倪卓婭 陸其峰, 王志偉 王富

（1 中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實驗室，國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081；2 中國氣象科學(xué)研究院，災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實驗室，北京 100081）

0 引言

自1980年以來，植被葉綠素?zé)晒庖恢笔潜O(jiān)測植物生理狀態(tài)變化的有效、無損和直接的方法。 葉綠素?zé)晒庠谔柟獾恼丈湎卤还夂辖M織激發(fā)，產(chǎn)生的光譜范圍為640～800 nm，其中2個峰值位于685 nm和740 nm。由于光合作用和葉綠素?zé)晒庵g存在直接和緊密的關(guān)系，可利用遙感技術(shù)對葉綠素?zé)晒膺M(jìn)行估測得到總初級生產(chǎn)力（GPP）。 因此，葉綠素?zé)晒獍l(fā)射可以用作光合作用的指示劑。

日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）提取方法主要是依據(jù)夫瑯禾費(fèi)暗線或氧氣吸收帶中的熒光信號填充原理。在近地面，SIF提取方法分為主動和被動測量2種。為了將近地表SIF反演算法擴(kuò)展到衛(wèi)星平臺，需要準(zhǔn)確的大氣校正信息以獲得熒光輻亮度。由于難以獲得準(zhǔn)確的大氣參數(shù)，因此近地表SIF反演算法在衛(wèi)星平臺上的適用性較差。自從制作第一張全球SIF圖以來，許多研究人員基于夫瑯禾費(fèi)暗線或氧氣吸收帶中的熒光信號填充原理開發(fā)了適用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的SIF反演方法，并成功地從GOSAT、GOME-2、OCO-2、SCIAMACHY和TanSat數(shù)據(jù)中提取了SIF。星載熒光提取方法包括物理方法和統(tǒng)計方法。為了更深入了解葉綠素?zé)晒夂蛿U(kuò)展其應(yīng)用，歐空局開展了熒光探索器項目（FLEX）。 FLEX任務(wù)將通過繪制植被熒光圖達(dá)到量化光合作用活動的目的，其攜帶熒光傳感器FLORIS將與Copernicus Sentinel-3衛(wèi)星之一同步進(jìn)入軌道，該衛(wèi)星將于2022年發(fā)射。

近年來，已經(jīng)發(fā)表了關(guān)于葉綠素?zé)晒馓崛》椒ǖ奈恼?。Maxwell等介紹了在野外和試驗室情況下葉綠素?zé)晒馓崛〉姆椒ê蛻?yīng)用。Meroni等總結(jié)了SIF提取的方法，包括基于輻亮度的方法和基于反射率的方法及其在不同尺度上的應(yīng)用。 Cendrero-Mateo等總結(jié)了不同氮處理條件下冠層和葉片尺度上主動和被動葉綠素?zé)晒獾臏y量結(jié)果。Wang等介紹了葉綠素?zé)晒鉁y量系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展以及基于統(tǒng)計算法的冠層熒光提取方法。Frankerberg等發(fā)表了一篇綜述，全面介紹了葉綠素?zé)晒獾钠鹪矗捌湓诠趯映叨群腿虺叨裙夂献饔煤腿~綠素?zé)晒獾年P(guān)系。有關(guān)研究總結(jié)了從葉片尺度到冠層尺度被動葉綠素?zé)晒獾臏y量設(shè)置及其方法 。Cendrero-Mateo等撰寫了有關(guān)近地面葉綠素?zé)晒馓崛》椒ǖ慕榻B和評估的綜述。Gu等從光反應(yīng)的角度介紹了葉綠素?zé)晒饧捌渑c光合作用之間的關(guān)系。

國內(nèi)許多專家學(xué)者也開展了葉綠素?zé)晒膺b感的研究，如中國科學(xué)院遙感所劉良云團(tuán)隊開展了碳衛(wèi)星的葉綠素?zé)晒馓崛『凸趯訜晒獾奶崛》椒ǖ南嚓P(guān)研究，北京師范大學(xué)劉志剛團(tuán)隊開展的冠層熒光研究及其自動化監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)，南京大學(xué)張用光團(tuán)隊開展了葉綠素?zé)晒馀cGPP的相關(guān)研究等。

國內(nèi)外專家的研究成果從不同的角度介紹了葉綠素?zé)晒獾漠a(chǎn)生、反演和應(yīng)用。在已有的研究基礎(chǔ)上，本報告將從近地面到全球尺度全面介紹葉綠素?zé)晒馓崛》椒?，并總結(jié)現(xiàn)有的葉綠素?zé)晒馓崛》椒ā＞唧w而言，本報告首先介紹了近地面的葉綠素?zé)晒鉁y量，其次詳細(xì)介紹了從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取葉綠素?zé)晒獾乃惴ǎ詈罂偨Y(jié)了當(dāng)前研究中存在的問題。

1 葉綠素?zé)晒獾漠a(chǎn)生及其光譜

葉綠素?zé)晒馐侨~綠體受太陽光激發(fā)產(chǎn)生的。葉綠素是光合作用過程中必需的色素。 葉綠素?zé)晒?、光耗散和光合作用是消耗葉片吸收能量的重要途徑，即葉綠素?zé)晒馀c光合作用有直接關(guān)系。

