“天空地”一体化下的日光诱导叶绿素荧光

1.什么是日光诱导叶绿素荧光？

自然状态下，植被吸收的太阳光主要用于3个方向：光合作用中的光化学反应、热量散失和以长波（650~800nm）的形式发射出去，即日光诱导叶绿素荧光信号（Solar-induced chlorophyll fluorescence, SIF）（图1）。这3部分能量不仅与植被的生理有着密切的联系，而且彼此之间还存在着类似竞争的关系，所以探测叶绿素荧光是一种可以更加直接获取到植被光合作用相关信息的方法。

日光诱导叶绿素荧光SIF（solar-induced chlorophyll fluorescence）是指植物叶绿体在太阳光照条件下叶片自身发射出的一种光谱信号（650-850nm），在红光（680nm 左右）和近红外（740nm 左右）波长处存在两个明显的荧光峰值。叶绿素荧光可以直接反映光合作用光反应中的电子传递速率大小，而电子传递速率又受光合作用暗反应中碳同化的影响，因此，叶绿素荧光可以作为无损 监测植被光合作用的理想“探针”。近年来，研究表明，SIF 遥感为大范围监测全球植被光合作用提供了一种全新的测量方式，其估算能力优于植被“绿度”指数的遥感方法。此外，SIF在研究植物的逆境、胁迫、病理等与生态系统变化相关的问题上，也发挥着重要作用。

图1  植被吸收的太阳光主要用于3个方向：光合作用中的光化学反应、热量散失和以长波（650~800nm）的形式发射出去

2.日光诱导叶绿素荧光直接遥感探测

在自然光下，植被发射的荧光在表观反射光谱中有一定的表现，由于太阳和地球的大气层吸收作用，太阳光谱中会出现一系列细小的暗线，这些宽度为0.1~10nm之间的暗线被称为夫琅禾费暗线。因为有些夫琅禾费暗线的中心强度比相邻的谱区要低10%以上，而叶绿素荧光光谱辐射可对夫琅禾费暗线的吸收“井”进行一定程度的填充，因此将太阳辐射和植被反射光谱中某个波段的夫琅禾费暗线与相邻的波谱之间的相对强度进行比较，便可以得到叶绿素荧光的强度。

图2.夫琅禾费暗线：太阳表层元素和地球大气的吸收，到达地表的太阳光谱存在许多波段宽度为0.1~10 nm的暗线

图3.荧光填充作用使反射辐亮度抬升，抬升的量就是获取的叶绿素荧光

叶绿素荧光反射光谱的波段常与太阳辐射在红光和近红外的3个主要的吸收波段（即656.3nm处的太阳大气的氢吸收线，687和760nm波段处的地球大气层氧吸收线）相互重叠。687nm和760nm附近的氧气吸收线形成的夫琅禾费暗线较明显，荧光强度高。大气中的氧分子在760nm波段附近形成了暗线，在687ｎｍ 波段附近形成了暗线，而760nm波段附近的暗线深度和宽度都要大于687nm波段附近的暗线，因此760nm波段被是用来探测荧光的较好的波段。

图4. 暗线和暗线

3. “天空地”一体化下的日光诱导叶绿素荧光

近十年来，日光诱导叶绿素荧光（SIF）遥感具有直接探测植 被光合作用的优势，成为植被遥感领域*具突破性的研究前沿之一，为陆地生态系统监测提供了新思路和新手段。叶绿素荧光是植物进行光合作用过程中由光系统反应中心激发出来的光谱信号。SIF技术突破了传统主动荧光观测的空间尺度瓶颈，实现了从叶片、冠层到全球尺度的植物光合作用观测。 如图2所示，在生态学、地理学、遥感科学和大气科学等多学科融合的基础上，随着“天空地”一体化（近地面、机载和卫星）SIF遥感数据的丰富以及SIF机理研究的推进，SIF遥感技术目前已被广泛应用于精确估算生态系统过程中的关键生理生化参数、植被总初级生产力(GPP)和及时监测植物胁迫、物候和蒸腾作用等生态系统过程。

图2 日光诱导叶绿素荧光(SIF)应用现状概念图（吴霖升,2022）

随着SIF遥感观测平台的增加、传感器的多样化、地面观测网络的发展，用于监测陆地生态系统的SIF时空数据越来越丰富。在时间尺度上，地基 SIF观测可以达到亚分钟尺度；在空间尺度上，无人机高光谱成像可以提供厘米(cm)尺度的SIF反演数据；在空间范围上，卫星可以提供全球尺度的SIF产 品。因此，跨平台进行天空地一体化SIF协同观测全球不同生态系统的植被光合作用尤为重要。

图3 多尺度下的多平台日光诱导叶绿素荧光(SIF)观测概念图（吴霖升,2022）

3.1 卫星尺度

近年来，SIF卫星遥感反演技术得到了长足的发展，已经成功利用多个卫星平台的高光谱数据生成了全球SIF产品，表1统计了观测SIF的卫星信息参数。尽管大多数传感器设计之初并非专门用于观测SIF，许多研究者利用这些卫星传感器采集的数据反演出SIF。载于卫星上的传感器具有观测范围大、现势性强，可用于区域或全球尺度的SIF观测。

