日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF，Solar-Induced chlorophyll Fluorescence)反演機理：太陽輻射譜線經(jīng)過太陽大氣和地球大氣中各成分的吸收，到達(dá)傳感器時存在寬度不等(0.1nm-10nm)、深度不同的吸收谷，稱為夫瑯和費暗線(Fraunhofer Lines)。SIF作為地表發(fā)射信號，疊加于反射信息之上，改變了夫瑯和費暗線的深度，利用SIF對夫瑯和費暗線的“井”填充效應(yīng)，通過比對原始暗線深度及經(jīng)SIF填充后的暗線深度，可以實現(xiàn)SIF的遙感反演。由于反演SIF至少利用一條夫瑯和費暗線，且對于任意一條暗線，傳感器的光譜分辨率愈高，觀測得到的原始暗線深度愈深，SIF對暗線的填充效應(yīng)愈明顯，則SIF反演的魯棒性愈強。因此，SIF的遙感反演需要在高光譜分辨率條件下實現(xiàn)，其核心問題為如何準(zhǔn)確得到未被熒光填充的原始暗線和被熒光填充后的暗線。
日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF(Sun/Solar-induced Chlorophyll Fluorescence)是植物在太陽光照條件下，由光合中心發(fā)射出的光譜信號(650—800 nm)，具有紅光(690 nm左右)和近紅外(740 nm左右)兩個波峰，能直接反映植物實際光合作用的動態(tài)變化。
SIF遙感是近年迅速發(fā)展起來的植被遙感技術(shù)，可彌補當(dāng)前植被遙感觀測的不足，為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和植被監(jiān)測等提供了新的思路和技術(shù)。
以基于“綠度”觀測的植被指數(shù)(如NDVI)為代表的植被遙感在過去30年極大地促進(jìn)了從宏觀尺度上來理解和認(rèn)識地球生物圈，但其只能通過“綠度”來探測植物“潛在光合作用”。
葉綠素?zé)晒庠谥脖还夂仙硖綔y方面具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，是“實際光合作用”的直接探測方法?？梢哉f植被葉綠素?zé)晒膺b感是近10年來植被遙感領(lǐng)域最具突破性的研究前沿。隨著研究和技術(shù)的發(fā)展，SIF遙感最近10幾年來得到了長足的進(jìn)步。SIF是光下測量葉綠素?zé)晒獾牡湫痛?，通過測量上行輻亮度對下行太陽光譜Fraunhofer暗線的填充來反演植被發(fā)出的葉綠素?zé)晒鈴姸?，通常會得到如下的光譜曲線。
圖1 反演植被發(fā)出的葉綠素?zé)晒鈴姸?/span>
• 成像光譜范圍：670-780nm（650- 800nm）
• 成像傳感器：SCMOS（制冷/非制冷）
• 光譜分辨率：0.3~0.4nm
• 光譜采樣間隔：0.1nm
• 光譜波段數(shù)：100~1000個波段
• SNR：優(yōu)于1000:1（峰值信噪比）
• 入射狹縫寬度：30μm
• 成像鏡頭：25mm定焦鏡頭
• 空間圖像分辨率：≥1200*1000
• 幀頻：1fps~100fps
• 接口：USB3.0
• 重量：＜2.27Kg;
• 動曝光、自動對焦、自動掃描速度匹配
• Shutter快門
• 輻射度、均勻性、鏡頭、反射率校準(zhǔn)
• 太陽光實時采集（余弦校正器）
• 內(nèi)置電池
• 內(nèi)置推掃成像
• 輔助攝像監(jiān)控
• 紅外熱成像
• 實時反演輸出
圖2 系統(tǒng)硬件及軟件界面
• 反射光譜數(shù)據(jù)存儲及輸出
• 高光譜數(shù)據(jù)立方體圖
• 實時太陽光譜采集/校正
• 植被指數(shù)：歸一化指數(shù)N DV I、比值指數(shù)SR、改進(jìn)的葉綠素吸收反射指數(shù)MCARI、改進(jìn)的葉綠素吸收反射指數(shù)1MCARI1、最優(yōu)化土壤調(diào)整植被指數(shù)OSAVI等，也支持自定義波段計算公式。
反演模型：
SIF成像光譜儀的入射狹縫區(qū)域中，設(shè)計有專門為光纖收集實時參考光源強度信息的結(jié)構(gòu)，余弦校正模組會對收集來自各方的光進(jìn)行勻化后，再經(jīng)光纖傳導(dǎo)到入射狹縫的前端，確保在進(jìn)行掃描成像時，每一幀頻都會記錄其獨立且與之同步對應(yīng)的參考光源信息。避免因光強變化而引起的校準(zhǔn)誤差，確保校準(zhǔn)的相對獨立性，為定量研究等提供支持。
圖3 實時光纖光強采集
在軟件界面上，可對自定義光譜起始波段、終止波段、采用間隔的參數(shù)設(shè)置；且支持多個類似的操作，對感興趣區(qū)域和光譜細(xì)分精度進(jìn)行設(shè)置，對非感興趣區(qū)域進(jìn)行波段數(shù)量縮減，進(jìn)而增加有效信號的提取和減少冗余數(shù)據(jù)量，提升采集效率的同時又保證了數(shù)據(jù)精度。
圖4 波段自定義設(shè)置界面
反射率校正功能：
• 利用標(biāo)準(zhǔn)白板、灰布等可作為參考板，對采集的原始DN值數(shù)據(jù)進(jìn)行反射率校準(zhǔn)；
• 利用余弦校正模組實時采集的光照強度、暗背景等數(shù)據(jù)進(jìn)行反射率校準(zhǔn)；
輻射度校正功能：
• 相對輻射度校準(zhǔn)；
• 絕對輻射度校準(zhǔn)；
通常情況下，SIF成像系統(tǒng)是在光照非常好的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，而偶發(fā)性的云層等帶來對拍攝目標(biāo)區(qū)域和系統(tǒng)對光照采集的不一致性，可以利用實時采集的每一幀頻中對應(yīng)的參考光源信息，與目標(biāo)影像進(jìn)行光強修正及算法處理。
*紅色區(qū)域為光強傳感器記錄的參考光源的影像區(qū)域 （占據(jù)多個像素點）；
*黃色區(qū)域為需要進(jìn)行校準(zhǔn)的目標(biāo)區(qū)域；
*獨特的軟件數(shù)據(jù)分析功能；
圖5 實時光強校正數(shù)據(jù)處理
首先，需要對原始的DN值數(shù)據(jù)進(jìn)行實時反射率校正處理，系統(tǒng)軟件設(shè)置有存儲對應(yīng)白幀和暗背景數(shù)據(jù)的文件夾，在執(zhí)行采集之后，會自動進(jìn)行反射率校準(zhǔn)；其次，結(jié)合選擇的數(shù)學(xué)模型，可輸出對應(yīng)的模型指標(biāo)的反演結(jié)果。
圖6 實時反演
實測數(shù)據(jù)及反演輸出結(jié)果。
圖7 實測圖像及光譜
圖8 反演圖
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