植被主要吸收可見光波段的能量。當(dāng)植被吸收紅光時，葉綠素分子被激發(fā)到第一個單線態(tài)；當(dāng)植被吸收藍(lán)光時，葉綠素分子被激發(fā)到第二個單線態(tài)（圖1）。葉綠素分子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要釋放能量以返回穩(wěn)定狀態(tài)。散熱是能耗的關(guān)鍵方式，當(dāng)葉綠素分子處于第一單重態(tài)時，除了散熱之外，光合作用和葉綠素?zé)晒馐呛纳⒛芰康闹匾椒ā牡谝粋€單峰態(tài)到基態(tài)單峰態(tài)，葉綠素分子通過發(fā)出較長波長的葉綠素?zé)晒庖韵哪芰俊?/p>

圖1 葉綠素?zé)晒獾漠a(chǎn)生Fig.1 Production of chlorophyll fluorescence

葉綠素?zé)晒夤庾V范圍為640～850 nm，并有2個峰（690 nm和740 nm）。通過將植被反射光譜（表觀反射率）與由FluorMOD模擬的經(jīng)過熒光過濾的植被反射光譜（實際反射率）進(jìn)行比較，可以在690 nm和740 nm處發(fā)現(xiàn)2個凸峰（圖2）。

圖2 模擬的葉綠素?zé)晒獠ㄗV（來自FluorMOD模型）Fig.2 Simulated chlorophyll fluorescence spectrum (fromFluormod model)

2 近地面的葉綠素?zé)晒馓崛》椒ń榻B

2.1 主動葉綠素?zé)晒馓綔y

主動葉綠素?zé)晒馓綔y方法利用葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)來測量相關(guān)參數(shù)，包括調(diào)制方法（脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒庥嫞┖头钦{(diào)制方法（非調(diào)制熒光計）。調(diào)制和非調(diào)制葉綠素?zé)晒庥嬍歉鶕?jù)Kautsky效應(yīng)設(shè)計的[53, 61-63]。

調(diào)制熒光計使用調(diào)制測量光，可以在任何階段使用。當(dāng)來自調(diào)制熒光計的測量光具有與熒光相同的頻率時，可以記錄不同生理狀態(tài)（包括強(qiáng)光）下的熒光值，因此可在野外試驗中使用調(diào)制熒光計。Schreiber設(shè)計和制造了世界上第一臺脈沖調(diào)制熒光計（PAM），通過PAM測得的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)可以反映植被的變化，通常用于檢測植被的生理狀態(tài)。此外，葉綠素?zé)晒鈪?shù)通常與其他相關(guān)的植被生理參數(shù)（氣孔導(dǎo)度，葉水勢等）結(jié)合起來，以分析植被脅迫。

非調(diào)制熒光計利用快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來記錄Kaunsty效應(yīng)或快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)，例如Pochet植物效率分析儀（PEA），手持式PEA和多功能PEA。

可以使用2種不同的測量方法來獲得葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)。非調(diào)制熒光計結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，在整個測量過程中使用連續(xù)光。相比之下，調(diào)制熒光計具有調(diào)制光源，可在每種生理狀態(tài)下獲得葉綠素?zé)晒鉁y量值。實際上，調(diào)制熒光計通常用于檢測植被壓力[66, 68]。

2.2 被動熒光測量

被動葉綠素?zé)晒鉁y量使用夫瑯禾費(fèi)暗線或氧氣吸收帶中的葉綠素?zé)晒馓畛鋪硖崛晒庑畔?。在冠層尺度提取的SIF并未考慮表面植被和傳感器之間的大氣影響，提取算法只需要2個通道的太陽輻照度和地表輻亮度2個參數(shù)。根據(jù)已有文獻(xiàn)，近地面的被動葉綠素?zé)晒獾奶崛》椒ǚ譃榛诜瓷渎实姆椒ê突谳椓炼鹊姆椒ā；谳椓炼鹊姆椒òǚ颥樅藤M(fèi)暗線深度法（FLD）和一系列在FLD方法上改進(jìn)的方法，以及波譜擬合方法（SFM）?；诜瓷渎实姆椒ㄖ饕褂?50～800 nm范圍內(nèi)的多個光譜通道建立指數(shù)，以定性地反應(yīng)熒光信息?；诜颥樅藤M(fèi)暗線填充原理的基于輻亮度的熒光提取方法獲得的熒光值具有物理意義，而基于反射率的提取方法只能得到熒光的相對值，沒有物理意義。

FLEX的任務(wù)是準(zhǔn)確重建整個熒光光譜。在波譜擬合方法的基礎(chǔ)上，目前已有幾種全光譜光譜擬合方法，可從冠層測量數(shù)據(jù)重建葉綠素?zé)晒夤庾V，例如熒光光譜擬合方法（FSR），全光譜光譜擬合方法（F-SFM），波譜擬合方法（SpecFit）和改進(jìn)版熒光光譜擬合方法（aFSR）。

2.2.1 FLD方法

Plascyk和Plascyk等提出了FLD算法。所有的輻亮度方法均是在FLD算法的基礎(chǔ)上發(fā)展的。FLD算法利用位于夫瑯禾費(fèi)暗線內(nèi)部和外部的入射太陽輻照度和目標(biāo)輻亮度估算熒光對夫朗合費(fèi)井的填充程度（圖3）。在算法中，需要知道吸收線內(nèi)部（

