[发明专利]一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统，它是地理学中研究植被光谱与植被生理关系的集成系统，可对叶片进行被动日光诱导叶绿素荧光(Solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)和主动荧光动力学参数的长时间序列协同观测，用于建立起被动荧光与主动荧光动力学参数以及植被生理的关系，属于自然地理系统技术领域。

背景技术

光合作用是植被最为关键的生理过程，不仅影响着碳、水等物质循环，而且能够快速、直接地反映植物的生长状态和受胁迫状态。传统遥感手段通过植被反射、辐射和散射的电磁波信息反演植被的生物物理参数和生物化学参数，如叶面积指数、叶绿素含量等，但是目前还缺乏有效的探测植被光合作用信息和受胁迫状况的遥感手段。植被叶绿素荧光因为与植被光合作用密切相关，经研究被认为是植物生理状态的“探针”，与植被生长所处的外界环境息息相关，将叶绿素荧光应用于探测植被的胁迫状态具有很大的潜力。主动荧光测量是通过主动发射脉冲来获取植被叶片尺度的荧光动力学参数，对于植被的生理研究有很重要的参考意义。SIF通过算法从太阳入射光谱和目标表观反射光谱中提取荧光信息，可通过遥感方法获取，能实现大面积地表植被的生理状态观测。目前低空、全球的SIF均被研究,但从光谱中提取的SIF是否是植被真实发射荧光的正确表示，SIF能否正确地反映植被的生理状态，还需进一步进行验证和确定。另外SIF多种提取方法的精度和有效性也需要进行分析。故需要一种能同时测量主被动荧光的系统，该系统应确保主被动荧光测量的被测量目标与环境保持一致性，并能够方便、稳定地进行长时间的时序测量。我们这套叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统正是针对以上这些问题开发的轻型的、自动的同步观测系统。这套系统包括光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备、同步观测架及控制主机设备五部分构成，能稳定地对叶片目标进行长时间序列的主被动荧光同步观测，用以研究被动荧光与主动荧光动力学参数以及植被生理的关系。

发明内容

(1)目的：

本发明的目的是提供一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统。它保证了主被动荧光获取的外界环境、叶片内部生理均一致，从而确保两者具有严格的对应关系。系统具有很好的稳定性和操作的便捷性，能实现主被动荧光数据的长时间序列同步观测。

(2)技术方案

本发明是一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统(图1)。整个系统按实现功能由五个部分组成：同步观测架(图2)、光谱采集设备(图3)、主动荧光采集设备(图4)、光合有效辐射采集设备(图5)、主机。它们之间的位置连接关系是：光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备安装在同步观测架上，光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备、同步观测架都通过数据传输线与主机连接起来，通过主机实现光谱、荧光动力学参数、光合有效辐射数据的采集以及同步观测架上的电机的控制。以上设备的集成实现了主被动荧光长时间序列的协同观测。

所述同步观测架(图2)是由不锈钢组装而成，四根型钢组成十字型作为同步观测架底座，同步观测架主架由多根型钢拼接而成，之间安装有矩形板料状的置物平台，同步观测架主架上端连接观测部分，可以调整观测部分高度，观测部分包括电机、参考板托盘、HR4000和PAM2500光纤固定竖杆和矩形板料状的样本平台。HR4000光谱仪光纤探头在观测目标位置和漫反射参考板位置上方之间来回运动，实现了太阳入射光谱和目标表观反射光谱的采集(图6)且提供了光谱与荧光动力学参数同步采集(图7)的稳定环境。

所述光谱采集设备(图3)包括恒温箱及内置的HR4000光谱仪、漫反射参考板，能实现太阳入射光谱和目标表观反射光谱的测量，以提取SIF，恒温箱能确保HR4000光谱仪长时间的稳定工作。该恒温箱是箱式结构，其上设有HR4000数据线、1HR4000光谱仪光纤、恒温箱数据线接口、恒温箱光纤接口、恒温箱电源接口、恒温箱电源转换器和恒温箱电源线；该漫反射参考板是小圆板,其表面设有反射率为99％的朗伯体特殊涂层。

所述主动荧光采集设备(图4)为PAM2500荧光仪，能获取叶片目标的荧光动力学参数。其上设有PAM2500数据线、PAM2500光纤、PAM2500数据线接口、PAM2500光纤接口和PAM2500光纤探头。

所述光合有效辐射采集设备(图5)为PAR传感器和PAR主机，能获取当前光合有效辐射值。