绿素荧光强度越大,光能利用率越低。同时,通过比较几种植被指数与各种光合参量的相关性表明,叶绿素荧光能够更好的跟踪植被光合状态的变化,更适宜于植被光能利用率的探测。     

FluorMOD模拟叶绿素荧光夫琅和费暗线反演算法不确定性分析

目前,利用夫琅和费暗线提取叶绿素荧光的3种最常用的算法有标准FLD方法、3FLD和i FLD方法。上述3种夫琅和费暗线算法在叶绿素荧光反演中得到了广泛应用,但各算法的不确定性研究相对薄弱,尚缺乏系统的分析。因此,本文的目标是阐明氧气吸收波段叶绿素荧光反演的不确定性,优化叶绿素荧光遥感探测指标,提高叶绿素荧光反演精度。利用Fluor MOD模型,模拟不同植被冠层参数、光谱分辨率SR、信噪比SNR条件下的冠层光谱,并比较分析这3种反演方法在不同参数条件下的不确定性。结果表明:3种方法在O2-A波段的反演精度均比在O2-B波段精度高,其中,i FLD和3FLD算法的反演精度相对较高,标准FLD的反演结果较差;随着SR的下降,3种算法的反演精度均有不同程度的下降,标准FLD算法的荧光提取精度受传感器SR的影响最大;随着SNR的增大,3种算法的反演精度有不同程度的升高,i FLD算法的荧光提取精度受信噪比的影响最大。由结果可以得出,3种反演算法在不同的参数条件下有其各自的局限性和优势;利用氧气吸收波段进行叶绿素荧光反演存在诸多不确定性,不确定性主要来源于吸收线内外反射率和荧光比值的真实值与估计值的偏差,叶绿素含量是影响这种偏差的一个主导因素;传感器性能对荧光提取结果也有显著的影响。     

FPAR的Monte Carlo模拟研究

FPAR (fraction of photosynthetically active radiation absorbed by the canopy)是植被冠层阻截太阳光合有效辐射的比例,是遥感估算陆地生态系统植被净第一性生产力(NPP)的重要参数.利用Monte Carlo方法模拟光子在植被冠层中的辐射传输过程,以植被冠层二向反射分布函数的模拟来验证模拟的正确性;在此基础上对400-700nm光合作用波段范围内的植被叶片吸收光子辐射比例的FPAR进行模拟.FPAR的Monte Carlo模拟结果,揭示了FPAR与太阳天顶角及植被冠层参数之间的关系.     

基于主成分分析的植被含水率模型

为了对岷江上游“生态水”的估测提供有效的数据源和方法,利用高光谱遥感技术定量研究了植被反射光谱与植被含水率的关系,测定了研究区多个采样点棕榈叶片的反射光谱和对应的含水率,通过二者的相关分析和逐步回归的方法提取敏感波段;为避免敏感波段之间相关性影响,采用主成分分析法提取主成分,建立主成分与含水率的定量分析模型,并建立主成分与标准自变量的回归方程,然后建立各个标准变量与原始自变量(反射光谱敏感波段)的回归方程,最终转换为植被含水率与反射光谱之间的模型.结果表明:棕榈叶片反射光谱在454 nm,668 nm,1 466 nm,1 664 nm和1 924 nm波段处与含水率显著相关;采用主成分定量分析模型的估算值与实测值相关系数为0.92,均方根误差为0.06.     

基于植被二向性反射统一模型的高分五号FAPAR遥感反演算法

植被光合有效辐射吸收比率（FAPAR）是描述植被光合作用能量交换过程的重要参数，广泛应用于植被长势监测、植被生产力估算、全球变化等研究领域。遥感是大范围获取FAPAR的唯一途径，与多光谱传感器相比，高光谱传感器能更加精确、细致地观测植被的光谱特征，有利于分析植被冠层反射、吸收特性，进而反演植被冠层FAPAR。本文首先在植被BRDF统一模型和FAPAR-P模型的基础上，构建了BRDF-FAPAR统一模型UBFM (Unified BRDF-FAPAR Model)；进而基于高分五号高光谱传感器特征模拟了不同情况下植被冠层反射率和相应的FAPAR；然后运用改进的最佳指数法选择FAPAR反演的特征波段组合；在此基础上，将特征波段反射率与FAPAR模拟结果作为神经网络的输入参数，构建针对高光谱数据的FAPAR神经网络反演算法。研究结果表明，改进的最佳指数法能有效地筛选出FAPAR估算的敏感波段；综合考虑波段信息量和实际影像数据噪声影响，本研究针对高分五号高光谱传感器选择8个波段作为FAPAR反演特征波段。基于UBFM模型构建的神经网络反演精度较高，模拟实验算法误差约为0.014。选择内蒙古呼伦...     

