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日光诱导叶绿素荧光与反射率光谱数据监测小麦条锈病严重度的对比分析

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光谱学与光谱分析 2019年第9期39卷 2739-2745页

作者：赵叶竞霞黄文江董莹莹李存军西安科技大学测绘科学与技术学院陕西西安710054 中国科学院遥感与数字地球研究所数字地球重点实验室北京100094 国家农业信息化工程技术研究中心北京100089

小麦条锈病是影响我国小麦产量的主要病害之一,在小麦受到条锈病菌侵染初期探测到病害信息,对小麦条锈病的防控以及产量和品质的提高具有更为重要的意义。反射率光谱主要反映植被生化组分的浓度信息,而日光诱导叶绿素荧光则对植物光合... 详细信息

小麦条锈病是影响我国小麦产量的主要病害之一,在小麦受到条锈病菌侵染初期探测到病害信息,对小麦条锈病的防控以及产量和品质的提高具有更为重要的意义。反射率光谱主要反映植被生化组分的浓度信息,而日光诱导叶绿素荧光则对植物光合生理变化响应灵敏。为了更好地实现小麦条锈病病情严重度的遥感探测,尤其是条锈病的早期探测,对日光诱导叶绿素荧光和反射率光谱数据监测小麦条锈病病情严重度的敏感性进行了对比分析。首先利用地物光谱仪测定了不同病情严重度的小麦冠层光谱数据,基于夫琅和费暗线原理利用3FLD(three-band Fraunhofer Line Discrimination)方法提取了小麦条锈病不同病情严重度下的日光诱导叶绿素荧光数据,然后分别利用反射率光谱数据和日光诱导叶绿素荧光数据构建小麦条锈病不同发病状态下的遥感探测模型,并通过保留样本交叉检验方式对预测模型精度进行了评价。结果表明:(1)当小麦条锈病病情指数低于20%时,日光诱导叶绿素荧光对小麦条锈病病害信息的响应比反射率光谱数据更为敏感,以日光诱导叶绿素荧光为自变量构建的小麦条锈病病情严重度预测模型达到了极显著性水平,能够在植被叶绿素含量或叶面积指数发生变化之前探测到植物的胁迫状态,实现作物病害的早期诊断,而反射率光谱数据则难以探测到条锈病病害信息;(2)在小麦条锈病病情严重度处于中度发病(20%日光诱导叶绿素荧光和反射率光谱数据均能实现小麦条锈病病情严重度的遥感探测,但利用日光诱导叶绿素荧光数据构建的预测模型优于反射率光谱数据;(3)当小麦条锈病病情严重度达到重度水平(DI>45%)时,利用反射率光谱数据和日光诱导叶绿素荧光数据构建的小麦条锈病病情严重度预测模型均达到了极显著性水平,两种数据均能够较好地实现小麦条锈病病情严重度的遥感探测。该研究结果对提高小麦条锈病的遥感探测精度具有重要的意义,为利用TanSat等卫星的荧光数据进行小麦条锈病的早期探测提供了参考依据。

关键词：小麦条锈病 3FLD 日光诱导叶绿素荧光植被指数微分光谱病情严重度

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日光诱导叶绿素荧光辐射传输模型研究进展

遥感学报 2020年第8期24卷 945-957页

作者：詹春晖章钊颖张永光南京大学国际地球系统科学研究所南京210023 南京大学地理与海洋科学学院南京210023 自然资源部国土卫星遥感应用重点实验室南京210023 江苏省软件新技术与产业化协同创新中心南京210023

日光诱导叶绿素荧光(SIF)是指示植被光合作用过程的无损探针,在不同时空尺度上对植被进行SIF的观测可以反映植被的实际光合作用及生理状态。然而在观测、分析和利用SIF的过程中,仍存在很多不确定因素。SIF的发生具有较为复杂的机理,从... 详细信息

