叶绿素荧光遥感反演及其农业监测应用研究进展.pdf
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1、书书书杨妮,邓树林,樊艳红,等叶绿素荧光遥感反演及其农业监测应用研究进展 江苏农业科学,():叶绿素荧光遥感反演及其农业监测应用研究进展杨妮,邓树林,樊艳红,谢国雪 中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院,湖北武汉 ;广西财经学院管理科学与工程学院,广西南宁 ;南宁师范大学地理科学与规划学院,广西南宁 ;广西农业科学院农业科技信息研究所,广西南宁 摘要:近年快速发展起来的日光诱导叶绿素荧光(,)可直接量化植被的实际光合作用,为实现大面积农作物及时有效监测提供新的手段,在农业监测领域中具有非常重要的应用价值和广阔的应用前景。因此,本文分析近年来卫星 遥感的发展趋势,从理论上解释遥感信息中提取 的
2、难度,总结叶绿素荧光远程检测原理及多重影响因素;对比分析基于辐射传输方程的算法、简化的物理模型算法和数据驱动算法 种反演方法的优缺点,系统梳理卫星 产品及其反演方法;从响应敏感性和监测机理方面探讨 遥感在监测作物环境胁迫和生产力与产量评估应用中的主要方法与最新技术。由于当前用于 反演的卫星传感器均不是专门进行荧光探测,产品具有空间不连续、时空分辨率较低等缺点,在卫星 数据反演方法、作物胁迫监测、与 机理联系、数据同化等方面仍有较多待解决的问题。今后需继续深入研究 遥感的作物环境胁迫响应机理与生产力估算方法,进一步集成荧光、热红外、微波等多源遥感,进而大幅度提高农业监测能力,以保障国家农业安全生
3、产,为 遥感深入应用提供一定的理论参考。关键词:日光诱导叶绿素荧光();农业;环境胁迫;产量估算;遥感监测中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金(编号:);广西科技基地和人才专项(编号:桂科 );广西自然科学基金(编号:);广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(编号:);统计学广西一流学科建设项目(编号:桂教科研 号)。作者简介:杨妮(),女,广西桂平人,博士研究生,副教授,研究方向为 与遥感应用、空间信息技术应用与服务。:。通信作者:邓树林,博士,助理研究员,研究方向为资源环境遥感。:。在全球气候变化背景下,自然灾害频发且强度增强,对农业生态系统稳定性及
4、正常的农业生产造成严重威胁 。如 年我国西南地区发生了破纪录的重大连续性干旱灾害,造成作物的大幅度减产及严重的经济损失 。因此,迫切需要开展及时有效的大面积农业监测,对国家粮食安全和气候变化应对具有非常重要的意义和指导作用。传统的基于地面试验的农业监测研究可揭示环境条件变化等对作物产生的影响。然而,通常各类环境条件对作物的影响范围广、持续时间长。地面试验只能揭示观测站点附近很小范围的作物状况,无法进行大面积农业系统的诊断与预警。卫星遥感可获取长时间、大范围、空间连续的较高空间分辨率的观测数据,使大范围、连续性的农业系统监测与 预 警 成 为 可 能。目 前,归 一 化 植 被 指 数(,)、增
5、强型植被指数(,)等基于反射率(或“基于绿度”)的植被指数被广泛用于农业监测 。环境变化初期作物光合作用即会出现异常,但是冠层结构尚未发生变化,基于反射率的植被指数无法及时捕捉环境异常初早期作物生长状态异常信号,对作物监测具有非常明显的滞后性 。近几年快速发展的日光诱导叶绿素荧光(,)被称为植被光合作用的“无损探针”,为农业及时监测提供了一种新手段 ,。章钊颖等认为,植被中的光系统和光系统激发产生 ,与光合作用和热耗散是相互竞争关系 。荧光作为光合作用的副产品,与基于“绿度”的植被指数相比,结果显示,与植被光合作用有机理的联系,可直接反映植被光合作用的能力。张立福等认为,同植被受环境胁迫状态及
