植被荧光时序测量系统及测量方法
【专利摘要】本发明公开了植被荧光时序测量系统及测量方法，自动测量系统包括主机部、光谱仪部、对主机部和光谱仪部提供电源的供电部以及测量支架，所述测量支架上设置有旋转电机，连接旋转电机的旋转杆上设置有光谱荧光探测器，所述测量支架还设置有标准参考板；所述主机部电连接所述光谱仪部控制光谱仪部的数据存储，主机部电连接所述旋转电机控制所述旋转电机进行水平面的旋转；光谱仪部通过光纤连接所述光谱荧光探测器，光谱荧光探测器采集光谱数据。
【专利说明】
植被焚光时序测量系统及测量方法
技术领域
[0001]本发明属于农业技术领域或地球遥感科学领域中基于遥感方法对植被的光合作用进行观测的技术，具体的涉及对植被冠层日光诱导叶绿素荧光的自动测量系统及测量方法。
【背景技术】
[0002]目前植被遥感是通过植被反射、辐射和散射的电磁波信息反演植被的生物物理参数和生物化学参数，如叶面积指数、叶绿素含量等，光合作用是植被关键的生理过程，不仅影响着碳、水等物质循环，而且能够快速、直接地反映植物的胁迫状态。但是目前还缺乏有效的探测植被光合作用信息的遥感手段。
[0003]日光诱导叶绿素焚光(Solar-1nduced Fluorecence，SIF)与植被光合作用关系密切，荧光探测是获取日光诱导的叶绿素荧光信号，适合在自然环境下对植被大面积无损观测，因此是一种非常有潜力的遥感手段，得到日益广泛的重视。
[0004]期刊《植物日光诱导叶绿素荧光的遥感原理及研究进展》2012年11月第27卷第11期中还总结了 SIF的提取算法、遥感模型、传感器以及在植被早期胁迫探测和光能利用率估算等领域应用的最新进展。
[0005]最新研究表明，利用高光谱遥感技术可以在太阳入射光的暗线波段(如氧气吸收带)提取植被的日光诱导叶绿素焚光(solar-1nduced Fluorescence，SIF)。这使得有可能基于SIF发展新型的遥感方法，对植被的光合作用进行直接观测，从而服务于全球变化研究、农业估产与灾害预警、碳循环与碳交易等重要领域。SIF遥感刚刚起步，全球范围内需要开展大量的观测实验。与地物反射率测量不同，植被冠层的SIF存在明显的日变化和季变化，往往需要长期观测。此外，SIF本身很微弱，对其观测的规范性要求显著高于一般的地物反射率测量，因此急需自动化测量系统，以连续的、高质量地获取数据。目前还没有成熟的商业化系统能够达到该要求。
【发明内容】
[0006]为了克服现有技术的上述不足，解决目前商业和实验研究亟待需要基于SIF的遥感方法对植被的光合作用进行直接观测，本发明提供了一种植被荧光时序测量系统，基于遥感探测原理对植被的日光诱导叶绿素焚光(solar-1nduced Fluorescence，SIF)进行检测，其核心功能为准同步地测量入照植被冠层的下行辐亮度和植被冠层上行的表观辐亮度，本发明提供的植被荧光时序测量系统采用非成像光谱仪进行光谱测量，其中入照植被冠层的下行辐亮度通过观测标准参考板获取，植被冠层上行的表观辐亮度通过观测冠层获取，并采用SIF提取算法对数据进行处理。
[0007]具体的，本发明提供了如下技术方案:
[0008]植被荧光时序测量系统，包括主机部、光谱仪部、对主机部和光谱仪部提供电源的供电部以及测量支架，所述测量支架上设置有旋转电机，连接旋转电机的旋转杆上设置有光谱荧光探测器，所述测量支架还设置有对光线进行反射的标准参考板;所述主机部电连接所述光谱仪部控制光谱仪部的数据存储，所述主机部电连接所述旋转电机控制所述旋转电机进行水平面的旋转;所述光谱仪部通过光纤连接所述光谱荧光探测器，所述光谱荧光探测器采集光谱数据。
[0009]优选地，所述的标准参考板为灰色的氯乙烯板，表面涂层为氧化钙。
[0010]优选地，测量支架包括底座、伸长部和横杆，所述底座与所述伸长部固定连接，所述伸长部与所述横杆固定连接。
[0011]优选地，伸长部与所述横杆的连接处增加了三角支撑杆。
[0012]优选地，测量支架的底座采用非完全的轴心对称方式由支杆或平板构成。
[0013]优选地，底座底部设有固定部，固定连接底座和地面。
[0014]优选地，支杆上设置有滑轨，固定座可穿设在滑轨上进行滑动。
[0015]优选地，测量支架的伸长部高度为3.8m-4.5m，横杆长度为1.2m_l.8m。