日光诱导叶绿素荧光(SIF)是指示植被光合作用过程的无损探针,在不同时空尺度上对植被进行SIF的观测可以反映植被的实际光合作用及生理状态。然而在观测、分析和利用SIF的过程中,仍存在很多不确定因素。SIF的发生具有较为复杂的机理,从机理出发理解SIF与植被结构的相互作用,并分析影响SIF激发的主要因素将有助于更好地理解SIF与光合作用以及生物量的内在联系。因此,植被SIF辐射传输模型在解释和利用SIF遥感信号方面具有重要的作用。植被SIF信号相对较弱,且受环境、植被和生理等多种因子的影响,需要定量化描述,这为SIF辐射传输模型的构建带来挑战。近年来,大量学者已经发展一系列SIF辐射传输模型,为SIF遥感的发展提供了坚实的理论基础。本文回顾了叶片、冠层和生态系统尺度的SIF模型,从建模机理出发,对比模型优劣势,并对未来SIF模型的发展前景进行了展望。

关键词：日光诱导叶绿素荧光叶绿素荧光模型辐射传输模型植被结构多次散射

日光诱导叶绿素荧光遥感反演及碳循环应用进展

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遥感学报 2019年第1期23卷 37-52页

作者：章钊颖王松寒邱博宋练张永光南京大学国际地球系统科学研究所南京210023 江苏省全球变化协同创新中心南京210023

在植被遥感领域,遥感植被指数在过去30年极大地促进了从宏观尺度上来理解和认识地球生物圈,但是以"绿度"观测为主的植被指数仅表征植被"潜在光合作用",而不能直接量化"实际光合作用"。植被叶绿素荧光在光合作用探测上具有优势,是"实际... 详细信息

在植被遥感领域,遥感植被指数在过去30年极大地促进了从宏观尺度上来理解和认识地球生物圈,但是以"绿度"观测为主的植被指数仅表征植被"潜在光合作用",而不能直接量化"实际光合作用"。植被叶绿素荧光在光合作用探测上具有优势,是"实际光合作用"的直接探测方法。日光诱导叶绿素荧光(SIF)遥感是近年快速发展起来的新型遥感技术,尤其是2011年实现全球尺度卫星反演以来,在反演算法、植被监测和碳循环应用等方面发展迅速,是近10年来植被遥感领域最具突破性的研究前沿。本文阐述了现阶段(2011年以来)SIF遥感反演及其在碳循环应用方面的进展。本文首先介绍了卫星SIF遥感的发展及其反演算法现状;然后重点剖析了其在陆地生态系统总初级生产力(GPP)估算、全球碳循环监测、物候和植被胁迫监测等方面的应用现状和特点;最后从卫星SIF反演算法优化、SIF-GPP关系机理、SIF多尺度综合观测和全球碳循环监测等方面对今后植被SIF遥感的发展前景进行了展望。

关键词：日光诱导叶绿素荧光 GPP模拟碳循环监测植被物候监测植被胁迫监测

日光诱导叶绿素荧光对亚热带常绿针叶林物候的追踪

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生态学报 2020年第12期40卷 4114-4125页

作者：周蕾迟永刚刘啸添戴晓琴杨风亭浙江师范大学地理与环境科学学院金华321004 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国资源卫星应用中心北京100830

植被物候期(春季返青和秋季衰老)是表征生物响应和陆地碳循环的基础信息。由于常绿针叶林冠层绿度的季节变动较弱,遥感提取常绿针叶林的物候信息存在着较大的不确定性,是目前区域物候监测中的难点。利用MODIS植被指数(归一化植被指数NDV... 详细信息