6、植被总初级生产力(,)密切相关 。遥感是近年快江苏农业科学 年第 卷第 期速发展起来的新的遥感技术,自 年美国国家航空航天局()采用 卫星第 次成功实现全球尺度卫星 数据的反演 。不少卫星传感器也被陆续获取了全球卫星 产品,包括 、和 等 。之后,卫星 反演及应用研究发展极其迅速,遥感成为近 年来植被遥感领域最具突破性的研究前沿,极大地促进了大面积农作物及时有效监测与预警、产量评估等研究。然而,目前缺乏对 遥感在农业监测相关应用研究的系统述评,尤其对基于 的作物监测方法、产量预测等总结较少。查询与统计 年以来卫星 在农业监测方面的文献(图 ),发现近年来关于卫星 在农业监测方面的应用研究呈指数
7、式增长。因此,有必要对现阶段(年以来)遥感及农业监测应用研究进行梳理和总结,以期为及时有效地大面积农业监测提供一定的参考。叶绿素荧光来源概述 年 等发现,当一束阳光照射在月桂叶的一种绿色乙醇提取物上时,会发出明亮的红光 。同时,当光通过提取物的连续“厚度”时,发射的颜色从红色变为橙色再变为黄色,这一转变可能是叶绿素重新吸收的第 个证据 。在 年 等 首 次 发 现 活 体 荧 光 诱 导 动 力学 。直到 世纪 年代中期,才提出荧光诱导动力学曲线:(原点)(偏转)(小坑)或 (台阶)(高峰)(半稳态)(次峰)(终点)。其中 为荧光快速上升阶段,可用于研究植物 的异质性及其原初光化学反应过程,为
8、荧光慢速淬灭阶段 。该阶段情况较复杂,不同叶片具有不同的生理状态,有时可能没有 峰,有时则有几个 峰,通常情况下,叶片在环境胁迫下其 峰消失,叶片一般在生理状态良好时会在 峰之后出现几个峰 。即当光合代谢相关的代谢库受到环境胁迫因子的干扰,叶片荧光诱导动力学曲线会因为环境胁迫而发生变化,荧光诱导特性可能会受到间接影响。当光合作用的强度下降时,会导致荧光的发射增强,反之亦然。荧光量子产率变化为光合作用机理的研究提供了一种重要的监测路径。因此,经常将荧光用于监测水分、温度、光等植物逆境生理胁迫相关研究。叶绿素荧光是叶绿素分子吸收光能以后,迅速重新释放的红光和近红外波段的光 。当太阳光到达植被叶片表
9、面时,往往会被反射、透射与吸收。其中,叶片对红光和蓝光具有较强的吸收作用。当叶片吸收的能量超过植被光合作用所需能量时,将以热和荧光等方式进行释放。荧光集中在多个波段,主要包括蓝光、绿光、红光和远红光等波段 。蓝绿波段的荧光由不含叶绿素的表皮和叶脉细胞壁的肉桂酸等释放,红光和远红光波段的荧光与蓝绿波段的荧光不同,其由叶肉细胞中叶绿体的叶绿素 所释放。在单一物种中,由蓝绿波段所释放的荧光保持恒定的强度,而叶绿素荧光与植被光合强度呈相反的关系。卫星叶绿素荧光反演原理和方法 叶绿素荧光远程检测原理叶绿素荧光获取方式有主动和被动 种。激发光源为太阳光,被动获取的叶绿素荧光称为日光诱导叶绿素荧光(),自然
10、条件对它的影响较大 。江苏农业科学 年第 卷第 期在地面试验中,细胞尺度、叶片尺度已经对叶绿素荧光有很多成熟的研究,这些研究内容不仅可以在机理上深入了解植被光合作用的变化,还可以为研究植被光合速率是如何应对环境胁迫构建更精准的模型。荧光作为一种光学信号,可以进行远程检测,通常依赖于 被动测量。利用卫星传感器获取的 的光谱范围包含植被红光波段和近红外波段,一般为 ,且有 个峰值:()波段附近 的红边范围;()波段附件 的近红外范围 。前者由光系统产生,后者则由光系统和光系统共同产生 。在自然光照下荧光非常弱,一般仅占总反射能量的 ,因此,精准的荧光测量难度非常大 。太阳光谱在连续光谱背景中有许多
