利用夫琅和费暗线探测自然光条件下的植被光合作用荧光研究

自然光照条件下测定的植被反射的辐照度光谱既包括太阳光诱导荧光的发射光谱，又包括叶片对入射光的反射光谱，研究如何从冠层光谱中提取荧光光谱有十分重要的应用价值。首先，论文介绍了夫琅和费暗线探测自然光条件下的光合作用荧光的基本原理和方法。其次，将太阳大气的夫琅和费暗线拓展到地球大气，发现地物光谱仪测定的冠层辐照度光谱中688nm和760nm两个氧气吸收形成的夫琅和费暗线特征明显，且荧光较强，所以利用这两个波段的夫琅和费暗线可以探测自然光条件下的光合作用荧光。第三，研究并分析了夫琅和费暗线方法计算的688nm和760nm波段的荧光特性，结果表明该方法计算的荧光是可靠的，它与光合有效辐射（PAR）关系密切，复相关系数达到了0．9；冬小麦冠层荧光光谱在760nm和688nm波段的荧光大小基本相等，而地锦冠层荧光光谱在688nm波段的荧光强度是760nm的3倍左右，表明荧光光谱能够更加敏感地反映植被物种或生理生化状况的差别。最后，将夫琅和费暗线方法计算的688nm和760nm波段的荧光数据与激光脉冲调制荧光仪测定Fv／Fm荧光参数进行了统计分析，结果表明它与Fv／Fm存在极显著的负相关关系。所以利用夫琅和费暗线方法能够探测植被冠层荧光，并有可能替代传统的测定方法，并推广到航空航天平台，实现荧光探测从接触式点测量方式到航空或卫星遥感大面积监测的技术飞越。     

叶绿素荧光的GOSAT卫星遥感反演

由于大气吸收和散射等大气辐射传输影响,叶绿素荧光卫星遥感反演存在很大的困难和挑战。本文利用日本温室气体观测卫星GOSAT的TANSO-FTS超光谱数据,选取770 nm附近受大气影响较弱的KI夫琅和费暗线,借助KPNO2010高分辨率太阳辐照度光谱,设计了加权最小二乘拟合的叶绿素荧光卫星反演算法,利用矩阵的谱条件数确定了算法中KI吸收线所采用的权重系数,获得了中国区域2010年1月至2011年6月的叶绿素荧光数据。并利用TANSO-CAI云标识数据剔除了受云影响的反演结果,并按照2°×2°格网逐月计算了荧光强度均值。将反演叶绿素荧光强度结果与同期MODIS的增强性植被指数EVI、光合有效辐射比例FPAR、总初级生产力GPP产品作对比分析,结果表明：荧光强度高值主要分布在中国西南、中南等植被覆盖度高、生长旺盛的地区,荧光强度季节性变化规律与EVI、FPAR、GPP等相似,但季节变化比上述各参数变化提前且更敏感,可以反映其他参数所不具备的独特信息。     

日光诱导叶绿素荧光辐射传输模型研究进展

日光诱导叶绿素荧光(SIF)是指示植被光合作用过程的无损探针,在不同时空尺度上对植被进行SIF的观测可以反映植被的实际光合作用及生理状态。然而在观测、分析和利用SIF的过程中,仍存在很多不确定因素。SIF的发生具有较为复杂的机理,从机理出发理解SIF与植被结构的相互作用,并分析影响SIF激发的主要因素将有助于更好地理解SIF与光合作用以及生物量的内在联系。因此,植被SIF辐射传输模型在解释和利用SIF遥感信号方面具有重要的作用。植被SIF信号相对较弱,且受环境、植被和生理等多种因子的影响,需要定量化描述,这为SIF辐射传输模型的构建带来挑战。近年来,大量学者已经发展一系列SIF辐射传输模型,为SIF遥感的发展提供了坚实的理论基础。本文回顾了叶片、冠层和生态系统尺度的SIF模型,从建模机理出发,对比模型优劣势,并对未来SIF模型的发展前景进行了展望。     

基于MODIS数据的二类水体叶绿素反演算法理论与实现

在NASA-MODIS海洋组提出的二类水体叶绿素a的半分析算法的基础上,使用叶绿素荧光理论对其进行了改进,建立了一个适用于我国的海洋叶绿素浓度反演模型,并选取2003年黄海区域的MODIS数据对算法进行了验证。     