表1.观测SIF的卫星信息

   目前，卫星尺度观测SIF展现极大的应用潜力，但是仍然有诸多局限性，也极大限制了SIF在大尺度上遥感监测植被生产力的潜力。

1. SIF卫星遥感数据的空间分辨率、时间分辨率都很低，无法满足植物生产力高精度的动态监测需求。
2. 不同SIF卫星遥感产品之间由于时空尺度、成像时间、光谱特性、反演算法、产品波段等方面的差异，不同产品的SIF绝对值缺乏可比性，给多源数据融合应用带来了困难，削弱了现有卫星SIF产品的长时序、多尺度应用潜力。
3. 卫星传感器在长期运行过程中不可避免地存在仪器衰减现象，因此利用原始的长时序遥感资料获取的SIF卫星遥感产品无法支持长时序变化分析。

3.2 机载日光诱导叶绿素荧光

近年来，搭载各种传感器的无人机和机载观测系统成为生态系统监测的有效工具(图3)。无人机观测系统的飞行参数(如高度、速度和观测角度等)可以根据观测需要进行灵活调整，因此能够有效弥补地基观测的空间位置固定的问题，也能够弥合地面和卫星观测之间的尺度差异。

GaiaSky-SP-SIF是江苏双利合谱科技有限公司基于大疆M350平台开发的机载日光诱导叶绿荧光测试系统（图4），具体参数如表2。机载平台可作为上诉星载SIF和塔基观测方案的补充，相比星载平台，具备了灵活布置，不受卫星过境时间限制，可快速获得研究区域植被的SIF信息；相比塔基的固定式观测，获得连续时序的SIF数据，机载平台在一定时间内可获得更多区域植被的SIF信息。同时GaiaSky-SP-SIF配置的光谱仪具备极高的光谱分辨率（0.3nm）、超高的信噪比（1000:1）。整套系统基于大疆M350深度开发，具备极高的集成度和极简单的操作流程。

图4 机载日光诱导叶绿素荧光测量系统Gaiasky-SP-SIF

产品特点：

• 系统集成度高、操控简单
• 一键采集，定点巡航
• 实时太阳光余弦校正模块
• 特俗光纤结构，快速完成上行下行信号的切换，确保上下行实现同步采集
• 无人机、地面两用

表2 机载日光诱导叶绿素荧光测量系统Gaiasky-SP-SIF参数

3.3 地面/塔基自动观测方案

地面SIF观测有助于将SIF相关研究缩小到冠层尺度，以更好的研究其与光合作用耦合的机制。自然光照条件下测定的植被反射的辐照度光谱既包括SIF的发射光谱，又包括叶片对入射光的反射光谱。由于SIF发射光谱和植被冠层反射光谱是混合在一起的，所以从冠层光谱中提取SIF光谱首先需要精准的观测。依据FLD原理中SIF对暗线填充思想，为了提取微弱的SIF信号，观测需实现高光谱分辨率（亚纳米）的太阳入射光和冠层反射光近乎同步的观测。然而，目前已有的光谱仪种类有限，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，主要有两种方法：（1）双光谱仪同时观测；（2）单光谱仪结合光路切换开关。

图5.塔基SIF两种常见观测方式(李朝晖,2021)

表3. SIF自动观测系统光谱仪参数标准(李朝晖，2021)

4 展望

SIF遥感技术突破了传统主动荧光测量的尺度瓶颈及传统光学反射率遥感的生理限制瓶颈，从叶片、冠层、景观到全球尺度提供了研究陆地生态系统光合作用的新途径。目前，从地基、无人机、机载到卫星获取SIF数据，极大地强化了连续时空的陆地生态系统监测能力。然而，为了更好地发挥多尺度SIF观测的潜力，仍有很多挑战需要去克服。例如，天空地一体化观测，数据预处理后获取可靠的SIF数据产品，准确提取隐含在SIF信号中的植物生理信息，对SIF机理和时空动态的深入和全面认识。在此基础上，探索基于SIF的新兴的生态学应用，从而更好地服务于陆地生态系统监测(图6)。

随着SIF遥感观测平台的增加、传感器的多样化、地面观测网络的发展，用于监测陆地生态系统 的SIF时空数据越来越丰富。在时间尺度上，地基 SIF观测可以达到亚分钟尺度；在空间尺度上，无人 机高光谱成像可以提供厘米(cm)尺度的SIF反演数据；在空间范围上，卫星可以提供全球尺度的SIF产品。因此，跨平台进行天空地一体化SIF协同观测全球不同生态系统的植被光合作用尤为重要。

图6 日光诱导叶绿素荧光(SIF)遥感标准化数据处理与建模流程及其在生态学中的新兴与潜在应用（吴霖升,2022）