植被物候期(春季返青和秋季衰老)是表征生物响应和陆地碳循环的基础信息。由于常绿针叶林冠层绿度的季节变动较弱,遥感提取常绿针叶林的物候信息存在着较大的不确定性,是目前区域物候监测中的难点。利用MODIS植被指数(归一化植被指数NDVI和增强型植被指数EVI)、GOME-2日光诱导叶绿素荧光(SIF)和通量数据(总初级生产力GPP)估算2007—2011年亚热带常绿针叶林物候期,用来比较三类遥感指数估算常绿针叶林物候的差异。结果表明:基于表征光合作用物候的通量GPP数据估算得到5年内亚热带常绿针叶林生长季开始时间(SOSGPP)为第63天,生长季结束时间(EOSGPP)为第324天,生长季长度为272天;基于反映植被光合作用特征的SIF曲线获得物候信息要滞后GPP物候期,其中生长季开始时间滞后19天,生长季结束时间滞后2天;基于传统植被指数NDVI和EVI的物候期滞后GPP物候期的时间要大于SIF滞后期,其中植被指数SOS滞后SOSGPP 31天,植被指数EOS滞后EOSGPP 10—17天。虽然基于3种遥感指数估算的春季和秋季物候都滞后于通量GPP的物候期,但是卫星SIF的物候信息能够更好地捕捉常绿针叶林的生长阶段。同时,春季温度是影响森林生长季开始时间的最重要因素;秋季水分和辐射是影响生长季结束时间的关键因素。由此可见,SIF估算的亚热带常绿针叶林的春季和秋季物候的滞后时间要短于传统植被指数,能更好地追踪常绿林光合作用的季节性,为深入研究陆地生态系统碳循环及其对气候变化的响应提供重要的基础。

关键词：日光诱导叶绿素荧光植被指数物候通量气候变化

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日光诱导叶绿素荧光对干旱的指示能力研究

日光诱导叶绿素荧光对干旱的指示能力研究

作者：安琦华中师范大学

学位级别：硕士

当前全球变暖不断加剧,包括干旱在内的极端气候不断增多,由此给全球生态平衡和粮食安全造成严重的不良影响。所以及时监测并对发生的范围较大的干旱灾害进行有效评估将对保障粮食安全以及探索气候变化背景下植被的响应程度起到非常重要... 详细信息

当前全球变暖不断加剧,包括干旱在内的极端气候不断增多,由此给全球生态平衡和粮食安全造成严重的不良影响。所以及时监测并对发生的范围较大的干旱灾害进行有效评估将对保障粮食安全以及探索气候变化背景下植被的响应程度起到非常重要的作用。遥感不受时间和空间的限制,可以在区域尺度乃至全球尺度监测干旱胁迫下植被的生长状况,因此被广泛用于评估与干旱相关的植被响应,其中应用较多的便是归一化差异植被指数(the normalized difference vegetation index,NDVI)和增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)等基于反射率反演的传统植被指数(traditional greenness-based vegetation indices,VIs)。但其局限性却不可忽略,缺点之一即遥感测量的可见光对干旱的反应明显滞后。近年来,不少学者发现遥感反演的日光诱导叶绿素荧光(the solar-induced chlorophyllfluorescence,SIF)和植被自身进行的光合作用存在直接关联,这便为监测植被的生理状态变化提供更为有效的信息,也为估算陆地植被光合作用和干旱研究提供了一种相对较新的方法,借助SIF可以更为精确的监测干旱事件对植被的影响,并为监测植被的生理状态变化提供更有效的信息。本研究利用2007-2015年的日光诱导叶绿素荧光数据(GOME-2 SIF)、辐射数据(PAR、fPAR)、植被指数数据(VIs,NDVI、EVI)、植被总初级生产力数据(GPP)和干旱指数数据(SPEI03)等,以2012年美国中西部玉米带干旱事件为例,通过SIF和VIs等研究多种遥感数据对干旱的响应及其与作物总初级生产力GPP的关系,并对SIF和VIs在此次干旱中的指示能力进行对比,证明SIF数据具备监测干旱情况下总初级生产力GPP的能力,表明SIF在表征作物对于干旱事件响应等方面的优越性。通过实验,本文得到的主要研究结论如下:(1)与NDVI/EVI相比,SIF/SIFyield在响应干旱时更为敏感。其中,SIFyield与SPEI03的相关系数最高,为0.98**,其次是NDVI,与SPEI03的相关系数为0.71***,SIF 与 SPEI03 的相关性比 NDVI 略低,为 0.63**。SIF、NDVI和EVI的季节变化模式是一致的,均呈现倒U型。与NDVI、EVI相比,SIF在指示干旱的能力上具有一定的优越性。此外,荧光产量SIFyield甚至可以提前一个月对干旱做出响应。而对于NDVI和EVI而言,在干旱过程中它们虽然也会做出响应,但却并不能向SIF一样准确的捕捉到每个发生干旱的月份。从空间尺度上而言,SIF的异常值空间分布与干旱的发展演变具有较高的一致性。(2)在干旱胁迫状态下,SIF与GPP的相关性优于NDVI/EVI。其中,不论是整个玉米带空间尺度还是站点尺度,SIF与GPP的相关性明显优于植被指数NDVI和EVI;随着空间尺度的缩小,可以发现SIF与GPP的相关性随之提高,特别是在分析四个站点的SIF与GPP相关性时,可以得到它们的相关系数达到0.9以上。通过划分玉米不同的生长阶段,研究发现对于SIF而言,整个玉米生长阶段3-11月的SIF与GPP的相关性略优于5-8月。

