[发明专利]一种植被叶绿素荧光的双通道自动观测方法

说明书

本发明提供了一种利用棱镜拆分光路的光谱观测系统获取的植被冠层光谱数据精确反演冠层日光诱导叶绿素荧光的方法，属于植被遥感反演参数获取方法的研究领域。其步骤为：利用棱镜拆分并切换光路的高光谱观测系统的建立；超高光谱数据的自动连续获取；计算太阳入射和冠层反射辐亮度；计算冠层反射率和反演叶绿素荧光。本发明通过旋转棱镜，交替获取太阳入射光谱和冠层反射光谱，保证进入光谱仪光路的唯一性，避免双光路或多光路对光的衰减和相互间谱端的偏移，降低荧光反演的噪声干扰，可得到连续高质量的植被冠层荧光数据产品，提高陆地初级生产力监测的精度。

一、技术领域

本发明涉及一种利用自动观测系统连续获取的植被冠层光谱数据计算冠层日光诱导叶绿素荧光的方法，具体地说，是指一种集成的超高光谱自动观测系统同时获取太阳入射光谱和植被冠层反射光谱，计算植被冠层日光诱导叶绿素荧光的方法，属于植被遥感反演参数获取方法的研究领域。

二、背景技术

植被总初级生产力是指植物通过光合作用固化CO₂的能力，是陆地生态系统在自然条件下的生产能力。植被总初级生产力是全球碳循环的最大碳通量，植被总初级生产力直接决定了陆地生态系统后序碳循环要素，也关系到陆地生态系统对人类可持续发展的支持能力。因此，植被总初级生产力是估算地球支持能力和评价生态系统可持续发展的重要指标，也一直是目前地球系统科学研究的热点。目前陆地生态系统生产力估算主要有生态系统模型和基于植被指数的光能利用率模型。由于目前模型对于一些关键的生态过程描述不清，或者由于模型结构、参数和输入数据等方面的原因，当前模型生产力的估算尚存在较大的不确定性，模拟能力仍有待提高。而现有遥感技术虽然能提取出与地表碳通量、储量相关的植被参数，但是这些植被参数无法直接反应植物生理活动，不能直接反应陆地生态系统碳通量信息，因此需要用新的观测数据对模型估算进行优化，以提高对区域植被生产力的模拟精度。

日光诱导叶绿素荧光弥补了当前植被遥感观测的不足，可以为陆地生态系统生产力估算提供新的思路和方法。日光诱导叶绿素荧光(以下简称荧光)是由植物光合中心发射出的光谱信号(650-800nm)，可以反映植被的光合作用状态，被誉为“光合探针”。植被吸收的光能有三个去向，分别是光合作用、热耗散和荧光。植被用于光合作用的能量不足吸收光能的20％，而大部分能量通过热耗散释放，少部分能量通过荧光形式释放。由于这三种能量紧密相关，存在着此消彼长的关系，因此在吸收太阳辐射能量一定的情况下，可以通过观测荧光更为直接探测植被的光合作用等有关信息。相比植被指数，荧光更能够反映植被的光合动态变化，因此逐渐成为陆地生态系统生产力估算的研究热点。

Frankenberg等人在“New global observations of the terrestrial carboncycle from GOSAT：Patterns ofplant fluorescence with gross primaryproductivity”一文中提出通过卫星反演荧光的方法，利用叶绿素荧光遥感探测区域及全球尺度植被光合作用，进而估算陆地生态系统生产力。在全球和季节尺度上GOSAT卫星反演得到的近红外波段的SIF与模拟得到的GPP呈线性关系，但不同生态系统差异明显。同时，虽然卫星荧光遥感的结果揭示SIF与GPP在季节尺度上具有线性关系，但观测与模拟研究表明，受环境因素影响，叶片和冠层的叶绿素荧光和光合作用的关系呈非线性，尤其是在短时间尺度上。这表明荧光与生产力的关系还受到其他因素如植被的冠层结构、相关植物生理机制影响。

因此，为了利用荧光遥感信息估算生产力，确定不同时间、空间尺度下的荧光与生产力的关系，对不同生态系统和环境条件下冠层荧光和光合作用的长期连续同步观测十分重要。在不同的生态系统和环境条件下对冠层叶绿素荧光和光合作用的长期同步连续观测，有利于为基于叶绿素荧光的不同生态系统的生产力估算模型提供有效的数据，同时可以对卫星数据作为验证参考，对当前正在发展的基于叶绿素荧光遥感的光合作用探测及全球碳循环模拟有重要意义。