C3、C4作物的光保护机制差异的光谱探测研究

本文设计了大豆(C3作物)和玉米(C4作物)日变化光谱探测试验,提取了太阳光照条件下叶绿素荧光信号和光化学指数PRI。结果表明,首先大豆和玉米叶绿素荧光强度的日变化特征有较大差异,上午大豆的叶绿素荧光比例呈现快速增加的趋势,而玉米的叶绿素荧光未出现增加趋势;其次,下午高温胁迫条件下C3、C4叶绿素荧光光谱比值的变化差异显著,大豆在760nm和688nm波段的叶绿素荧光比值快速增加,而玉米未出现显著变化;最后,研究证实了C3作物中午受到强光抑制出现光合作用"午休"现象,即午后光合恢复后其光合效率快速增加,表现为C3作物的热耗散降低、PRI快速增加,而C4作物无"午休"现象,午后PRI增加较小。本文研究表明,强光和高温环境胁迫下C3、C4作物的叶绿素荧光和热耗散变化特征有较大差异,利用胁迫条件下的多时相、高光谱遥感数据,提取C3、C4作物的叶绿素荧光和PRI,有可能实现C3、C4作物的遥感分类目标。     

半干旱草场的多角度多波段反射率遥感模型

从几何光学(GO)模型出发,针对半干旱的草场植被,引入了多光谱冠层反射模型MSRM、土壤反射光谱Price模型以及土壤方向性反射Walthall模型,提出一种适用于区域尺度的多角度多波段反射率模型,并采用MISR和MODIS卫星数据进行验证,验证结果表明模型有较好的适用性。这为多角度、多波段遥感数据用于半干旱草场植被的定量研究提供了新的方法。     

冠层反射光谱对植被理化参数的全局敏感性分析

植被理化参数与许多有关植物物质能量交换的生态过程密切相关,定量分析植被反射光谱对理化参数的敏感性是遥感反演理化参数含量的前提。本文采用EFAST(Extended Fourier Amplitude Sensitivity Test)全局敏感性分析方法,利用PROSAIL辐射传输模型分析了冠层疏密程度对叶片生化组分含量、冠层结构以及土壤背景等多种参数敏感性的影响,并对植被理化参数反演所需先验知识的精度问题进行了初步探讨。研究表明:(1)对于较为稠密的冠层,可见光波段的冠层反射率主要受叶绿素含量的影响,近红外和中红外波段的冠层反射率主要受干物质量和含水量的影响;(2)对于稀疏的冠层,LAI是影响400—2500 nm波段范围内冠层反射率的最重要参数,土壤湿度次之,叶片生化参数对冠层反射率的敏感性较低;(3)在已知稀疏冠层LAI的情况下进一步确定土壤的干湿状态,可显著提高冠层反射率对叶绿素含量的敏感度,有助于稀疏冠层叶绿素含量的反演。     

土壤激光诱导荧光遥感研究初探

对我国不同土壤的激光诱导荧光光谱的研究表明,在可见光波段的荧光峰一般在450nm左右,其相对荧光强度与土壤有机质含量、粘粒含量、水分含量以及土壤的化学组成密切相关。还表明.测试环境的差异,并不改变土壤的荧光光谱特征,仅影响它的相对荧光强度;不同的植被覆盖度会明显引起土壤荧光光谱的相应变化。这些结果展示出了激光荧光遥感技术应用于土壤类型和某些性状探测的可能性。应用红光波段是识别植被和土壤的最佳荧光波段。     

水浇地与旱地春小麦冠层高光谱反射特征比较

用野外实测的水浇地与不同坡向旱地春小麦各发育期的冠层光谱数据,对比分析各发育期春小麦冠层光谱反射特征;依据TM图像的波段设置将实测光谱划分为4个波段,对比分析水浇地与旱地春小麦光谱在各波段的差异,并选择出识别水浇地与旱地春小麦的最佳波段。研究结果表明:不同地类水浇地与旱地春小麦冠层光谱反射率在可见光波段呈现的总特点是阳坡地双面坡地阴坡地水浇地,在近红外波段则相反;不同发育期的水浇地与旱地春小麦在可见光波段均呈现起身期乳熟期拔节期抽穗期扬花期的特点,在近红外波段则呈现扬花期抽穗期拔节期起身期乳熟期的特点;因各地类春小麦叶绿素含量的相对值和覆盖度不同,在可见光波段的光谱曲线也存在差异——水浇地与旱地春小麦在起身期和乳熟期的光谱曲线各成1条线,而在其他3个发育期则形成2条曲线(水浇地和阴坡地的光谱曲线基本重合,阳坡地和双面坡地的光谱曲线完全重合)。760~900 nm谱段是识别水浇地与旱地春小麦的最佳波段。     

