多角度植被冠層葉綠素熒光遙感觀測系統

一、儀器原理：

太陽誘導葉綠素熒光（Sun-induced chlorophyll fluorescence, SIF）植物發出的一種電磁信號：葉綠素 a 吸收的太陽光的部分能量未用于光合作用，而是在較長的波長上發射出大致覆蓋 650-800 nm 光譜范圍的雙峰（紅光690 nm和近紅外740 nm）光譜。SIF 信號可對光和水脅迫等環境條件的擾動做出瞬時反應，因此是光合作用活性的直接代表。然而，SIF輻射只占植被冠層頂部反射輻射的一小部分（通常為 0.5%-2%），是一種十分微弱的信號，因此要通過光譜儀對其進行觀測，需要高光譜分辨率和先進的觀測方案。

二、核心優勢：

1）支持主被動協同葉綠素熒光觀測

2）自定義多角度熒光觀測，支持植被冠層多角度熒光研究，如冠層結構、觀測幾何、觀測角度等影響

3）基于物聯網云服務平臺，支持遠程監控，數據遠程下載，多設備集中管理

4）系統便攜式設計，防雨防塵，堅固耐用，工作溫度范圍廣，適用于野外長期觀測

三、主要技術性能參數：

1. 高分辨率熒光光譜儀

1）光譜范圍：650nm-800nm (730nm-780nm)

2）光譜分辨率: ≤0.3nm (≤0.17)

3）信噪比:≥1000:1

4）A/D 轉換：18bit

2. 光路切換系統

1）光路透過率≥80%

2）通道數：2

3）全部采用高通量 600μm 光纖，不銹鋼 304 鎧裝外包層，防雨防塵，長度和數量支持定制

3. 系統軟硬件參數及功能

1）工作溫度：-20℃-50℃

2）溫控系統：采用半導體 TEC 制冷及加熱功能，自由切換，溫度可自由設定，溫度區間為 0℃-30℃（±1℃）

3）主板功耗不大于 4W，整機功耗不大于 80W

4）設備基于物聯網云服務平臺，實現數據在線采集、遠程控制、無線傳輸、實時監控、數據可視化等功能，實現多臺設備集中管理，多設備界面實時顯示

5）支持入射輻照度、反射輻亮度、反射率曲線和熒光曲線實時可視化，并顯示恒溫箱內外溫濕度，上下光路的積分時間等信息

多角度植被冠層葉綠素熒光遙感觀測系統

四、應用案例

太陽誘導葉綠素熒光（SIF）為監測總初級生產力（GPP）提供了遙感信號，但 SIF-GPP 關系會受到觀測角度影響。通過對小麥和玉米冠層上方的紅光和遠紅外 SIF 進行地基多角度觀測，以研究觀測幾何對 SIF 的影響。利用這些新的測量結果，改進并應用了為紅光和遠紅外 SIF 測量的角度歸一化而開發的算法。根據對 6 個晴天的分析，角度歸一化提高了 SIF 與瞬時尺度（1 分鐘）渦度協方差測量得出的 GPP 的相關性。遠紅光 SIF 的提高幅度略小于紅光 SIF，原因是由于冠層中紅光波段的多重散射較弱，因此觀測到的紅光波段 SIF 的角度變化大于遠紅光波段。此外，在小時時間尺度上，遠紅光 SIF 在跟蹤異質冠層的 GPP 方面顯示出優勢，而紅色 SIF 的角度歸一化則對同質冠層有效。