導(dǎo)讀
-Guidance-
Journal of Remote Sensing
日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）能夠直接地反映植被的真實(shí)生理狀態(tài)，被稱為植被光合作用的理想“探針”，受到生態(tài)、農(nóng)業(yè)和全球碳循環(huán)研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（“句芒號(hào)”）于2022年8月4日發(fā)射升空并順利入軌，該衛(wèi)星攜帶一顆SIF載荷（SIFIS），也成為了首顆在軌運(yùn)行、專為SIF遙感而設(shè)計(jì)的衛(wèi)星傳感器。 該論文利用海洋光學(xué)QE Pro光譜儀，對(duì)SIFIS載荷在野外環(huán)境下光譜觀測(cè)和SIF反演能力展開了可靠性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，介紹了二者在不同植被場(chǎng)景的輻亮度光譜和SIF反演對(duì)比結(jié)果。
No.1
亮點(diǎn) | Highlights
SIF是植被總初級(jí)生產(chǎn)力（GPP）遙感估算的新方法。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（“句芒號(hào)”）于2022年8月4日發(fā)射，攜帶一顆SIF載荷（SIFIS），也成為了首顆在軌運(yùn)行、專為SIF遙感設(shè)計(jì)的衛(wèi)星傳感器。
在該衛(wèi)星發(fā)射之前，為了定量評(píng)估該衛(wèi)星SIF載荷的光譜成像和SIF探測(cè)能力，該研究利用海洋光學(xué)高性能地面光譜儀QE Pro與SIFIS樣機(jī)開展了同步觀測(cè)試驗(yàn)，首次證實(shí)了SIFIS在野外實(shí)測(cè)環(huán)境下光譜觀測(cè)和SIF探測(cè)的可靠性。
No.2
背景介紹 | Introduction
近十幾年來(lái)，隨著SIF衛(wèi)星遙感的快速發(fā)展，越來(lái)越多的傳感器具備了SIF反演潛力，如GOSAT/GOSAT-2、OCO-2/3、TanSat、GOME/GOME-2、SCIAMACHY和TROPOMI等。但該系列衛(wèi)星均是為大氣或溫室氣體探測(cè)而設(shè)計(jì)，并非針對(duì)植被SIF探測(cè)而設(shè)計(jì)。
然而，專為SIF探測(cè)設(shè)計(jì)的FLEX衛(wèi)星已推遲至2025年前后發(fā)射。2022年8月4日，我國(guó)成功發(fā)射了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（“句芒號(hào)”），這是我國(guó)首顆針對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合觀測(cè)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星任務(wù)，其上攜帶的一顆SIF載荷（SIFIS）也成為了首顆在軌運(yùn)行、專為SIF探測(cè)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星傳感器。
因此，在該衛(wèi)星發(fā)射之前，為了定量評(píng)估該衛(wèi)星SIF載荷的光譜成像和SIF探測(cè)能力，此研究利用海洋光學(xué)高性能地面光譜儀QE Pro，與SIFIS樣機(jī)開展了同步塔吊觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)SIFIS載荷的光譜輻亮度觀測(cè)能力、數(shù)據(jù)處理和SIF探測(cè)能力進(jìn)行了綜合地面驗(yàn)證。
No.3
研究方法 | Method
研究思路
該研究選取了同時(shí)具備塔吊等試驗(yàn)硬件設(shè)施和多種植被場(chǎng)景的懷來(lái)遙感實(shí)驗(yàn)站作為試驗(yàn)場(chǎng)地。
首先利用SIFIS和海洋光學(xué)QE Pro光譜儀開展同步垂直觀測(cè)，通過靜態(tài)和推掃兩種成像模式，對(duì)植被和非植被場(chǎng)景進(jìn)行同步成像；
其次，對(duì)SIFIS和QE Pro光譜儀觀測(cè)的光譜測(cè)量結(jié)果進(jìn)行幾何配準(zhǔn)與輻射定標(biāo)，得到匹配一致的輻亮度光譜數(shù)據(jù)集，并利用主成分分析（PCA）的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法開展了SIF反演工作；