11、暗线,即夫琅和费暗线 ,当照射到植被后反射出来,再被太阳光削弱的特定波长,这些暗线被另外一种信号(即叶绿素荧光)所填充,该发现为研究者从卫星数据反演大尺度的荧光提供了可能 。作为一种光学信号,可以通过高分辨率光谱传感器和最先进的算法进行远程评估,以区分反射和散射环境光的发射。在地面试验中的成功反演以及高光谱分辨率成像光谱仪技术的快速发展,使通过卫星获取荧光信息成为可能。目前在 传感器技术、检索算法、冠层与叶片荧光和光合作用的建模等方面都已经取得了突破性的进展;可以跨生物、空间和时间范围进行测量,以获取植被光合光响应和稳态行为的时空信息 ,。叶绿素荧光的影响因素分析 的产生过程受到包括太阳天顶角
12、、水分、气温、饱和水汽压差(,)等环境因子和叶绿素含量、冠层和叶片结构等生理参数的多重因素影响 。在叶片、冠层及生态系统不同尺度,对环境和生理因素的响应极其复杂。因此,需要详细分析入射光与植被的交互过程,区分各类因子对 和光合作用的影响过程,从机理上更好地解释 信号与光合作用的联系。环境因子对 的影响太阳天顶角决定太阳辐射穿过大气层的路径长度,太阳天顶角越小,穿行路径越短,叶片接收的能量越强 。年 等认为,气温和 是植被气孔打开程度的决定因素,进而影响 吸收,植被的蒸腾作用和光合作用接着受到影响,从而导致 发生变化 。高温胁迫会造成植物光合系统反应中心失活,降解捕光叶绿素 蛋白复合物,进而减少
13、光合系统获得的激发能,最后导致荧光淬灭。低温胁迫会对植物光合作用造成多方面的影响,直接破坏光合作用机构的同时,还对相关酶系统的光合电子传递和光合磷酸化及暗反应有影响,当植物处于低温胁迫状态时,即使是中、低光照度也会使植物光抑制,光合系统反应中心失活。年 等认为,水分是决定植被正常生长最重要的因素之一,水分胁迫会导致气孔关闭和细胞水势减小,同时还会损害叶肉器官,进而抑制植被光合速率并改变 的释放量 。通常而言,上述环境影响因子将同时存在。如太阳天顶角的变化影响入射的能量、地表温度和饱和水汽压差,进而影响植被蒸腾作用,生理生化反应所需的酶的活性、气孔导度发生改变,进而影响植被的水分吸收与能量运输能
14、力,形成不同程度的水分胁迫,光合速率即会出现异常,进而改变 释放量。植被生理参数对 的影响彭金龙等认为,植被通过调节叶片中叶绿素的含量来改变光或光合活性辐射的吸收比例(,)。等认为,叶绿素含量与光吸收呈现非线性关系,在高叶绿素含量下,叶绿素吸收的光能随叶绿素含量的增加而减少 ;同时,植被吸收不同波段的光照度也会因植被叶绿素含量的变化而变化,从而影响 的释放量。叶片结构是造成植被辐射传递过程中能量差异的主要影响因素,即叶片结构不同,叶片和叶片反射的能量也会不同,从而对 与光合速率的关系产生影响 。单一物种不同生长阶段以及物种的差异性是造成叶片结构变化的主要原因,在实际应用中应考虑不同生长阶段以及
15、混合植被类型对 的影响。但由于叶片结构的复杂性,与其关系的研究还处于较初级阶段 。此外,等认为,在叶片、冠层及高空观测过程中,激发光的穿透力与 的重吸收比例是探测器接受荧光能量大小的重要影响因素 。释放量受不同空间尺度的辐射传输过程、不同冠层特征和不同生理特性等自然环境因子与生理参数的多重影响。此外,反演在叶片、冠层和生态系统不同尺度会存在尺度效应问题。因此,今后须针对不同时空尺度、不同植被类型、不同生长阶段的 释放特征及演变规律进行细化研究。对于单一物种而言,叶绿素含量、叶片与冠层结构江苏农业科学 年第 卷第 期等因素会造成不同时序 的差异;而混合植被,除了植被不同生长阶段引起的 差异外,主
