叶绿素a荧光遥感研究进展

继叶绿素a反演的“蓝绿比值法”后,叶绿素a荧光遥感成为海水叶绿素a浓度反演的重要方法,对提高二类水体和赤潮水体的叶绿素a浓度的反演精度效果明显。本文回顾了人们对水体叶绿素a荧光的认识、测量和研究的历史过程,介绍了荧光产生的生物学机理以及它随叶绿素a浓度的正相关和“红移现象”等主要光谱特征。本文还总结了荧光量子产量、不同藻种生理状态、水体其他物质及大气的吸收等多种因素对叶绿素a荧光遥感的影响。基于对叶绿素a荧光光谱特征和影响因素的认识,人们相继建立了两种荧光遥感方法———基线荧光高度法和归一化荧光高度法。对于前景广阔的叶绿素荧光遥感领域,人们正进行着更深入的研究与探索,积累更多的现场数据和卫星同步数据,逐步完善和改进反演模型。

基于红光与远红光叶绿素荧光遥感的作物总初级生产力估算研究

为明晰植被冠层叶绿素荧光遥感信息与总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)间关系,以提高GPP估算精度,该文以典型C3(冬小麦)和C4(夏玉米)作物为例,利用不同传感器采集高频率光谱数据,提取了红光区和远红光区作物冠层日光诱导叶绿素荧光(Sun-induced chlorophyll Fluorescence,SIF)遥感信息。结合通量观测数据,分析了SIF与GPP的日变化特征,并探讨了基于SIF估算作物GPP的能力和差异性。结果表明:1)C3、C4作物的GPP日变化特征差异明显,前者呈“双峰”特征,后者呈“单峰”特征;而SIF760和SIF687均呈现明显的“单峰”特征,即早晚低、午间高;2)不同类型传感器对SIF数值大小的影响强于对其日变化特征的影响,同时,低光谱分辨率传感器对SIF687具有明显的高估现象,且对C3作物的高估强于C4作物;3)C3、C4作物SIF760和SIF687均与冠层吸收光合有效辐射(Absorbed Photosynthetic Active Radiation,APAR)呈显著的线性正相关关系( R 2>0.8),可以直接用于APAR产品的反演;4)针对远红光区SIF,单日观测数据分析结果表明,C3、C4作物SIF760与GPP呈显著的线性正相关关系( R 2>0.6),而基于多日观测数据构建的非线性对数关系模型优于线性关系模型;针对红光区SIF,无论是基于单日还是多日观测数据,C3、C4作物均适宜采用一种非线性对数关系模型来估算GPP( R 2 >0.7),且模型更为稳健。

激光荧光遥感系统在地物识别上的应用研究

应用我国自行研制组装的激光荧光遥感系统,测试了包括岩石、土壤、植物、水体以及人工建筑材料在内的各种样品的激光诱导荧光光谱。研究结果表明,应用地物荧光峰的位置、强度及它们的组合指标,不仅能区分上述各基本类型的地物,而且还能往下级单元续分。还表明,激光荧光遥感系统具有相当广泛的应用前景,在某些方面可望超过当前常用的、以反射光谱为基础的被动式遥感。

机载激光诱导荧光遥感系统相关参数的讨论

以文献[1]所设计的机载激光诱导荧光遥感成像系统为例,简要地分析了该遥感系统的荧光参数、信噪比、飞机飞行参数与系统性能的关系。探测器接收到的荧光强度和信噪比除了与激光器发射的功率、被激发物质的荧光量子效率、密度、浓度和探测器的量子效率等成正比外,还受遥感系统的仪器结构、探测器的灵敏度、荧光寿命、阳光的反射,以及大气散射等因素的影响。给出了遥感系统的空间分辨率与飞机飞行高度和速度、激光扫描频率和脉冲发射频率之间的关系。分析结果对实际研制机载激光荧光遥感系统有重要的参考价值。

绿色植物的激光荧光谱及遥感应用

利用Nd：YAG／DYE脉冲激光、双光栅单色仪，BOXCAR等仪器组成的激光诱导荧光测试系统，测量得到了激发波长分别为355、440和532nm时，茶叶、竹叶和水稻叶子的激光荧光谱，得到以下绿色植物激光荧光谱的几个特征，（1）中心波长约在423nm处的紫荧光带，（2）宽度较大的蓝荧光带，（3）中心波长分别为685nm和735nm处，由叶绿素激发产生的红荧光。经比较测量，得到了不同激发光波长下的各种不同植物的红带荧光比（F685／F735）。最后讨论了绿色植物激光荧光遥感的应用问题。

利用荧光高度遥感海洋中叶绿素a的浓度

本文介绍了新一代遥感水色传感器——荧光高度成像光谱仪(FLI)的主要性能和优点以及应用该仪器在加拿大、美国东海岸等地不同日期,不同地点测量叶绿素所获得的光谱资料进行多种高度下荧光波段的大气校正研究。讨论了测量叶绿素最佳荧光范围内的谱段组合选择;FLI遥感所测的叶绿素a的浓度值与现场船测资料以及美国空间中心的机载海洋激光雷达所测值的比较。