关键词：日光诱导叶绿素荧光传统植被指数总初级生产力美国玉米带

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日光诱导叶绿素荧光对山东省干旱的监测

中国科技论文 2021年第5期16卷 564-570页

作者：陈鑫计璐艳于凯赵永超中国科学院空天信息创新研究院北京100094 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049 中国科学院空间信息处理与应用系统技术重点实验室北京100190

为了探讨星载日光诱导叶绿素荧光(solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)在干旱监测中的应用潜力,结合归一化差异型植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)研究了山东省冬小麦在时空尺度上对干旱胁迫的响应。在时间尺度上,SIF对干旱胁迫的响应更快且下降幅度更显著;在空间尺度上,SIF对不同梯度干旱胁迫的响应程度不同,尤其对轻度干旱胁迫的捕捉更准确,描绘出更大的空间损失范围。研究结果表明:卫星SIF对植物的生理变化足够敏感,能够及时地捕捉干旱发展的时空动态,可用于干旱胁迫的早期预警。

关键词：干旱日光诱导叶绿素荧光植被指数干旱指数卫星荧光

日光诱导叶绿素荧光在估算半干旱草原生态系统总初级生产力中的应用

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内蒙古大学学报（自然科学版） 2020年第2期51卷 154-162页

作者：郝勇姜海梅叶昊天曹乐王成刚中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室南京210044 南京信息工程大学大气物理学院南京210044

陆地生态系统总初级生产力(gross primary productivity,GPP)是陆地生态系统碳循环研究的重要组成部分。日光诱导叶绿素荧光(sun-induced chlorophyll fluorescence,SIF)与GPP之间存在的密切联系使得SIF逐渐被应用于全球和区域的GPP的... 详细信息

陆地生态系统总初级生产力(gross primary productivity,GPP)是陆地生态系统碳循环研究的重要组成部分。日光诱导叶绿素荧光(sun-induced chlorophyll fluorescence,SIF)与GPP之间存在的密切联系使得SIF逐渐被应用于全球和区域的GPP的模拟研究中。利用锡林浩特国家气候观象台涡度相关通量观测系统数据以及GOME-2卫星Level2SIF数据,分析2010~2012年生长季锡林郭勒半干旱区针茅(Stipa)草原生态系统GPP与SIF之间的联系,并对SIF进行光学几何校正以消除观测引起的误差,分析光学几何校正对该生态系统SIF的改善效果,探讨SIF在该生态系统中模拟GPP的应用潜力。结果显示在该生态系统生长季GPP与SIF之间具有较显著的线性相关性,在15天和8天的时间尺度上R^2分别为0.564、0.373;经过光学几何校正可以改善SIF与GPP之间相关性,但其改善受到植被叶面积指数的影响导致效果并不显著;2010年和2011年,生长季降水量较少,生态系统受到一定程度的干旱胁迫使得植被触发光保护机制,造成SIF和GPP变化趋势存在一定差异。研究结果表明,SIF在模拟和监测半干旱针茅草原生态系统GPP时,效果受土壤干旱程度的影响,适用性有限。