λ

，O-B 687 nm和O-A760 nm）的入射太陽輻照度和目標(biāo)輻亮度，吸收暗線附近波段（

λ

，686 nm和758 nm）的入射太陽輻照度和目標(biāo)輻亮度：

假設(shè)反射率

r

和熒光

F

不變，圖3a為入射的太陽輻照度波譜；圖3b為上行通量：植被目標(biāo)觀測到的總的輻亮度（藍(lán)色）由熒光輻亮度（紅色）和植被反射的輻亮度（綠色）組成。藍(lán)色曲線A）和B）是測量參數(shù)。

圖3 FLD算法Fig.3 FLD algorithm

假設(shè)吸收暗線內(nèi)波段和吸收暗線外波段足夠接近，則吸收暗線內(nèi)外的反射率和熒光保持不變：

FLD算法比較簡單，僅需要知道2個通道的入射太陽輻照度和目標(biāo)輻亮度。實際上，盡管這2個通道足夠接近，但是反射率

r

和熒光

F

在這兩個通道上不會保持不變。FLD算法的前提條件是

r

和

F

在吸收暗線內(nèi)外兩個通道上保持不變。許多作者針對這個假設(shè)前提提出了質(zhì)疑。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了許多改進(jìn)的算法，如3FLD、cFLD、iFLD、eFLD和SFM。

2.2.2 波譜擬合方法SFM

冠層輻射度可以表示為熒光貢獻(xiàn)（

SIF

）和反射率輻射度的組合：

在選定的感興趣譜帶中，例如氧氣吸收譜帶或夫瑯禾費(fèi)暗線，使用最小二乘擬合技術(shù)估算熒光和反射率（假設(shè)反射率和熒光是波長的函數(shù)），數(shù)學(xué)方程式表示為公式（4），變量定義見表1。

表1 公式1～8中的參數(shù)含義Table1 The meaning of parameters in 1-8

與其他方法相比，SFM方法利用更多的波段和連續(xù)的波譜來提高信噪比，并用于從FLEX的模擬數(shù)據(jù)和FLEX/FLORIS的模擬數(shù)據(jù)中提取葉綠素?zé)晒?。波譜擬合方法也可用于重建完整的葉綠素?zé)晒獠ㄗV。Cogliati等提出了SpecFit方法來獲得完整的SIF譜，他選擇了Gaussian、 Lorentzian和Voigt函數(shù)的不同組合來模擬葉綠素?zé)晒獾陌l(fā)射峰，并通過使用3次樣條擬合法獲得葉綠素?zé)晒獠ㄗV。

2.2.3 熒光波譜重建方法（FSR）和改進(jìn)版熒光波譜重建方法（aFSR）

對于公式（3），Zhao等認(rèn)為在吸收線處反射率和熒光可以表示為泰勒多項式：

結(jié)合公式（3）和（5），冠層輻亮度可以表示為：

公式（6）中有6個未知參數(shù)。第一步，通過在5個吸收線（Hα 656 nm，O-B 687 nm，HO 719 nm，O-A 761 nm，HO 823 nm）處采樣，確定未知參數(shù)，然后獲得吸收線處的熒光輻射。第二步，對SCOPE模型模擬的熒光輻亮度數(shù)據(jù)通過奇異值分解（SVD）生成完整的熒光波譜的主成分變量，完整的葉綠素?zé)晒獠ㄗV可表示為：

公式（7）有3個未知數(shù)，

c

、

c

和

c

是基礎(chǔ)主成分的系數(shù)，需要通過最優(yōu)化方法確定。

波譜重建方法（FSR）僅使用熒光波譜的5個吸收帶上的信息。基于這個想法，Zhao等提出了一種使用SIF頻譜的全部信息的aFSR（改進(jìn)版FSR）方法，上行的輻射度表示如下：

公式（8）中的參數(shù)介紹可見表1，通過在640～850 nm計算實測的上行輻亮度和建模的上行輻亮度的殘差來確定系數(shù)，最終獲得熒光的全波普數(shù)據(jù)。

Liu等提出的F-SFM熒光提取算法與aFSR算法思想類似，不同的是，在F-SFM算法中，反射率表達(dá)式用一次線性多項式，熒光波譜的基礎(chǔ)分量通過主成分分析獲得。

3 星載葉綠素?zé)晒馓崛∷惴ń榻B

與反射信號相比，葉綠素?zé)晒獾男盘栞^弱，因此很難從衛(wèi)星影像中檢測出葉綠素?zé)晒?，熒光信號約為近紅外光譜區(qū)域中反射輻射的2%～5%。685 nm處的穩(wěn)態(tài)熒光約為1.5～3.4 mW·m·sr·nm，而740 nm處的穩(wěn)態(tài)熒光約為2.4～5.4 mW·m·sr·nm。如何從反射信號中提取熒光信號是一個重要的問題。在過去的幾年中，已經(jīng)提出了許多方法來從傳感器接收的輻射中提取熒光。簡而言之，這些方法主要?dú)w為2類，一類主要使用物理方法，另一類利用統(tǒng)計方法。