[0016]优选地，伸长部采用双层结构，内层为4cm-6cm厚度的圆筒状铝型材制成，外层为
0.5cm-lcm厚度的铝合金制成，外层和内层通过长螺钉进行吻合固定。
[0017]—种植被焚光时序测量方法，根据植被焚光时序测量系统进行一组日光诱导叶绿素荧光测量时，具体包括以下步骤:
[0018]步骤SI:通过主机部控制旋转电机旋转旋转杆，带动光谱荧光探测器旋转，使光谱荧光探测器对准标准参考板；
[0019]步骤S2:系统优化在标准参考板上方的观测积分时间；
[0020]步骤S3:光谱荧光探测器测得标准参考板的光谱数据；
[0021 ]步骤S4:通过主机部控制旋转电机旋转旋转杆，带动光谱荧光探测器旋转，使光谱荧光探测器对准待测植被冠层；
[0022]步骤S5:系统优化在待测植被冠层上方的观测积分时间；
[0023]步骤S6:光谱荧光探测器测得植被冠层光谱数据。
[0024]优选地，观测积分时间即光谱荧光探测器停留曝光的时间，所述自动测量系统根据测量时外界的光照、温度和/或湿度自动进行优化设置，植被荧光时序测量方法采用SIF提取算法。
[0025]与现有技术相比，本发明提供的植被荧光时序测量系统及测量方法，具有以下有益效果:
[0026]I)本发明提供的植被荧光时序测量系统及测量方法可现场自动进行检测，通过对日光诱导叶绿素荧光探测获取日光诱导的叶绿素荧光信号，自然环境下对植被大面积无损观测，从而服务于全球变化研究、农业估产与灾害预警、碳循环与碳交易等重要领域。
[0027]2)本发明提供的植被荧光时序测量系统及测量方法可对植被的光合作用进行直接观测，可以连续的、高质量地获取数据，满足商业及研究的需要。
[0028]3)本发明提供的植被荧光时序测量系统及测量方法通过电机旋转可在入照植被冠层的下行辐亮度和上行的表观辐亮度测量中实现快速切换，减少入射光稳定带来的计算误差，同时，电机旋转具有很高的可重复性和稳定性，提高数据质量。
[0029]4)本发明提供的植被荧光时序测量系统及测量方法只用到一根光纤和一台光谱仪，既可以减少多个光路带来的不确定性，也避免了光路切换所导致的信号强度减弱。
[0030]5)该技术方案适合于较长时间的野外自动观测，具有很高的性价比。
【附图说明】
[0031]图1是标准大气的地面入射辐照度；
[0032]图2是荧光光谱和反射率光谱示例图；
[0033]图3是本发明植被荧光时序测量系统的结构示意图；
[0034]图4是本发明植被荧光时序测量系统的测量支架的主视图；
[0035]图5是本发明植被荧光时序测量系统的测量支架的截面图；
[0036]图6是本发明植被荧光时序测量系统的植被冠层单组测量流程示意图；
[0037]图7是本发明植被荧光时序测量系统的测量支架的俯视图。
【具体实施方式】
[0038]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]本发明的植被荧光时序测量系统基于遥感探测原理对植被的日光诱导叶绿素荧光(solar-1nduced Fluorescence，SIF)进行检测，遥感探测原理如下:
[0040]假设荧光的发射和地物表面的反射都是朗伯的，则植被在波段λ的表观辐亮度L(入)由入射光的反射和植物释放的焚光两部分组成:
[0041]L(A)=r(A)XE(A)A+F(A) (I)公式(I)中:F(A)为 λ 波段的荧光值，Γ(λ)为与荧光释放无关的真实反射率(ActuaI ref I ectance)，E (λ)是入射到植被的福照度。研究证明SIF在自然光射下非常微弱，只相当于植被吸收光能的0.5%?2%，难以准确测量。由于大气对太阳光谱的吸收，到达地表的太阳光谱中有许多波段宽度为0.1nm?1nm的暗线，即夫琅和费吸收暗线。
[0042]图1是标准大气的地面入射辐照度，在红光和近红外波段范围，存在三条较显著的暗线即:氢吸收在656nm形成的Ha暗线;大气中氧分子吸收在760和687nm附近形成的02-Α暗线和02-B暗线。
[0043]图2是荧光光谱和反射率光谱示例图，在夫琅和费吸收暗线波段，植被的反射光也很微弱，荧光凸显，表现为植被的表观反射率大于真实反射率，其中Ha暗线距离叶绿素荧光峰较远，02-A和02-B暗线在叶绿素荧光峰内，但02-A暗线的深度和宽度都大于02-B暗线，因此02-A暗线被视为最佳的遥感荧光探测波段。