最后，對(duì)兩種光譜儀的同步觀測(cè)的輻亮度光譜和反演SIF數(shù)據(jù)開展了對(duì)比分析，評(píng)估了SIFIS載荷光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量和SIF探測(cè)能力。
圖1 試驗(yàn)站點(diǎn)及儀器配置
實(shí)驗(yàn)方法
基于SIFIS和海洋光學(xué)QE Pro同步觀測(cè)的輻亮度光譜數(shù)據(jù)集，利用主成分分析的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法反演SIF結(jié)果，挑選一景SIF反演結(jié)果與植被指數(shù)開展空間對(duì)比分析，并通過時(shí)空匹配和質(zhì)量篩選開展兩種光譜儀SIF輻亮度和SIF反演結(jié)果的定量對(duì)比分析。
該研究從數(shù)據(jù)本身的特性出發(fā)，發(fā)展了優(yōu)化的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法：
（1）將傳感器觀測(cè)的輻亮度表征為非熒光光譜與熒光光譜的線性組合；
（2）進(jìn)一步將非熒光光譜分解為低頻變化項(xiàng)和高頻變化項(xiàng)，分別利用低階多項(xiàng)式和PCA變換得到的基波譜表征低頻和高頻變化項(xiàng)；
（3）利用固定的擬合函數(shù)擬合SIF光譜形狀，通過提前估算上行透過率線性化前向模型；
（4）最后采用最小二乘算法提取SIF信號(hào)。
No.4
重要結(jié)論 | Results
基于海洋光學(xué)QE Pro光譜儀同步觀測(cè)數(shù)據(jù)的定量對(duì)比結(jié)果，首次證實(shí)了SIFIS載荷在野外環(huán)境下光譜觀測(cè)和SIF探測(cè)方面的可靠性：
（1）SIFIS探測(cè)儀和QE Pro光譜儀觀測(cè)的輻亮度光譜無(wú)論是吸收線位置還是輻亮度絕對(duì)值，在全波段范圍內(nèi)具有高度一致性，輻亮度絕對(duì)差異小于5%；
圖2 SIFIS和QEPro同步觀測(cè)植被場(chǎng)景的輻亮度光譜對(duì)比結(jié)果
（2）基于SIFIS探測(cè)儀單景輻亮度圖像計(jì)算的NDVI和NIRvR與遠(yuǎn)紅光和紅光波段的SIF的空間分布基本一致；
圖 3 SIFIS單景影像的植被指數(shù)和SIF反演結(jié)果的空間分布圖
（3）SIFIS探測(cè)儀和QE Pro光譜儀的SIF反演結(jié)果顯著相關(guān)，在遠(yuǎn)紅光波段，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.70，而紅光波段的對(duì)比結(jié)果相對(duì)較差，R2僅為0.23。
圖 4 SIFIS和海洋光學(xué)QE Pro光譜儀SIF反演的定量對(duì)比結(jié)果
文章信息
以上研究?jī)?nèi)容為發(fā)表在《Journal of Remote Sensing》(JRS)上的最新文章“Prospects for Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Remote Sensing from the SIFIS Payload Onboard the TECIS-1 Satellite”
引用格式：
Shanshan Du, Xinjie Liu, Jidai Chen, Liangyun Liu, “Prospects for Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Remote Sensing from the SIFIS Payload Onboard the TECIS-1 Satellite”, Journal of Remote Sensing, vol. 2022, Article ID 9845432, 9 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9845432
研究團(tuán)隊(duì) | Study Group
研究方向:
植被生態(tài)定量遙感
研究成果:
中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院劉良云研究員帶領(lǐng)的植被定量遙感團(tuán)隊(duì)，在國(guó)內(nèi)率先開展SIF遙感研究，創(chuàng)新了系列SIF反演算法與光合生理探測(cè)模型，提出并確立了我國(guó)森林碳衛(wèi)星熒光載荷指標(biāo)方案，研制了我國(guó)TanSat衛(wèi)星的首幅全球SIF反演圖，共享了系列塔基自動(dòng)觀測(cè)和衛(wèi)星反演SIF產(chǎn)品，有力推動(dòng)了SIF遙感前沿研究的發(fā)展。
文章來(lái)源：JRS國(guó)際遙感學(xué)報(bào)