16、要是由于物种间生理结构及光合效率不同引起的 空间差异。因此,在不同时空 相关研究中,植被类型、生长阶段、物种混合等对 的影响不可忽略。叶绿素荧光的反演算法在地表反射的光谱信号中由于 占比非常小,因此从遥感信息中提取 难度较大 ,。近地面的 遥感反演相对较容易,余弦接收器通常用于获取天空观测中没有被荧光填充的暗线。假设冠层反射率和暗线内外的荧光光谱满足一定条件,则反演可得到冠层释放的 。而卫星 反演比近地面方式更加复杂,其受地球大气等影响,具有连续空间分布的多时相 需要依靠卫星等平台承载传感器。当前,卫星 遥感反演的主要算法包括基于大气辐射传输方程的反演算法、简化的物理模型算法和数据驱动算法 。
17、基于大气辐射传输方程的算法主要由欧洲航天局(,)的 团队提出基于大气辐射方程的反演算法,基于地球大气夫琅禾费暗线提取荧光信息,定量描述太阳辐射和太阳吸收散射,构建耦合荧光发射和地表发射的大气辐射传输方程,将大气层顶 反演问题转变为大气层底,最后采用近地表 反演算法来求解荧光 ,。包 括 针 对 夫 琅 禾 费 荧 光 测 定(,)算法、基于多光谱数据的 ()算法和 ()算法、基于高光谱数据的改进 ()算法和波谱拟合模型法(,),。遥感反演算法均来自夫琅禾费暗线提取算法 。在该暗线波段,植被的反射光相对较弱,而荧光作用较凸显,适合于 的反演。该类反演算法尽管对传感器光谱分辨率的要求不高,但其反演
18、精度主要依赖于对大气状态描述的准确性及传输方程的严密性,易造成系统误差。在 方法中,由于相邻 个波段的荧光值和反射率并不完全相同,因此在 反演时会存在一定误差。算法、算法、算法、法等系列算法是对 算法改进得到的。如 等基于 算法对航空数据反演 波段的 数据 。当前,的反演精度在基于大气传输模型的算法中最高,被 选为 计划的备选算法(表 )。简化的物理模型算法基于简化的物理模型算法,通过大气观测或光谱卷积模拟得到未填充的太阳夫琅禾费暗线,可以完全避开地球大气吸收线,并采用大气窗口内 条或多条暗线进行荧光反演 。该算法反演模型简单,不需要考虑大气的影响。但其对噪声较敏感,对传感器的光谱分辨率要求较
19、高。等认为,在 波段范围内,大气散射和地表反射是连续的,线性函数可对其进行拟合 。刘新杰等利用 卫星的 超光谱数据,采用加权最小二乘法,反演中国区域内 年 月至 年 月的叶绿素荧光数据集 (表 )。数据驱动算法数据驱动算法主要包括基于 ,和 (非线性 算法、线性 算法),的 反演算法,通过综合 或 的拟合窗口,在 处推算 。年 等最先提出该方法,且成功反演了 卫星 数据 。年 等反演的二氧化碳观测卫星()数据集采用的也是该算法 。以往的数据驱动算法基于狭窄的夫琅禾费暗线通道,仅适用于超高光谱分辨率的卫星数据,而分辨率不足的传感器需要拓宽反演信道以包含大气吸收信道。等首次尝试拓宽通道至大气吸收通
20、道,实现 的 反演 。目前大多数 产品的生产算法是基于数据驱动算法,其可以同时提取太阳和地球的暗线变化特性,荧光反演的精度和反演效率得到较大提升,在一定程度上降低对光谱分辨率的要求。然而,数据驱动算法也会受到训练数据集、反演波段及拟合函数等条件的限制(表 )。卫星 产品发展现状 检测叶绿素荧光的卫星传感器当前用于测量陆地植被的远红外 卫星传感器主要包括:环境卫星()大气制图扫描成像吸收光谱仪()和中分辨率成像光谱仪();温室气体观测卫星()碳观测傅里叶变换光谱仪()的热和近红外传感器 ;年 月进入预期轨道的气象业务卫星()全球臭氧监测试验 ()传感器 ;轨道碳观测站();哨兵 号卫星搭载的 传
