[发明专利]一种植被叶绿素荧光的双通道自动观测方法

摘要

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。

主权项

1.一种植被叶绿素荧光的双通道自动观测的方法，其主要包括以下步骤：(1)超高光谱观测硬件系统的建立。超高光谱分辨率光谱仪由美国Ocean optics公司生产，型号为QEPRO，光谱范围为650‑800nm，光谱分辨率为0.3nm，通过USB接口与电脑连接传输信号。光谱仪内部有光路开关，可控制外界光是否能够进入光谱仪，默认为打开状态。光谱仪密封在温控箱中，内置TEC降温设备，设定温度为25℃，避免环境温度过高。光谱仪仅一个光路通道，采用装有直角反光棱镜的密封腔体将单通道光路分为双通道光路，并在两个光路间进行切换。棱镜为直角三角柱体，直角所对的面覆盖一层镀铝氟化镁的反射涂层，可全反射200nm‑1000nm波长的光。棱镜两个直角面，直角面I进入的光打到反射面上，光传播方向改变90°，由直角面II射出。腔体为长方体，有两个进光孔，对称分布在两个相对的面上，孔中心在一条直线上，均装配有余弦校正器，接收半球入射光。一个出光孔在另外一个面上，垂直于孔中心的直线与进光孔所在直线垂直，且两条线的交点在两个进光孔的中心位置，棱镜反射面的中心点与此交点重合。棱镜直角II面始终与出光孔所在面平行，另一个直角面I与两个进光孔所在面平行，可将进光孔射入的光反射90°到出光孔。反射面固定在棱镜基座，基座与电机相连，电机控制基座旋转180°，使直角面II在两个进光孔之间切换，进光孔的光反射到达出光孔，达到将光路一分为二并实现光路间切换的目的。光谱仪进光口与光纤一端连接，光纤另一端接入棱镜腔室的出光口。野外安装时，棱镜腔室安装在观测塔水平杆前端。腔室进光孔均装配余弦校正器使用，其中一个余弦校正器水平向上安装，测太阳入射光谱，另一个向下安装，测冠层反射光谱。光谱仪恒温箱安装在防水箱内，防水箱内同时集成一台微型电脑，控制光谱仪的运行和数据采集存储；(2)利用C#语言编写系统控制程序，由光谱仪的初始化、光谱仪积分时间优化、光谱仪扫描、数据采集、数据存储、反射率和荧光的计算组成。优化的积分时间计算公式为：T＝IT×targetDN/max    (1)其中，IT为自定义的初始积分时间，targetDN为用户自定义的理想光谱仪记录值，max为在用户自定义IT时间内采集到的光谱最大的光谱仪记录值。同时，设定最大积分时间，防止出现积分时间无穷大的情况；(3)观测的具体流程为：棱镜转至太阳入射光观测光路，按照初始积分时间采集一条太阳入射光谱，使用公式1计算优化的积分时间，然后按照优化的积分时间观测一条太阳入射光谱并记录数据，随后关闭光谱仪内部光路开关，按优化的积分时间记录一条暗电流，即没有光进入光谱仪而由光谱仪自身产生的噪声数据。然后棱镜转至冠层反射光观测光路，重复以上步骤以获取冠层反射光谱和对应的暗电流。最后，以上述步骤再次观测一条太阳入射光谱和对应积分时间的暗电流，至此一个观测循环结束，此种观测方法称为三明治观测；(4)利用记录有不同波段辐亮度值的标准光源对光谱仪进行定标，获得将光谱仪记录值转换为辐亮度的定标系数。观测获得的光谱数据，首先减去暗电流，然后除以积分时间，将积分时间归一化到1秒，再乘以定标系数，得到辐亮度值。冠层反射光的辐亮度除以太阳入射光的辐亮度得到反射率。(5)冠层反射由冠层的真实反射ρ和荧光F两部分组成，采用光谱拟合方法反演荧光F，可将ρ和F用多项式模型表达，冠层反射的辐亮度L表示为：式中ρMOD(λ)和FMOD(λ)分别是在相应的波段反射率和荧光的数学表达式，LTOC(λ)表示观测的冠层反射辐亮度，E(λ)为太阳入射的辐亮度，ε(λ)表示每个波段观测值和拟合值的残差项。通过最小二乘解线性方程组，得到ρMOD(λ)和FMOD(λ)，从而计算F和ρ。