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。

基于夫琅和费暗线原理的太阳诱导叶绿素荧光仪

叶绿素荧光技术是探知植物生理状态及其与环境关系的理想方法。太阳诱导叶绿素荧光可以利用夫琅和费暗线原理进行提取。阐述了夫琅和费暗线探测自然光条件下光合作用荧光的基本原理和方法,以及波长760 nm叶绿素荧光探测仪的光学系统、仪器硬件组成及其各部分功能、仪器的软件设计。通过与ASD地物光谱仪器的对比试验表明,研制的太阳诱导叶绿素荧光测量的数据与地物光谱仪测量的数据相关系数都大于0.9。基于夫琅和费暗线原理的太阳诱导叶绿素荧光探测仪器提供了一种低成本、实时测量作物冠层太阳诱导叶绿素荧光的方法和仪器。

从普物光学实验看夫琅和费的贡献

透过普物光学实验的几个内容， 回顾了夫琅和费在距今１７０ 多年前利用自制分光计精确测定玻璃棱镜折射率、研究多缝单缝衍射现象及光栅理论， 测定太阳光谱暗线的重要贡献．

基于叶绿素荧光发射光谱的光能利用率探测

该文从光合作用光谱探测角度出发,研究基于自然光下植被叶绿素荧光光谱的植被光能利用率遥感探测的可行性。设计了日变化试验,获取植被光合、光谱及荧光参数,分析光能利用率的影响因素和光谱探测方法;基于叶绿素荧光夫琅和费(fraunhofer)线探测原理,计算植被冠层在2个氧吸收波段(688nm和760nm)叶绿素荧光发射光谱;并在此基础上建立了基于荧光发射光谱的光能利用率统计模型,并与基于光化学植被指数的光能利用率统计模型进行了对比。研究结果表明:PSII(photosystemⅡ,光系统II)光下量子产量与光能利用率显著正相关(R2=0.802),证实了通过叶绿素荧光来定量探测光能利用率是可行的;688nm和760nm荧光均与植被光能利用率显著相关,相比光化学植被指数光能利用率统计模型(R2=0.646),基于荧光的光能利用率的统计模型精度更高,决定系数R2达到了0.799。因此,叶绿素荧光信号更能用于跟踪短期植被光能利用率变化。植被自然光下荧光光谱信号能够为光能利用率遥感探测提供一条新的途径。

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。

揭开阳光的奥秘——太阳光谱的发现者夫琅和费

牛顿是以发现万有引力和创立微积分学而大名永垂的。但是最早使牛顿成名的是他对光学的研究。1666年牛顿从剑桥大学毕业回到母亲的农场躲避伦敦流行的鼠疫时,他一方面潜心思考万有引力问题,同时又进行了有趣而惊人的光学实验。他布置了一个暗房,让一束光线从窗帘的缝隙射进来,并使这束光线通过棱镜射到一个屏幕上。他惊异地发现。

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。

基于719 nm水汽吸收波段的日光诱导叶绿素荧光反演研究

日光诱导叶绿素荧光(SIF)是一种植物光合作用直接探测新方法。目前O2-A和O2-B吸收线波段的叶绿素荧光填充效应被广泛应用于探测近红外(760 nm)和红光波段(687 nm)的植被冠层SIF信号。SIF光谱范围为650~800 nm,虽然水吸收波段(719 nm)介于叶绿素荧光发射峰值690 nm和740 nm之间,且具备较强的光谱吸收特征,但该水汽吸收光谱特征尚未应用于冠层SIF探测,因此,基于模型模拟和野外实验观测数据,使用夫琅禾费暗线SIF反演法,评价了基于719 nm波段水吸收波段的SIF反演潜力,其中野外光谱数据采用ASD FieldSpec Pro便携式地物光谱仪(3 nm分辨率)测量。首先,利用FLD、3FLD、iFLD等3种经典的SIF反演方法,检验和对比分析了719水汽吸收波段的SIF反演性能,结果表明使用水吸收线比使用O2-B吸收线表现更优,反演RMSE为0.154 W/m2/μm/sr。其次,定量计算了水汽和氧气吸收波段SIF反演的敏感度和不确定性,结果表明,719水汽吸收波段与O2-B吸收线相比,其吸收线内外的反射率和荧光比值估算误差对SIF反演误差的贡献更小,但是显大于比02-A波段。最后,利用野外多角度和日变化观测实验数据,检验和分析了三个大气吸收波段的SIF反演结果,发现719 nm水吸收波段的冠层SIF与O2-A和O2-B氧气吸收波段具有相似的角度变化和日变化特征,表现为后视和热点方向的SIF高、前视和暗点方向的SIF低,以及中午SIF高、早晚SIF低。研究表明利用719 nm波段的水汽吸收波段的光谱信息,可以准确反演近地面冠层SIF信号,研究结果为近地面冠层SIF观测提供了一个新的波段。