基于物理模型的熒光提取算法是使用輻射傳輸理論在可見-近紅外區(qū)域發(fā)展的。假設(shè)表面反射率和熒光都遵循朗伯定律，并且表面均勻。在這些假設(shè)下，可以簡化輻射透射方程并將其在熒光提取窗口擬合以獲得熒光輻射度。此外，差分光吸收光譜法（DOAS）也可用于提取葉綠素?zé)晒??；谖锢砟Ｐ偷臒晒夥囱菟惴ň哂星逦奈锢硪饬x和簡單的反演過程。不足之處是夫瑯禾費(fèi)暗線處大氣影響對算法精度的影響需進(jìn)一步研究。

統(tǒng)計算法使用統(tǒng)計方法，例如主成分分析（PCA）或奇異值分解（SVD）估測大氣影響，并在感興趣的光譜區(qū)域擬合求解出熒光輻射度。這類算法主要使用中等光譜分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，選擇氧氣吸收帶或Fraunhofer線作為提取窗口。寬的窗口可以提高信噪比，并降低算法對傳感器噪聲的敏感性。在氧氣吸收帶，使用統(tǒng)計模型估算主要的大氣影響，包括大氣散射和氧氣吸收，通過統(tǒng)計模型以避免計算相關(guān)的大氣參數(shù)。目前的算法中，大多數(shù)算法使用O-A波段估計近紅外熒光輻亮度，而部分算法使用O-B波段估計紅色熒光。

3.1 星載葉綠素?zé)晒獾奶崛≡?/h3>

光由太陽發(fā)出經(jīng)過大氣在地表反射后又經(jīng)過大氣作用入射到傳感器上，整個輻射傳輸過程可以用圖4表示。

圖4 輻射傳輸過程Fig.4Radiationtransferprocess

如圖所示，傳感器入射能量分為3部分：①太陽輻射能量直接由大氣反射到傳感器的能量，即大氣程輻射；②太陽輻射能量經(jīng)大氣作用后照射到目標(biāo)并反射回傳感器的能量，其中2a代表太陽輻射直接入射到目標(biāo)，2b代表太陽輻射被大氣散射后入射到目標(biāo)上；③太陽輻射照射經(jīng)大氣散射后照射到相鄰地物；④目標(biāo)發(fā)射的熒光經(jīng)由大氣到達(dá)傳感器。假設(shè)地表均一，且地表反射符合蘭伯特定律，則相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

第一項是大氣對衛(wèi)星輻亮度的貢獻(xiàn)，第二項是地表反射的輻亮度，最后一項是葉綠素?zé)晒庑盘枌πl(wèi)星輻亮度的貢獻(xiàn)。在公式（9）中，

ρ

為半球反照率，

E

指大氣層頂處的太陽輻照度，

θ

代表太陽高度角，

R

為地表反射率，

SIF

為冠層熒光輻亮度，

ρ

為從大氣到地表的半球反照率。

τ

為透過率，第一個下標(biāo)指入射輻亮度，第二下標(biāo)為散射輻亮度。

τ

+

τ

為總的入射透過率（包括直射和散射部分）；

τ

+

τ

為從地表到大氣層頂?shù)耐高^率。

τ

：入射和散射輻亮度均為直射輻亮度。

τ

：入射輻亮度為直射輻亮度，散射輻亮度為半球散射輻亮度。

τ

：入射輻亮度為散射天空輻亮度，散射輻亮度為直射輻亮度（在觀測方向）。

τ

：入射輻亮度為直射輻亮度，散射輻亮度為直射輻亮度（在觀測方向）。

3.2 基于物理模型的熒光提取算法

3.2.1 FLD-like算法

FLD算法在設(shè)計時并未考慮到大氣的影響，僅適用于冠層尺度的熒光提取。一些研究把3FLD和大氣參數(shù)結(jié)合起來得到了星載熒光的提取算法。在航空或航天尺度上，熒光信號作為傳感器接收的地表反射能量的一個附加項。如果熒光發(fā)射和地表反射率均符合蘭伯特余弦定律，則傳感器接收的輻亮度（atsensor radiance）可表示為：

其中，

i

表示氧A吸收帶內(nèi)（760 nm），

o

表示氧A吸收帶外部（753 nm），

L

表示衛(wèi)星上接收到的輻亮度，

L

指路徑輻射，

E

指輻照度，包括到達(dá)地表的直射和散射通量，

S

指地表發(fā)射率，

ρ

指半球反照率，

τ

↑指上行透過率，

SIF

指地表的熒光輻亮度。選擇氧氣吸收帶作為提取窗口，選擇2個波段，一個位于氧氣吸收帶內(nèi)（

i

：760 nm），另一位位于氧氣吸收帶外（

o

：753 nm），則兩個波段處的輻亮度可以表示為：

兩式聯(lián)立，可得到SIF的表達(dá)式：

A

指O-A吸收帶內(nèi)反射率

ρ

與吸收帶外反射率

ρ

的比值，一般通過反射率波譜中氧氣吸收帶左右兩側(cè)的波段內(nèi)插得到。

B

指O-A吸收帶內(nèi)外的熒光輻亮度比值，Alonso等和Rascher等把

B

固定為0.8。

在這類方法中，在O-A吸收帶附近的熒光和反射率變化均被假設(shè)為線性變化，并沒有考慮在熒光和反射率波譜的形狀變化。此類方法在使用時，一般和MODTRAN結(jié)合，利用MODTRAN 計算出所需要的大氣參數(shù)，把大氣參數(shù)代入此方法中求解熒光輻亮度。此類方法計算的熒光具有明確的物理意義，熒光單位與輻亮度單位相同，但是由于必須要輸入大氣參數(shù)，而大氣參數(shù)通常是較難得到的，MODTRAN模擬的大氣參數(shù)跟實際的大氣狀況還是有一定誤差，因此得到的熒光輻亮度有一定的誤差，而且誤差的來源較難分析。