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。     

基于植被指数和叶绿素荧光的总初级生产力估算

以大满超级站的通量数据和塔基光谱数据为数据源,使用3种植被指数与光合有效辐射的乘积、叶绿素荧光分别反演玉米冠层尺度的GPP,构建线性回归模型进行建模与验证。结果表明:(1)在全时期时间序列动态分析中,VI×PAR、SIF与GPP具有较高的一致性,整体变化情况为先增大后减小,在抽雄期间达到最大值;(2)抽雄前期选择NDVI×PAR、EVI2×PAR、CIred edge×PAR为优选模型,建模数据R~20.83,RMSE2.00 gC/m~2/d;抽雄后期选择CIred edge×PAR为优选模型,建模数据R~2=0.83,RMSE=2.20 gC/m~2/d;全时期选择EVI2×PAR、CIred edge×PAR为优选模型,建模数据R~20.79,RMSE2.30 gC/m~2/d。基于SIF建立的GPP反演模型较为稳定,建模数据R~20.66,RMSE2.99 gC/m~2/d。     

太阳诱导叶绿素荧光的卫星遥感反演方法

利用卫星遥感探测区域和全球尺度太阳诱导叶绿素荧光SIF(Solar-Inducedchlorophyll Fluorescence)近年来成为研究热点。由于地球大气吸收和散射的影响,卫星尺度的SIF反演问题较为复杂,科学界对该问题一直存在争议,不同科学团队提出了众多方法。本文介绍了大气层顶SIF反演的机理、难点及思路,总结了近10年来最新发展的大气层顶SIF反演算法,并将这些算法归纳为3类:基于辐射传输方程的算法、简化的物理模型算法和数据驱动算法,分析讨论了各算法的特点及适用性;以应用最广泛的数据驱动算法为例,基于GOME-2数据详细介绍了算法的中间环节及注意事项;最后回顾了卫星遥感反演SIF的发展历程,汇总了目前及未来具有荧光探测能力的星载传感器,并依据数据源的特点相应地给出了适用的SIF反演算法,为今后基于航空和卫星高光谱数据的SIF反演提供了依据。     

水稻叶片不同光谱形式反演叶绿素含量的对比分析研究

通过对常优1号和武粳15两个品种水稻叶片的反射率R、lg(1/R)、反射率一阶微分（FD）和反射率归一化（BN）等光谱形式的测量和计算，分析了叶片光谱不同变化形式与叶绿素含量的相关关系，建立了统计方程，并进行了比较与评价，同时，对反演方程的最佳波段选择进行了探讨。结果表明，叶绿素含量与反射率一阶微分光谱方程的相关性最强，而采用lg(1/R)的光谱形式能够提高遥感反演叶绿素含量的效果。经验证，两个水稻品种叶绿素含量的模拟值与实测值的复相关系数R2分别达到0.641和0. 818。     

基于主成分分析和BP神经网络的法国梧桐叶绿素含量高光谱反演研究

利用ASD便携式野外光谱仪和SPAD-502叶绿素计实测了落叶阔叶树法国梧桐叶片的高光谱反射率与叶片绿度,并对原始光谱反射率及一阶导数光谱与叶片绿度进行了相关分析;综合分析了10个常见光谱植被指数与法国梧桐叶绿素含量的相关性与预测性;最后利用主成分分析对光谱数据进行降维,将得到的主成分得分作为BP人工神经网络模型的输入变量进行了法国梧桐叶绿素含量的估算。结果表明:法国梧桐的叶片反射光谱数据与叶绿素含量的相关性在可见光区域显著,导数光谱数据在绿黄光区和红光区的部分波段与叶绿素含量的相关系数大于对应波段光谱反射率与叶绿素含量的相关关系。在所列举的10个常用植被指数中归一化植被指数与叶绿素含量的关系最密切,相关系数达到了0.7957。主成分分析的BP神经网络模型可以容纳更多的波段信息进行叶绿素含量的估算,预测值与实测值之间的线性回归的确定性系数R2为0.9883,是一种良好的植被叶绿素含量高光谱反演模式。     

