多角度植被冠层叶绿素荧光遥感观测系统

一、仪器原理：

太阳诱导叶绿素荧光（Sun-induced chlorophyll fluorescence, SIF）植物发出的一种电磁信号：叶绿素 a 吸收的太阳光的部分能量未用于光合作用，而是在较长的波长上发射出大致覆盖 650-800 nm 光谱范围的双峰（红光690 nm和近红外740 nm）光谱。SIF 信号可对光和水胁迫等环境条件的扰动做出瞬时反应，因此是光合作用活性的直接代表。然而，SIF辐射只占植被冠层顶部反射辐射的一小部分（通常为 0.5%-2%），是一种十分微弱的信号，因此要通过光谱仪对其进行观测，需要高光谱分辨率和先进的观测方案。

二、核心优势：

1）支持主被动协同叶绿素荧光观测

2）自定义多角度荧光观测，支持植被冠层多角度荧光研究，如冠层结构、观测几何、观测角度等影响

3）基于物联网云服务平台，支持远程监控，数据远程下载，多设备集中管理

4）系统便携式设计，防雨防尘，坚固耐用，工作温度范围广，适用于野外长期观测

三、主要技术性能参数：

1. 高分辨率荧光光谱仪

1）光谱范围：650nm-800nm (730nm-780nm)

2）光谱分辨率: ≤0.3nm (≤0.17)

3）信噪比:≥1000:1

4）A/D 转换：18bit

2. 光路切换系统

1）光路透过率≥80%

2）通道数：2

3）全部采用高通量 600μm 光纤，不锈钢 304 铠装外包层，防雨防尘，长度和数量支持定制

3. 系统软硬件参数及功能

1）工作温度：-20℃-50℃

2）温控系统：采用半导体 TEC 制冷及加热功能，自由切换，温度可自由设定，温度区间为 0℃-30℃（±1℃）

3）主板功耗不大于 4W，整机功耗不大于 80W

4）设备基于物联网云服务平台，实现数据在线采集、远程控制、无线传输、实时监控、数据可视化等功能，实现多台设备集中管理，多设备界面实时显示

5）支持入射辐照度、反射辐亮度、反射率曲线和荧光曲线实时可视化，并显示恒温箱内外温湿度，上下光路的积分时间等信息

多角度植被冠层叶绿素荧光遥感观测系统

四、应用案例

太阳诱导叶绿素荧光（SIF）为监测总初级生产力（GPP）提供了遥感信号，但 SIF-GPP 关系会受到观测角度影响。通过对小麦和玉米冠层上方的红光和远红外 SIF 进行地基多角度观测，以研究观测几何对 SIF 的影响。利用这些新的测量结果，改进并应用了为红光和远红外 SIF 测量的角度归一化而开发的算法。根据对 6 个晴天的分析，角度归一化提高了 SIF 与瞬时尺度（1 分钟）涡度协方差测量得出的 GPP 的相关性。远红光 SIF 的提高幅度略小于红光 SIF，原因是由于冠层中红光波段的多重散射较弱，因此观测到的红光波段 SIF 的角度变化大于远红光波段。此外，在小时时间尺度上，远红光 SIF 在跟踪异质冠层的 GPP 方面显示出优势，而红色 SIF 的角度归一化则对同质冠层有效。