3.2.2 差分吸收波譜方法DOAS

差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)（Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS）常用于提取大氣中的痕量氣體，主要應(yīng)用于紫外、可見光和近紅外波段。DOAS的理論基礎(chǔ)是Lamber-Beer定律，以大氣中的痕量氣體對紫外和可見光波段的特征吸收為基礎(chǔ)，通過對特征波段的識別，達(dá)到鑒定痕量氣體的濃度和類型的目的。除了痕量氣體的吸收作用外，大氣中的粒子的散射作用也有一定的影響。其中，痕量氣體隨波段變化的吸收速率不一致，隨波長變化快的部分稱為快變部分

σ

(

λ

)，隨波長慢變化的部分稱為慢變部分

σ

’(

λ

)。慢變部分主要是痕量氣體吸收截面、散射等消光過程引起，常歸于散射項。把葉綠素?zé)晒猱?dāng)做一種痕量氣體，引入差分概念，整理得到：

熒光參考波譜

σ

(

λ

)表示DOAS算法中的氣體橫截面積，熒光項的擬合系數(shù)

S

表示氣體的柱密度，通過在一定的波譜窗口中擬合求解熒光項系數(shù)，達(dá)到求解星載熒光輻亮度的目的。在公式（15）中存在多個未知項，選擇合適的波譜窗口可以減少要考慮的吸收氣體數(shù)量。在熒光波譜范圍內(nèi)，主要要考慮的氣體吸收是氧氣O-A和水汽，Khosravi在其論文中選擇了660～683 nm和745～758 nm兩個窗口，這兩個窗口離氧氣吸收帶較近，且無明顯氧氣和水汽吸收作用，僅受夫瑯禾費(fèi)暗線影響，簡化了DOAS算法，此時，DOAS算法表示為：

在公式（16）中，

L

(

λ

,

θ

)和

E

(

λ

,

θ

)已知,

σ

(

λ

)可以用冠層熒光波譜表示，

m

一般取值為3，在所選擇波譜窗口中使用最小二乘法擬合，得到

S

和

α

，最終的星載熒光輻亮度為

σ

(

λ

)

S

。

3.2.3 夫瑯禾費(fèi)暗線深度法

夫瑯禾費(fèi)暗線僅受到熒光的影響，因此在夫瑯禾費(fèi)暗線處可以無偏差計算熒光。Frankerberg等在氧氣吸收帶附近的夫瑯禾費(fèi)暗線處把夫瑯禾費(fèi)暗線的深度簡單的表示為：

是無單位的，則可以通過計算近似得到熒光輻亮度：

3.2.4 簡化的輻射傳輸方法

公式（9）給出了星上輻亮度的表達(dá)式。在某些特殊的窗口，如KI吸收線何866 nm CaII的吸收暗線，以及一些非常窄的波段，如太陽夫朗合費(fèi)暗線，大氣散射和吸收可以忽略（

ρ

=0,

ρ

=0,

τ

+

τ

=1,

τ

+

τ

=1），則星上的輻亮度可以表示為：

這里*表示與衛(wèi)星的傳感器相應(yīng)函數(shù)做卷積。

假設(shè)在感興趣波段范圍內(nèi)的大氣吸收和散射為常數(shù)，則上式可表達(dá)為：

在公式（20）與（21）中，可以注意到

K

或者

K′

對

SIF

沒有什么決定意義。忽略大氣散射和吸收會對

SIF

造成一個小的比例因子（當(dāng)

R

=0.3時，誤差接近于0.6%），因此假設(shè)≈1，在公式（20）與（21）中，只有

K

或者

K

′和

F

為未知數(shù)，(

L

)指傳感器接收到的輻亮度，

E

為太陽輻照度，在感興趣區(qū)域使用最小二乘法擬合求解

F

熒光輻亮度。

在當(dāng)前的文獻(xiàn)中，GOSAT數(shù)據(jù)的K I吸收線，具有超精細(xì)的波普分辨率，常被用做熒光的反演窗口。為了提高信噪比，選擇的反演窗口需要擴(kuò)大，如包括K I吸收線的769.9～770.25 nm 和758.45～758.85 nm窗口，包括CaII吸收線的863.5～868.8 nm窗口。K?hler等對于GOSAT 數(shù)據(jù)發(fā)展了輻射傳輸反演的熒光提取算法GARLiC，反演窗口為769.9～770.25 nm，在此窗口，晴朗天空的上行透過率可認(rèn)為是1，則，公式（9）可簡化為：