定量遥感若干前沿方向探讨

自主创新能力的提高,关键在人才,核心在教育。为了培养“定量遥感”领域高素质的创新人才,2020年北京大学第十七届“定量遥感”暑期课程班结合听课学员关注的定量遥感前沿问题,举办了研究生线上学术讨论。学术讨论针对“定量遥感”理论、方法技术和应用中广泛关注的学术问题,举办了4场学术讨论,分别讨论了辐射传输机理、高光谱遥感混合像元分解、植被荧光遥感和无人机定量遥感应用与服务等4个方向的前沿进展。其中,“辐射传输机理”学术讨论主要从麦克斯韦方程组出发,讨论了用微观物理学阐释辐射传输理论的进展状况以及目前存在的局限性;“高光谱遥感混合像元分解”学术讨论主要聚焦在端元变异性研究的2个方面,即针对同一端元类别内的光谱变异性和不同端元类别之间的光谱相似性的讨论,深入探讨了高光谱遥感混合像元如何消除解混误差的理论与方法;“植被荧光遥感”学术讨论主要讨论了日光诱导叶绿素荧光(solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)遥感的应用进展,SIF从叶片内激发到传感器接收的过程及其作用机理,重点针对其中5个主要问题进行了深入讨论;“无人机定量遥感应用与服务”学术讨论围绕无人机定量遥感和应用服务等问题开展了深入讨论,普遍认为无人机定量遥感应用与服务在未来具有广阔前景。每场学术讨论由一名研究生作主题发言,参加人员围绕该主题申请发言,展开讨论与质疑,并就相关进展阐述个人观点或补充相关研究进展信息,主持人作总结发言。学术讨论通过bilibili网站在线直播,吸引了众多感兴趣的研究生和其他人员参与,拓展了定量遥感知识的传播,深化了对讨论问题的认识。

海面溢油油种激光遥感ANN探测方法的研究

目前激光荧光遥感是探测海面溢油最有效的工具。作者将神经网络(ANN)的自组织特征映射SOM模型引入激光遥感的荧光光谱鉴别领域。本文主要进行的是理论建模和分析工作,而且用计算机软件方法实现了神经网络的模式识别和分类功能,对推广能力进行了实验分析。经过改进神经网络已具有比较理想的推广能力,并认为SOM应作为溢油识别的较理想方法。

利用MERIS产品数据反演太湖叶绿素a浓度研究

第三代水色传感器MERIS的荧光通道的合理设置为荧光遥感法的应用提供了广阔的发展前景。利用MERIS数据、同步地面光谱和水质监测数据,分别通过基线荧光高度(FLH)、归一化荧光高度(NFH)和最大叶绿素指数(MCI)建立了太湖叶绿素a浓度的荧光遥感估算模型。结果表明:MERIS荧光参数中最大叶绿素指数(MCI)较基线荧光高度(FLH)更适合太湖水体叶绿素a浓度的反演;归一化荧光高度(NFH)与实测叶绿素a浓度间的拟合效果最好。最后选取NFH进行MERIS荧光遥感模型的太湖叶绿素a浓度的反演,其结果客观地反映了太湖水体叶绿素a浓度的空间分布格局。

基于沙氏成像原理的激光雷达技术研究进展(特邀)

当成像系统的物面与光学透镜所在平面不平行时,如果像面、物面及透镜所在平面三者相交于一条直线—即满足沙氏成像原理(也称沙姆定律),则成像系统依然可对物面清晰成像,从而实现理论上的无穷远景深。基于沙氏成像原理而发展起来的沙氏激光雷达可采用连续波二极管激光器作为光源以及图像传感器作为探测器,因而具备近距离探测盲区小、结构紧凑、低维护、高性价比等特色和优势。近年来,沙氏激光雷达技术逐渐应用于大气环境监测、三维目标成像、荧光(高光谱)激光雷达探测、生态学研究、燃烧诊断、水体光学测量等领域。文中将系统性地阐述沙氏激光雷达技术的基本原理,详细探讨其在相关领域取得的最新研究进展,并对未来研究工作进行展望。

“句芒”号卫星超光谱探测仪设计与系统验证

随着双碳目标的提出,碳监测定量化遥感技术的发展需求日益迫切,对日光诱导叶绿素荧光定量化的遥感监测可以作为植被实际光合作用效果和碳循环效能评价的重要手段。介绍了“句芒”号卫星的有效载荷之一超光谱探测仪的性能指标、设计方案、系统组成、验证结果及在轨运行情况。超光谱探测仪是面向太阳诱导植被荧光探测的精密光学仪器,系统采用了推扫成像和光栅色散分光的技术方案,经过测试验证,光谱分辨率优于0.3 nm,地面像元分辨率达到1.5 km,典型输入辐亮度条件下系统信噪比优于500,各项指标均满足和优于探测任务需求,具备高光谱分辨率、高信噪比、高稳定性的探测能力,其良好的表现将在植被监测和碳循环应用等方面发挥重要的作用。