日光诱导叶绿素荧光遥感反演及碳循环应用进展

在植被遥感领域,遥感植被指数在过去30年极大地促进了从宏观尺度上来理解和认识地球生物圈,但是以"绿度"观测为主的植被指数仅表征植被"潜在光合作用",而不能直接量化"实际光合作用"。植被叶绿素荧光在光合作用探测上具有优势,是"实际光合作用"的直接探测方法。日光诱导叶绿素荧光(SIF)遥感是近年快速发展起来的新型遥感技术,尤其是2011年实现全球尺度卫星反演以来,在反演算法、植被监测和碳循环应用等方面发展迅速,是近10年来植被遥感领域最具突破性的研究前沿。本文阐述了现阶段(2011年以来)SIF遥感反演及其在碳循环应用方面的进展。本文首先介绍了卫星SIF遥感的发展及其反演算法现状;然后重点剖析了其在陆地生态系统总初级生产力(GPP)估算、全球碳循环监测、物候和植被胁迫监测等方面的应用现状和特点;最后从卫星SIF反演算法优化、SIF-GPP关系机理、SIF多尺度综合观测和全球碳循环监测等方面对今后植被SIF遥感的发展前景进行了展望。     

估算混合植被叶绿素含量的理想波段分析

应用Lopex数据库评价了19个波谱指数对物种的敏感性, 分析了叶绿素含量与波谱反射率以及波谱导数的相关性, 目的在于探寻对叶绿素含量变化的敏感性, 对物种和叶片结构变化不敏感的理想波段, 应用大尺度遥感数据估算混合植被冠层叶绿素含量。分析结果表明：红边指数对混合植被的叶绿素含量具有较好的指示作用;估算冠层叶绿素含量的理想波段为698—710nm附近较窄的波段范围;对于波谱导数, 估算混合植被叶绿素含量的理想波段范围为720—735nm和535—550nm附近波谱导数。     

植物叶绿素荧光遥感研究进展

按照遥感探测方法, 首先介绍了激光诱导荧光遥感的基本情况、荧光光谱特征和应用, 接着介绍了日光诱导荧光遥感研究的几种主要研究方法, 包括植被指数法和Fraunhofer线提取法, 以及日光诱导荧光在植物胁迫探测中的一些应用。最后, 对叶绿素荧光遥感的发展前景进行了分析。     

光谱波段宽度对森林叶片叶绿素含量反演的影响分析

随着传感器技术的发展,高光谱数据光谱的波段宽度逐渐变窄,如何从海量的光谱数据中找到最优的光谱波段反演叶绿素含量,成为研究的难点问题。本文在测量华中农业大学狮子山6种主要树种的光谱数据和叶绿素含量的基础上,利用叶绿素指数(CI)和回归方法反演叶绿素含量,并分析了波段宽度对反演叶绿素含量结果的影响,结果发现波段宽度会影响到叶绿素反演的精度,当波段宽度为30nm时,叶绿素含量与"红边"区域(700nm-730nm)和近红外区域(770nm-800nm)叶绿素指标(CI)间的线性关系较好,决定系数可达到77.62%,均方根误差为10.6ug/cm2。     

Estimation of chlorophyll fluorescence under natural illumination from hyperspectral data

This paper reports a series of laboratory and field measurements of spectral reflectance under artificial and natural light conditions which demonstrate that effects of natural chlorophyll fluorescence are observable in the reflectance red edge spectral region. These are results from the progress made to link physiologically-based indicators to optical indices from hyperspectral remote sensing in the Bioindicators of Forest Sustainability Project. This study is carried out on twelve sites of Acer saccharum M. in the Algoma Region, Ontario (Canada), where field measurements, laboratory-simulation experiments, and hyperspectral CASI imagery have been carried out in 1997, 1998, 1999 and 2000 campaigns. Leaf samples from the study sites have been used for reflectance and transmittance measurements with the Li-Cor Model 1800 integrating sphere apparatus coupled to an Ocean Optics Model ST1000 fibre spectrometer in which the same leaves are illuminated alternatively with and without fluorescence-exciting radiation. A study of the diurnal change in leaf reflectance spectra, combined with fluorescence measurements with the PAM-2000 Fluorometer show that the difference spectra are consistent with observed diurnal changes in steady-state fluorescence. Small canopies of Acer saccharum M. have been used for laboratory measurements with the CASI hyperspectral sensor, and under natural light conditions with a fibre spectrometer in diurnal trials, in which the variation of measured reflectance is shown experimentally to be consistent with a fluorescence signature imposed on the inherent leaf reflectance signature. Such reflectance changes due to CF are measurable under natural illumination conditions, although airborne experiments with the CASI hyperspectral sensor produced promising but less convincing results in two diurnal experiments carried out in 1999 and 2000, where small variations of reflectance due to the effect of CF were observed.     