在公式（22）中，太陽輻照度波譜可以使用衛(wèi)星的測量值或者是Chance和Kurucz （2010） 的標(biāo)準(zhǔn)模擬波譜，地表反射率

R

被表示為波長的三次多項式，透過率則使用幾個主成分表示。最終公式（22）可以表示為：在公式（23）中，未知數(shù)有3個，分別為

α

、

α

和

F

，

α

和

α

是描述大氣散射和反射率的參數(shù)，最終需要使用最小二乘法擬合得到

SIF

。

基于物理模型的熒光提取算法比較常用于熒光提取。這類算法具有清晰的物理意義，且是基于不同的反演思路發(fā)展的。在這類算法中，一般選擇受大氣影響很小的波段作為反演窗口，大氣的影響通常被簡化處理，在今后的研究中，還需要更多關(guān)注這類算法中對大氣影響的處理。

3.3 基于統(tǒng)計模型的熒光提取算法

3.3.1 奇異向量分解法

Guanter等利用奇異向量的概念，把衛(wèi)星觀測輻亮度表示為無熒光的非植被輻亮度與熒光貢獻(xiàn)之和，且把此方法應(yīng)用于GOSAT FTS數(shù)據(jù)，分別在以750 nm和770 nm為中心的2個小擬合窗口進(jìn)行非線性擬合得到熒光輻亮度。其中，無熒光的非植被輻亮度由幾個奇異向量線性組合。

利用奇異值分解的方法，包含熒光的輻射傳輸方程可以表示為：

Guanter等改進(jìn)Guanter等的方法，擴(kuò)展了方法的應(yīng)用范圍，使其覆蓋717～780 nm范圍。在717～780 nm范圍內(nèi)，由于受葉面積指數(shù)和葉綠素吸收的影響，植被光譜的結(jié)構(gòu)會發(fā)生較大變化。因此在此方法中，前2個主成分為低頻信息，構(gòu)成了無熒光參考體的主要信息，第3項為高頻信息，把光譜結(jié)構(gòu)變化信息考慮進(jìn)去，最終前向模型可以表示為：

其中，

n

為代表高頻信息的奇異向量個數(shù)，

n

為代表低頻信息的奇異向量個數(shù)，

α

、

b

和

c

分別為

n

、

n

和

n

維中的系數(shù)，

λ

為輸入的波譜范圍（

n

），

ν

為

n

×

n

維的奇異向量。此外，劉良云等成功使用SVD方法從TanSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取葉綠素?zé)晒狻?p>3.3.2 主成分分析法

Joiner等把波譜特征分為3個成分：大氣吸收（

T

和

T

））、地表反射率（

R

）和熒光輻亮度（

SIF

）影響，通過解算大氣影響提取熒光。假設(shè)地表反射率和熒光符合蘭伯特定律，假設(shè)大氣的散射影響比較小，則

ρ

?0，

R

·

ρ

?1，則反射率可表示為：

此時，

T

和

T

和

SIF

為未知參數(shù)，目標(biāo)參數(shù)為

SIF

。為了消除未知參數(shù)，引入了

T

(

λ

)，表示太陽與傳感器間雙向（太陽—地表—傳感器）大氣透過率，定義為

T

(

λ

)=

T

T

，

T

代表太陽與傳感器間雙向（太陽—地表—傳感器）大氣透過率，根據(jù)它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可得到上行透過率的表達(dá)式，其中太陽高度角為

θ

，同時觀測天頂角為

θ

：

經(jīng)過以上幾步的簡化，則地表反射率可表示為：

此方法只對單頻輻射有效，且在算法中

ρ

、

ρ

、

T

和

T

僅考慮大氣的散射，忽略大氣分子吸收。在此方程中，僅有

R

、

T

和

SIF

3個未知數(shù)，假設(shè)他們在研究的波譜范圍內(nèi)均有相應(yīng)的波譜函數(shù)，

SIF

是波長的高斯函數(shù)（波譜中心位于736.8 nm，方差為21.2 nm）。在我們的研究范圍，反射率

R

被假定為波長的線性函數(shù)。從已有的研究結(jié)果中可知，描述熒光波形的函數(shù)的誤差對熒光峰值的估測影響較小。透過率

T

(

λ

)則用幾個主成分的線性關(guān)系來表示。把未知參數(shù)表示為波長的函數(shù)后，在所選擇的波譜窗口內(nèi)，使用最小二乘法擬合得到所需要求的SIF。需要注意所選擇的擬合窗口盡量在一個較小的波譜范圍內(nèi)。

主成分分析的提取算法中考慮到了大氣的影響，且從GOME-1和SCIAMACHY衛(wèi)星數(shù)據(jù)中成功提取了熒光輻亮度。

4 當(dāng)前的問題和討論

葉綠素?zé)晒膺b感從葉片尺度到衛(wèi)星尺度上取得了較大的進(jìn)展，已廣泛用于與植被生理狀態(tài)的相關(guān)性研究。葉綠素?zé)晒馓綔y在葉尺度和冠層尺度上都取得了良好的結(jié)果，還被有效地用于監(jiān)測植物的水分脅迫，臭氧脅迫，氮脅迫，害蟲脅迫，GPP，熱脅迫和農(nóng)作物生產(chǎn)力。盡管研究人員設(shè)計了許多實驗來闡明葉綠素?zé)晒馀c植被脅迫之間的關(guān)系，但這種關(guān)系的內(nèi)在機(jī)制尚待探索。對于從衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演葉綠素?zé)晒?，大氣影響不可忽略，并使反演變得更加?fù)雜?？偨Y(jié)其中存在的問題，主要分為以下幾點(diǎn)：