利用偏最小二乘回归反演冬小麦条锈病严重度

通过人工田间诱发不同等级条锈病，在不同生育期测定冬小麦感染条锈病严重度和冠层光谱，采用偏最小二乘（PLS）方法建立了冠层光谱和条锈病严重度的回归模型。结果显示： PLS反演冬小麦条锈病严重度的效果很好，与文献［4］中提出的利用高光谱指数进行反演的结果相比，精度更高； 通过对PLS回归系数的分析，发现叶绿素吸收谷两边（505~550 nm，640~670 nm，680~700 nm）的一阶微分光谱可用于诊断冬小麦条锈病病情，条锈病病害冬小麦在叶绿素吸收谷两边的一阶微分光谱的绝对值会比健康冬小麦的更大。     

Proximal Remote Sensing of Herbicide and Drought Stress in Field Grown Colocasia and Sweet Potato Plants by Sunlight-Induced Chlorophyll Fluorescence Imaging

Chlorophyll fluorescence is an indicator of plant photosynthetic activity and has been used to monitor the health status of vegetation. Several studies have exploited the application of red/far-red chlorophyll fluorescence ratio in detecting the impact of various types of stresses in plants. Recently, sunlight-induced chlorophyll fluorescence imaging has been used to detect and discriminate different stages of mosaic virus infection in potted cassava plants with a multi-spectral imaging system (MSIS). In this study, the MSIS is used to investigate the impact of drought and herbicide stress in field grown crop plants. Towards this control and treatment groups of colocasia and sweet potato plants were grown in laterite soil beds and the reflectance images of these crop plants were recorded up to 14-days of treatment at the Fraunhofer lines of O₂ B at 687 nm and O₂ A at 759.5 nm and the off-lines at 684 and 757.5 nm. The recorded images were analyzed using the Fraunhofer Line Discrimination technique to extract the sunlight-induced chlorophyll fluorescence component from the reflectance images of the plant leaves. As compared to the control group, the chlorophyll fluorescence image ratio (F ₆₈₇/F ₇₆₀) in the treatment groups of both the plant varieties shows an increasing trend with increase in the extent of stress. Further, the F ₆₈₇/F ₇₆₀ ratio was found to correlate with the net photosynthetic rate (Pn) and stomatal conductance (g_s) of leaves. The correlation coefficient (R ²) for the relationship of F ₆₈₇/F ₇₆₀ ratio with Pn were found to be 0.78, 0.79 and 0.78, respectively for the control, herbicide treated and drought treated colocasia plants, while these were 0.77, 0.86 and 0.88, respectively for sweet potato plants. The results presented show the potential of proximal remote sensing and the application F ₆₈₇/F ₇₆₀ fluorescence image ratio for effective monitoring of stress-induced changes in field grown plants.     

Improved Fraunhofer Line Discrimination Method for Vegetation Fluorescence Quantification

This letter presents a modification to the established Fraunhofer line discrimination (FLD) method for improving the accuracy of the solar-induced chlorophyll fluorescence (ChF) retrieval over terrestrial vegetation. The FLD method relies on the decoupling of reflected and ChF emitted radiation by the evaluation of measurements inside and outside the absorption bands. The improved FLD method introduces two correction coefficients that relate the values of the fluorescence and the reflectance inside and outside the absorption band. The new method uses the full spectral information around the absorption band to derive these coefficients. A sensitivity analysis has been performed to evaluate the impact of the correction coefficients on the accuracy of the ChF estimation. The new formulation has been tested for the $hbox{O}_{2}$ A-band on synthetic data obtaining lower errors in comparison to the standard FLD and has been successfully applied to real measurements at canopy level.      

基于高光谱曲线峰度、偏度的植被叶绿素含量反演模型研究

本文分析了高光谱反射率及红边位置与叶片绿度的相关性,建立了基于敏感波段和红边位置的叶绿素估算模型。通过对不同叶绿素含量高光谱曲线特征的分析,提出了基于高光谱曲线峰度和偏度的叶绿素估算新思路,并分别建立基于原始光谱560-760nm波段和一阶导数光谱660-760nm波段对应峰度、偏度的叶绿素反演模型。结果表明,法国梧桐、无花果和白毛杨基于敏感波段的叶绿素含量反演模型的拟合度,与传统估算模型相比,本文提出的新估算模型可以明显提高高光谱反演叶绿素含量的能力。     