[0044]本发明的植被荧光时序测量系统提供的技术方案就是基于目前的植被冠层SIF测量原理，其核心功能为准同步地测量入照植被冠层的下行辐亮度和植被冠层上行的表观辐亮度，本发明提供的植被荧光时序测量系统采用非成像光谱仪进行光谱测量，其中入照植被冠层的下行辐亮度通过观测标准参考板获取，植被冠层上行的表观辐亮度通过观测冠层获取，两者之间的数据获取通过电机旋转实现切换。
[0045]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0046]实施例1
[0047]图3是本发明植被荧光时序测量系统的结构示意图，包括主机部100、光谱仪部200、对主机部100和光谱仪部200提供电源的供电部300以及测量支架400，测量支架400上设置有旋转电机101，连接旋转电机101的旋转杆上设置有光谱荧光探测器201，测量支架400还设置有标准参考板401，主机部100电连接光谱仪部200和旋转电机101，控制旋转电机101进行水平面的旋转并完成对光谱仪部200的数据存储，光谱仪部200通过光纤连接光谱荧光探测器201，光谱荧光探测器201对植被冠层进行植被光谱数据的采集。
[0048]其中，标准参考板401位于旋转杆旋转平面的下方，具体的设置于光谱荧光探测器201的旋转面下方。
[0049]图4是本发明实施例植被荧光时序测量系统的测量支架400的主视图，测量支架400包括底座410、伸长部420和横杆430，在测量过程中保证测量支架400的稳定性以及在室外各种干扰下保持不抖动对于系统测量数据的准确性非常重要，本实施例中底座410与伸长部420的连接处和伸长部420与横杆430的连接处采用严格的固定连接，尤其在伸长部420与横杆430的连接处增加了三角支撑杆440使横杆430更加稳定，保证了光谱荧光探测器201的位置稳定性。
[0050]本实施例中，测量支架400的底座410可以是数量不限的支杆构成，也可以由任意形状的底板构成，还可以在底座410下增加固定部进一步使底座410与地面等支撑物进行固定，总之底座410可以是任何可以使测量支架400相对地面保持稳固的结构。
[0051 ]进一步的，底座410采用非完全的轴心对称形式，使测量支架400相对于地面更加稳固，尤其保证了在室外测量时外界有风的环境下保持稳固；
[0052]本实施例中测量支架400的伸长部420高度为3.8m-4.5m，横杆430长度为1.2m-1.8m0
[0053]为了进一步加强测量支架400的稳固性，本发明实施例提供的底座410和伸长部420采用密度质量相对较大的铝型材制成，横杆430采用质量密度相对较小的轻型铝型材制成。
[0054]图5是本发明实施例的自动测量系统的测量支架400的截面图，伸长部420采用双层结构，内层421为4cm-6cm厚度的圆筒状招型材制成，夕卜层422由0.5cm-lcm厚度的招合金制成，外层422在相同水平面上均匀设置有螺钉槽4221，螺钉槽4221内可设置长螺钉423，相对应的内层421圆筒状铝型材上设置有螺钉孔，内外层结构通过长螺钉423进行吻合固定。
[0055]图6是本发明实施例自动测量系统的植被冠层单组测量流程示意图，本发明实施例提供的自动测量方法进行一组SIF的测量时，具体包括以下步骤:
[0056]步骤S1:通过主机部100控制旋转电机101旋转旋转杆，带动光谱荧光探测器201旋转，使光谱荧光探测器201对准标准参考板401;
[0057]步骤S2:系统优化在标准参考板401上方的观测积分时间；
[0058]步骤S3:光谱荧光探测器201测得标准参考板401的光谱数据；
[0059]步骤S4:通过主机部100控制旋转电机101旋转旋转杆，带动光谱荧光探测器201旋转，使光谱荧光探测器201对准待测植被冠层；
[0060]步骤S5:系统优化在待测植被冠层上方的观测积分时间；
[0061]步骤S6:光谱荧光探测器201测得植被冠层光谱数据。