4.1 大氣影響的處理

傳感器接收的輻射受大氣條件，太陽/傳感器的方位角信息等影響。在我們感興趣的波段（600～800 nm）中，主要吸收是氧氣（O）和水蒸氣（HO）。關(guān)于大氣影響，散射是熒光反演方法中應(yīng)考慮的主要因素。在夫瑯禾費(fèi)暗線線中，熒光能夠填充夫瑯禾費(fèi)暗線，散射也會對夫瑯禾費(fèi)暗線有填充作用。目前已經(jīng)許多關(guān)于散射對熒光提取影響的研究，并且認(rèn)為星載熒光提取時應(yīng)考慮拉曼散射的影響。

在熒光提取方法中，主要是使用2個反演窗口，分別是氧氣吸收帶和Fraunhofer線。在氧氣吸收帶中，拉曼散射、地表壓強(qiáng)和反照率等可能會在算法中產(chǎn)生誤差。

SIF

反演方法通常利用統(tǒng)計技術(shù)來計算

SIF

反演過程中的大氣影響，例如PCA和SVD。選擇一些無植被的區(qū)域，如沙漠、格陵蘭和南極洲等無熒光區(qū)域用于訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以估計大氣效應(yīng)的影響。訓(xùn)練數(shù)據(jù)的類型和數(shù)量必須盡可能具有代表性，通過訓(xùn)練得到許多無熒光數(shù)據(jù)集，使估算出的大氣條件更加可靠。正確選擇無熒光區(qū)域至關(guān)重要。

在Fraunhofer線中，假定大氣影響很小，可以忽略不計?；诖思僭O(shè)，開發(fā)了一系列基于Fraunhofer暗線中的熒光反演方法。但是直到現(xiàn)在，尚不清楚Fraunhofer暗線中大氣效應(yīng)的忽略如何對SIF產(chǎn)生影響。與接收到的輻射相反，熒光輻射相對較弱（強(qiáng)度大約為1%～3%）。大氣效應(yīng)處理不當(dāng)會影響熒光的反演結(jié)果。

4.2 零值偏移校正

非植被區(qū)域的熒光為零。實際上，由于旋轉(zhuǎn)拉曼散射和各種反演方法的缺點(diǎn)，非植被區(qū)域（例如撒哈拉沙漠）的熒光值并非為零。這些熒光值被認(rèn)為是熒光偏差。所有反演方法都應(yīng)消除熒光偏差以獲得可靠的值。 Frankerberg等發(fā)現(xiàn)在TANSO-FTS波段1中存在非線性問題，并提出了一種經(jīng)驗方法，通過將熒光偏移表示為南極洲區(qū)域平均輻射的函數(shù)來校正所產(chǎn)生的熒光。基于這個思路，Guanter等，Joiner等和K?hler等增加了無植被地物作為參考光譜，并采用了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來選擇參考光譜，例如熒光值范圍、平均輻射度和太陽天頂輻射度。這些參數(shù)的閾值沒有通用標(biāo)準(zhǔn)，由研究人員根據(jù)傳感器的特征確定。這些熒光偏移校正方法選擇無植被區(qū)域作為目標(biāo)，并建立熒光偏移與平均輻射度之間的關(guān)系，并且認(rèn)為平均輻射度與無植被區(qū)域相同的植被區(qū)域具有相同的熒光偏移。Joiner等認(rèn)為以前的熒光偏移校正方法沒有考慮暗電流、雜散光和非線性響應(yīng)的影響，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一種經(jīng)驗校正方案來減肖零值偏移。形成零值偏移的原因很復(fù)雜并有待將來研究，且尚未開發(fā)出新的零級偏移校正方法。

4.3 缺乏地表數(shù)據(jù)來驗證星載葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)品

星載葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)品的驗證是當(dāng)前研究中的一個問題。最常用的方法是通過其他熒光產(chǎn)品進(jìn)行交叉驗證的，例如OCO-2 SIF，GOSAT SIF，GOME-2 SIF和SCIAMACHY SIF或NDVI數(shù)據(jù)。地表測量數(shù)據(jù)的缺乏會影響到熒光產(chǎn)品精度的提高，這可能會限制其未來的應(yīng)用。葉綠素?zé)晒獗徽J(rèn)為是檢測植被狀況的有效探針，與光合作用密切相關(guān)，因此可用于推導(dǎo)GPP。太陽衛(wèi)星觀測幾何的變化影響熒光觀測的不確定性，將會影響GPP估算。在地面附近進(jìn)行的熒光測量數(shù)量很少，并且測量范圍有限。因此，難以使用地面數(shù)據(jù)來驗證SIF衛(wèi)星數(shù)據(jù)。為了驗證SIF衛(wèi)星數(shù)據(jù)，必須擴(kuò)展地表葉綠素?zé)晒庥^測網(wǎng)絡(luò)。