21、感器();二氧化碳观测卫星()大气二氧化碳光栅光江苏农业科学 年第 卷第 期表 卫星 遥感反演的主要算法算法类型算法子算法反演窗口传感器参考文献基于大气辐射传输方程的算法 算法 系列 算法 ;(机载)算法 简化的物理模型算法 带权最小二乘法 ,数据驱动算法 算法 ;各潜在窗口 算法非线性 ;线性 谱仪()。上述卫星系统最初目的都不是用于对 的测量,直到最近才批准了第 个专门用于测量陆地植被 的全球任务 荧光探测器()。由于上述卫星传感器在 处和 处具有较高的光谱分辨率,因此可以对这些卫星获取的数据进行进一步反演,得到 遥感产品。此外,卫星 产品受云和土壤背景的影响小于基于反射率的卫星产品(如
22、、等),。卫星 是一种监测植被生理状态的有效而直接的手段,已被广泛应用在估算植被光合作用和胁迫效应研究上 。卫星叶绿素荧光产品受网格数据集低时空分辨率和个体检索的高不确定性等因素影响,星载传感器反演的 数据空间 分 辨 率 通 常 为 ,如 、等 产 品 较 粗 糙,而 、等产品则幅宽窄、轨道间隔大、仅适用于大空间范围的粗略应用研究,小区域尺度的 精细应用受到极大限制。虽然最新获取的 产品具有空间分辨率较高、重访周期短、覆盖连续等优势,但其时序较短 ,难以满足农业遥感监测等应用中对长时序、高时空分辨率、空间连续等的需求。需要采用改进反演算法或降尺度等手段提高卫星 数据空间和时间分辨率,以增强卫
23、星 在区域尺度上的监测能力。年 等构建了一种采用光利用效率概念的非线性模型,对每个粗 像素中包含的信息进行空间分解,基于全球 年逐月 的 数据,进一步生成空间分辨率为 的卫星 产品 。通过与通量塔涡流协方差测量结果对比,进一步增强了荧光与 的空间相关性。年 等采用训练神经网络、中分辨率成像光谱仪()和轨道碳观测卫星 号 ()的表面反射率,得到 个连续的高时空分辨率全球卫星 数据集(,时间步长为 )。年 等基于离散的 、遥感数据和气象再分析数据,通过建立 预测模型,获取新的 年全球高时空分辨率 数据集(,间隔)。年 等使用随机森林方法获得一个 的预测 数据集;再利用预测的 数据集作为加权系数,对
24、 进行原始重分布,使分辨率达到 ,进而从 年 月至 年 月的 检索中生成连续的 数据集;最后通过比较 与原来的 来验证该方法 。结果表明,能够准确捕获原始信号的空间和时间模式,且能很好地反映 的结构和生理信息,是评价全球植被光合作用的重要指标(表 )。基于叶绿素荧光遥感的农业监测进展 基于荧光遥感的农作物胁迫监测 基于传统植被指数的农作物胁迫监测研究遥感是全球或地区大面积长期和连续农业监测的重要手段。可见 近红外波长范围的冠层反射率是反映植被生长状况的有效信息,研究人员开发出基于冠层反射率的各种植被指数,被广泛应用于时空环境检测及作物监测。其中,在作物监测中应用最广泛,被称为最简单有效的植被指
25、数 。对于大多数植被类型,一般在劣势胁迫影响江苏农业科学 年第 卷第 期表 不同传感器、降尺度处理的卫星 产品传感器 产品时段周期()空间分辨率过境时间波段()连续性参考文献 年至今约 :连续 年 月至今约 :连续 年 月至今约 ():连续 年 月至 年 月约 :连续 年 月至今 :间断 年 月至今 :间断 年 月至今 :间断 年 连续 年 连续 年 连续 年 连续 年 月至 年 月 连续 年 月至 年 月 连续 下呈下降趋势,被广泛应用于全球或区域范围的作物胁迫研究 。也可以有效地监测温度和水分等环境变化,估算作物的净初级产量,探测天气影响和其他对农业、生态和经济有重要影响的事件 。尽管 应
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