关键词：半干旱草原总初级生产力日光诱导叶绿素荧光光学几何校正

日光诱导叶绿素荧光反演及其在植被环境胁迫监测中的研究进展

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江苏农业科学 2021年第24期49卷 29-40页

作者：彭金龙李萌褚荣浩倪锋谢鹏飞蒋跃林申双和安徽农业大学资源与环境学院安徽合肥230036 安徽省公共气象服务中心/安徽省气象局安徽合肥230031 南京信息工程大学应用气象学院江苏南京210044

日光诱导叶绿素荧光(solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)作为光合作用的直接探针,能对植物的生理状态作出快速、灵敏的响应,与传统监测方法相比具备早期监测植被环境胁迫的能力,弥补了当前植被遥感监测的不足。因此,SIF在植... 详细信息

日光诱导叶绿素荧光(solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)作为光合作用的直接探针,能对植物的生理状态作出快速、灵敏的响应,与传统监测方法相比具备早期监测植被环境胁迫的能力,弥补了当前植被遥感监测的不足。因此,SIF在植被环境胁迫监测中具有良好的应用前景。然而,有很多因素会对SIF产生影响,使得SIF对植被环境胁迫监测的应用变得更为复杂。本文首先介绍了SIF的来源和反演方法,对比分析了各种反演方法的优缺点,剖析了SIF的影响因素,总结了目前SIF在植被环境胁迫监测中的应用研究,在此基础上指出目前SIF在植被环境胁迫监测应用领域中的不足,最终提出今后可以从SIF的影响因素、反演过程及SIF与植被环境胁迫之间的机制关系等方面开展进一步的研究,旨在为陆地生态系统碳循环及植被胁迫监测等提供理论支持。

关键词：日光诱导叶绿素荧光反演植被胁迫监测遥感环境胁迫

日光诱导叶绿素荧光遥感及其在陆地生态系统监测中的应用

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植物生态学报 2022年第10期46卷 1167-1199页

作者：吴霖升张永光章钊颖张小康吴云飞南京大学国际地球系统科学研究所南京大学地理与海洋科学学院自然资源部国土卫星遥感应用重点实验室江苏省地理信息技术重点实验室南京210023

日光诱导叶绿素荧光(SIF)是近十年来迅速发展的新型植被遥感技术,可以弥补以“绿度”为基础的植被指数等传统光学遥感观测的不足,为大尺度植被光合作用监测提供了新方法。随着塔基、无人机、机载和星载SIF观测技术的快速发展以及SIF机... 详细信息

日光诱导叶绿素荧光(SIF)是近十年来迅速发展的新型植被遥感技术,可以弥补以“绿度”为基础的植被指数等传统光学遥感观测的不足,为大尺度植被光合作用监测提供了新方法。随着塔基、无人机、机载和星载SIF观测技术的快速发展以及SIF机理研究的推进,SIF遥感为陆地生态系统生理生化参数和生产力反演、非生物胁迫早期探测、光合物候提取和植被蒸腾作用监测等研究提供了重要技术支撑。该文首先系统阐述了SIF遥感的基本原理、观测技术和反演算法,进而回顾了SIF遥感在陆地生态系统监测中的应用现状,最后对天空地一体化SIF观测、SIF机理研究、新兴生态学应用等领域进行展望。

关键词：日光诱导叶绿素荧光陆地生态系统光合作用非生物胁迫物候蒸腾作用