Effects of varying solar-view geometry and canopy structure on solar-induced chlorophyll fluorescence and PRI

The increasing amount of continuous time series of solar-induced fluorescence (SIF) and vegetation indices (e.g. Photochemical Reflectance Index, PRI) acquired with high temporal (sub-minute) frequencies is foreseen to allow tracking of the structural and physiological changes of vegetation in a variety of ecosystems. Coupled with observations of CO₂, water, and energy fluxes from eddy covariance flux towers, these measurements can bring new insights into the remote monitoring of ecosystem functioning. However, continuously changing solar-view geometry imposes directional effects on diurnal cycles of the fluorescence radiance in the observation direction (F) and PRI, controlled by structural and biochemical vegetation properties. An improved understanding of these variations can potentially help to disentangle directional responses of vegetation from physiological ones in the continuous long-term optical measurements and, therefore, allow to deconvolve the physiological information relevant to ecosystem functioning. Moreover, this will also be useful for better interpreting and validating F and PRI satellite products (e.g., from the upcoming ESA FLEX mission).Many previous studies focused on the characterization of reflectance directionality, but only a handful of studies investigated directional effects on F and vegetation indices related to plant physiology. The aim of this study is to contribute to the understanding of red (F₆₈₇) and far-red (F₇₆₀) fluorescence and PRI anisotropy based on field spectroscopy data and simulations with the Soil-Canopy Observation of Photochemistry and Energy fluxes (SCOPE) model. We present an extensive dataset of multi-angular measurements of F and PRI collected at canopy level with a high-resolution instrument (FloX, JB Hyperspectral Devices UG, Germany) over different ecosystems: Mediterranean grassland, alfalfa, chickpea and rice.We found, that F₇₆₀ and F₆₈₇ directional responses of horizontally homogeneous canopies are characterized by higher values in the backscatter direction with a maximum in the hotspot and lower values in the forward scatter direction. The PRI exhibited similar response due to its sensitivity to sunlit-shaded canopy fractions.As confirmed by radiative transfer forward simulations, we show that in the field measurements leaf inclination distribution function controls the shape of F and PRI anisotropic response (bowl-like/dome-like shapes), while leaf area index and the ratio of leaf width to canopy height affect the magnitude and the width of the hotspot. Finally, we discuss the implications of off-nadir viewing geometry for continuous ground measurements. F observations under oblique viewing angles showed up to 67 % difference compared to nadir observations, therefore, we suggest maintaining nadir viewing geometry for continuous measurements of F and vegetation indices. Alternatively, a correction scheme should be developed and tested against multi-angular measurements to properly account for anisotropy of canopy F and PRI observations. The quantitative characterization of these effects in varying illumination geometries for different canopies that was performed in this study will also be useful for the validation of remote sensing F and PRI products at different spatial and temporal scales.     

利用多代卫星测高资料监测1993~2011年全球海平面变化

Cryosat-2卫星首次提供了369 d重复周期的密集漂移轨道测高数据,可用于改进海洋重力场反演精度和分辨率。从信号和噪声两个角度对其沿轨数据进行自回归建模,给出了一种以重复轨道观测序列差分加和确定信号谱和噪声谱,并比较分析测高数据大地水准面分辨能力的方法(称为信噪比分析法)。对全球5个试验区域采用谱关联性法和信噪比法来分析Cryosat-2沿轨数据的大地水准面,其分辨能力约为23~33 km,均值约为27 km,优于单周期Geosat/ERM、ERS-1/ERM和T/P数据的38 km、43 km和37 km。研究表明,Cryosat-2数据具有更低噪声水平和更高大地水准面信号辨识度,可以为构建海洋重力场模型提供更高分辨率的短波信息。     

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。