[0062]以上即自动测量系统进行一组SIF的测量步骤，系统设定可根据测量需要进行特定时间的多组SIF的测量，在之后步骤使通过主机部100控制旋转电机101旋转旋转杆，带动光谱荧光探测器201旋转，使光谱荧光探测器201重新对准标准参考板401开始新一组数据的测量，重复以上步骤S1-步骤S6。
[0063]步骤S2和步骤S5中，观测积分时间即光谱荧光探测器201停留曝光的时间，系统根据测量当时情况的外界光照、温度和湿度等情况自动设置，积分时间调整方法为:当室外光线强烈，采集到的光谱数据大于一定数值时，减少采集时间；当室外光线不足，采集到的光谱数据小于一定数值时，增加采集时间。
[0064]同时，优化光谱仪的观测积分时间是为了获取高信噪比的数据，使测量数据更准确，抛开外界干扰获取更贴近真实的数据。
[0065]其中，标准参考板401为灰色的氯乙稀板，表面涂层为氧化|丐，标准参考板401的反射系数可达到18%，标准参考板401的作用为实现光的完全反射，测得的数值可以作为反射背景从光谱背景中扣除。
[0066]主机部100通过软件控制实现对待测植被冠层的SIF测量的反复执行，从而实现本发明实施例的自动测量系统在不需人为操作下在室外进行SIF的连续观测。
[0067]本发明实施例的自动测量系统通过光谱荧光探测器201获取多组标准参考板401光谱数据和待测植被冠层光谱数据，然后根据SIF提取算法获得待测植被冠层的日光诱导叶绿素荧光数据，目前常用的SIF提取方法是基于辐亮度测量的方法，该类方法一般利用一个在太阳入射光暗线的波段和一个或多个在暗线外的波段的表观辐亮度，基于一定的假设估算SIF。
[0068]SIF提取算法目前分为两大类:基于辐亮度的方法和基于反射率的方法:
[0069]I)基于辐亮度的方法
[0070]该类方法利用一个在夫琅和费线内的波段(Ain)和一个(或多个)在夫琅和费线外的波段(Aout)的表观辐亮度，基于一定的假设，估算自然光激发的荧光对“夫琅和费井”的填充程度，获取荧光信息，可以抽象用公式表示为:
[0071]F = f(L(Ain)，L(Aout — I)，L(Aout — 2)，...，L(Aout—n)) (2)
[0072]公式(2)中，L(Ain)为夫琅和费线内波段的表观辐亮度，L(A0ut— i)为夫琅和费线外第i e [I，n]波段的表观辐亮度，计算函数f建立在夫琅和费线内外波段的反射率和荧光的某种关联假设之上。
[0073]2)基于反射率的方法
[0074]基于反射率获得荧光信息的算法实质上是通过分析荧光对650nm?800nm红边区域反射率的影响获取荧光信息，得到的是一个反应荧光强度的反射率指数，而不是一个明确的物理量。基于反射率的荧光指数可以分为三类:反射率比值指数(Ref IectanceRat1s)，反射率一阶导数指数(Derivatives)和填充指数(infilling index)。
[0075]反射率比值指数利用的是一个受荧光影响强的波段(680nm或740nm)和一个受荧光影响弱的波段的反射率。通过后者与前者的比值去除与反射率相关的光谱信息，以获取荧光信息，常用的指数有r690/r600和r740/r800等。
[0076]反射率导数指数与反射率比值指数一样，也是一种归一化方法。但反射率导数指数使用的是反射率一阶导数而非反射率本身进行计算。
[0077]实施例2
[0078]本实施例2与实施例1的区别在于进一步限定了植被荧光时序测量系统的测量支架400。
[0079]本实施例中测量支架400的伸长部高度为4.116m，横杆长度为1.5m。
[0080]图是本发明实施例植被荧光时序测量系统的测量支架的俯视图。
[0081 ]测量支架400的底座410采用非完全的轴心对称方式，由四根支架分别为支架411、支架412、支架413和支架414构成，四根支架以伸长部420交点为中心进行固定连接，且以横杆430的延伸方向的对称线A形成两边对称形状；
[0082]具体的，支架411与支架412长度相等且根据对称线A两边对称，支架413和支架414长度相等且根据对称线A两边对称，支架411的长度大于支架413的长度，支架412的长度大于支架414的长度。
[0083]实施例3
[0084]本实施例3与实施例1的区别在于进一步限定了植被荧光时序测量系统的测量支架400。