开封市郊冬小麦冠层反射光谱特征分析

通过对开封市郊冬小麦整个生育阶段反射光谱的测量,分析了不同生育阶段、播种垄向及土壤背景对冠层光谱反射的影响。结果表明：不同生育阶段的冬小麦反射光谱特性总体趋势符合植被的反射光谱特性,但是又有一些差异;不同垄向冬小麦的反射光谱也不一样,南北垄向的光谱反射率高于东西垄向光谱的反射率;不同土壤背景的冬小麦反射光谱也存在差异。     

冬小麦冠层氮素的垂直分布及光谱响应

考察了田间条件下冬小麦主要生育阶段冠层氮素、叶绿素的垂直分布及其光谱响应。不同叶层的叶片含氮量按上 (冠层顶部向下至 1 / 3株高处 )、中、下层的顺序呈明显下降的梯度 ,全生育期不同土壤施氮处理平均 ,上、中层间相差 1 3 3% ,中、下层间相差 2 9 5 %。在生育前期 ,各层叶片的含氮量随土壤供氮水平增高而增加 ,但不同叶层间氮素的梯度相对稳定。到生育中后期 ,中、下层叶片间氮素含量梯度增大 ,且随土壤供氮水平增高而加剧 ,最大时可相差 4 5 3% ;冠层内叶绿素 (a b)含量的垂直分布规律与氮素含量的垂直分布相类似 ,但对土壤供氮水平的反应上表现出与氮素不尽一致的趋势。不同叶层的光谱特征表现为 ,在土壤低氮水平下 ,不同叶层间在红光波段、短波红外波段 (1 4 0 0nm— 1 80 0nm及 1 95 0nm— 2 30 0nm)的反射率差异显著 ,下部叶层的反射率显著高于上、中叶层 ,但在土壤高氮水平下 ,上述差异消失 ;在近红外平台处 ,不同叶层间反射率按上、中、下顺序降低 ,梯度分布特征明显。利用近红外波段的冠层反射光谱能够很好地反演中下层叶片的叶绿素含量     

基于Hyperion影像的水稻冠层生化参量反演

采用小区实验与大田应用相结合的方法, 依据扬州实验小区地面实测拔节期、抽穗期及灌浆期的水稻叶片、冠层光谱及氮和叶绿素含量, 采用光谱吸收特征和植被指数分析方法, 得到估算水稻氮和叶绿素含量的最佳光谱特征参数; 结合覆盖江苏姜堰地区大田的Hyperion高光谱遥感影像, 建立反演水稻冠层氮和叶绿素含量的模型, 对研究区大田水稻冠层氮和叶绿素含量进行了反演及制图。结果表明: 经波深中心归一化方法分析, 发现以670nm为中心的光谱吸收特征面积与水稻氮含量呈显著相关性; 基于反转归一化光谱, 结合560nm和670nm两个波段, 建立的植被指数NDVI560_670能很好地反演水稻叶绿素含量。     

SO2污染环境下水稻导数光谱与生理生化指标的相关性研究

通过田间开顶式小区熏气试验,研究在SO2急性伤害条件下水稻冠层导数光谱与叶片含硫量、叶液pH值以及叶绿素含量的相 关性。分别选择分蘖期和抽穗期显著相关的波段(分蘖期： 689 nm、584 nm、570 nm; 抽穗期： 689 nm、584 nm、585 nm)建立 预测叶片含硫量、叶液pH值及叶绿素含量的回归模型,并分别用拔节期和灌浆期相应导数光谱反射率检验模型预测精度。结果表明 ,由分蘖期建立的回归模型估测拔节期叶液pH值以及叶绿素含量与实测值之间相关系数分别为0.884和0.630; 由抽穗期建立的回 归模型估测灌浆期的叶片含硫量、叶绿素含量与实测值之间相关系数分别为0.659和0.768,均通过显著检验。     

植被冠层日光诱导叶绿素荧光塔基自动观测方法及系统介绍

植物光合作用所提供的物质和能量是人类赖以生存的关键因素,而日光诱导叶绿素荧光SIF (SunInduced chlorophyll Fluorescence)是植物光合作用的副产品,与光合作用关系密切,深入研究SIF将对于更加深入理解光合作用机制有着重要的意义。目前,近地面植被冠层SIF遥感观测发展迅速,但不同SIF观测系统间差异较大。本文通过比较分析不同塔基SIF观测系统及其特征,归纳了塔基SIF观测方式和方法,提出了塔基SIF观测技术规范。塔基SIF观测主要有两台光谱仪和一台光谱仪结合光路切换开关的观测方法,可以采取双半球和半球—锥体两种观测方式。SIFprism系统是一种新的基于光学棱镜的SIF自动观测系统,本文介绍了SIFprism系统软硬件组成和光谱数据采集流程,并以SIFprism系统为例阐述了塔基观测系统光谱数据处理流程,分析了SIF反演过程可能存在的不确定性,最后对近地面SIF观测进行了展望。