[0085]当测量支架400的底座410由支杆构成时，支杆上设置有滑轨，固定座可穿设在滑轨上进行滑动，从而根据不同的室外测试环境可调节底座410与地面等支撑物的固定点，使植被荧光时序测量系统可适用于不同的观测条件的场所。
[0086]实施例4
[0087]本实施例4与实施例1的区别在于进一步限定了植被荧光量系统的测量支架400。
[0088]测量支架400的伸长部420采用双层结构，内层421为由5cm厚度的圆筒状铝型材制成，外层422由0.6cm厚的铝合金制成。
[0089]以上仅为本发明较佳实施例，并不用于局限本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均需要包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.植被荧光时序测量系统，其特征在于，包括主机部(100)、光谱仪部(200)、对主机部(100)和光谱仪部(200)提供电源的供电部(300)以及测量支架(400)，所述测量支架(400)上设置有旋转电机(101)，连接旋转电机(1I)的旋转杆上设置有光谱荧光探测器(201)，所述测量支架(400)还设置有对光线进行反射的标准参考板(401);所述主机部(100)电连接所述光谱仪部(200)控制光谱仪部(200)的数据存储，所述主机部(100)电连接所述旋转电机(101)控制所述旋转电机(101)进行水平面的旋转;所述光谱仪部(200)通过光纤连接所述光谱荧光探测器(201)，所述光谱荧光探测器(201)采集光谱数据。2.根据权利要求1所述的植被荧光时序测量系统，其特征在于，所述的标准参考板(401)为灰色的氯乙烯板，表面涂层为氧化钙。3.根据权利要求1所述的植被荧光时序测量系统，其特征在于，所述的测量支架(400)包括底座(410)、伸长部(420)和横杆(430)，所述底座(410)与所述伸长部(420)固定连接，所述伸长部(420)与所述横杆(430)固定连接。4.根据权利要求3所述的植被荧光时序测量系统，其特征在于，所述的伸长部(420)与所述横杆(430)的连接处增加了三角支撑杆(440)。5.根据权利要求3所述的植被荧光时序测量系统，其特征在于，所述的标准参考板(401)设置于光谱荧光探测器(201)的旋转面下方。6.根据权利要求3所述的植被荧光时序测量系统，其特征在于，所述的底座(410)上设置有滑轨，通过滑轨连接固定部，固定座可穿设在滑轨上进行滑动。7.根据权利要求3所述的植被荧光时序测量系统，其特征在于，所述的测量支架(400)的伸长部(420)高度为3.8m-4.5m，横杆(430)长度为1.2m-l.8m。8.根据权利要求3所述的植被荧光时序测量系统，其特征在于，所述的伸长部(420)采用双层结构，内层(421)为4cm-6cm厚度的圆筒状招型材制成，外层(422)为0.5cm-lcm厚度的铝合金制成，外层(422)和内层(421)通过长螺钉(423)进行铆合固定。9.一种植被荧光时序测量方法，其特征在于，所述测量方法进行一组日光诱导叶绿素荧光测量时，具体包括以下步骤: 步骤SI:通过主机部(100)控制旋转电机(101)旋转旋转杆，带动光谱荧光探测器(201)旋转，使光谱荧光探测器(201)对准标准参考板； 步骤S2:系统优化在标准参考板上方的观测积分时间； 步骤S3:光谱荧光探测器(201)测得标准参考板的光谱数据； 步骤S4:通过主机部(100)控制旋转电机(101)旋转旋转杆，带动光谱荧光探测器(201)旋转，使光谱荧光探测器(201)对准待测植被冠层； 步骤S5:系统优化在准待测植被冠层上方的观测积分时间； 步骤S6:光谱荧光探测器(201)测得植被冠层光谱数据。10.根据权利要求9所述的植被荧光时序测量方法，其特征在于，所述的观测积分时间即光谱荧光探测器(201)停留曝光的时间，所述植被荧光时序测量方法根据测量时外界的光照、温度和/或湿度自动进行优化设置;所述的植被荧光时序测量方法采用SIF提取算法。
【文档编号】G01N21/64GK105842220SQ201610357433
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】徐翔, 刘志刚, 陈绩
【申请人】伯格森(北京)科技有限公司