5 氣象衛(wèi)星在葉綠素?zé)晒膺b感中的潛在優(yōu)勢

極軌氣象衛(wèi)星FY-3D上搭載的高光譜溫室氣體監(jiān)測儀（Greenhouse gases Absorption Spectrometer，GAS）探測目標(biāo)是測量全球大氣溫室氣體（CO、CH、CO等）的濃度在三維空間的分布，其可見光通道范圍為0.75～0.77 μm，光譜分辨率為0.6 cm，信噪比＞300?？梢姽馔ǖ栏采w葉綠素?zé)晒獾囊粋€峰值。Zhang等總結(jié)了具有SIF探測能力的星載傳感器的主要指標(biāo)（表2），均覆蓋了葉綠素?zé)晒獠ㄗV的氧氣吸收帶特征，具有較高的光譜分辨率和較高的信噪比，主要分為以GOAST、OCO-2和TANSAT為代表的超精細(xì)光譜分辨率傳感器和以GOME-2、SCIAMACHY和TROPOMI為代表的高光譜分辨率傳感器。GAS傳感器的高光譜分辨率和高信噪比為葉綠素?zé)晒獾奶崛√峁┝丝赡?。FY-3 03批仍將搭載GAS傳感器，利用GAS可見光波段數(shù)據(jù)反演葉綠素?zé)晒猓瑸橹脖簧鷳B(tài)遙感的監(jiān)測提供一種新的數(shù)據(jù)源，同時擴(kuò)展了氣象衛(wèi)星在生態(tài)遙感中的應(yīng)用?？v觀可用于熒光反演的在軌和即將發(fā)射的衛(wèi)星，高光譜分辨率和高空間分辨率將是星載傳感器反演葉綠素?zé)晒獾谋匾阅苤笜?biāo)。

表2 具有SIF探測能力的星載傳感器的主要性能指標(biāo)，包括已經(jīng)在軌運(yùn)行的和已列入發(fā)射日程的衛(wèi)星[89]Table1 The main performance indicators of satellite-borne sensors with SIF detection capability, including satellitesalready in orbit and those scheduled for launch[89]

6 結(jié)論與建議

基于目前提出的熒光反演方法和當(dāng)前存在的問題，下面對葉綠素?zé)晒獾姆囱萏峁┎糠纸ㄗh。

6.1 研究大氣對熒光提取的影響

近地面不用考慮大氣的影響，機(jī)載/星載數(shù)據(jù)的SIF反演仍然面臨挑戰(zhàn)。因此，在這些情況下提取SIF需要校正大氣影響。近年來，研究人員已經(jīng)成功地從衛(wèi)星數(shù)據(jù)（如SCIMACHY、GOSAT、GOME-2、OCO-2、TROPOMI和TanSat）中反演了SIF，利用反演窗口的特征，可以忽略大氣影響或通過統(tǒng)計方法計算大氣影響。盡管在熒光反演方法中經(jīng)?？紤]大氣效應(yīng)，例如氣溶膠散射和地表壓強(qiáng)等，但其他因素仍需要進(jìn)一步分析，包括旋轉(zhuǎn)拉曼散射（RRS）和雜散光。這些大氣效應(yīng)導(dǎo)致的填充效果不如氧氣吸收帶或Fraunhofer譜線中的熒光填充明顯，但它們?nèi)詴馃晒夥囱菡`差。

考慮到微弱的熒光信號，應(yīng)充分深入地研究大氣影響。近年來，越來越多的人開始關(guān)注大氣對SIF估測的影響。Daumard等認(rèn)為，空氣柱的透射率、路徑輻射和鄰近效應(yīng)是影響氧氣吸收帶深度的3個主要因素，并使用MODTRAN 4來計算大氣和環(huán)境參數(shù)，然后校正測得的地表輻射度以獲得與地表SIF有關(guān)的氧氣吸收譜段信息。Sabater等通過使用MODTRAN的模擬數(shù)據(jù)分析了大氣影響如何影響近距離（塔吊）反演的熒光，并通過將透過率函數(shù)引入FLD或SFM中來提供一種嚴(yán)格校正方法，以改善SIF反演精度。Liu等還使用MODTRAN估算了向上和向下的大氣透射率，以獲得冠層的下層輻照度和上層輻照度，然后通過3FLD方法估測SIF。Celesti等和Verhoef等使用輻射傳輸模型反演方法來估計SIF。此外，F(xiàn)LEX報告中指出，必須進(jìn)行大氣校正以減弱SIF反演中的誤差傳播。在未來的研究中，熒光反演算法將在嚴(yán)格的大氣校正基礎(chǔ)上發(fā)展。

6.2 建立葉綠素?zé)晒怛炞C網(wǎng)絡(luò)

近地面的熒光反演方法已成功應(yīng)用于眾多研究中。沒有大氣的影響，近地面反演的熒光值可以認(rèn)為是“真”值，用于葉綠素?zé)晒獾尿炞C。因此，使用標(biāo)準(zhǔn)光譜測量和熒光檢索技術(shù)，構(gòu)建了地面熒光測量網(wǎng)絡(luò)，獲得“真實”熒光值。隨著更多的熒光衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的出現(xiàn)，迫切需要驗證熒光衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以提高熒光衛(wèi)星的檢索方法和準(zhǔn)確性。

葉綠素?zé)晒怆S植被生化參數(shù)和冠層結(jié)構(gòu)的變化而變化。因此，在不同的環(huán)境條件下，它對植被的反應(yīng)也不同。覆蓋大量被測樣品的熒光驗證網(wǎng)絡(luò)將確保SIF數(shù)據(jù)的整體有效性。在FLEX熒光項目中，提出了“自下而上”的驗證方案來驗證FLEX熒光產(chǎn)品，該產(chǎn)品從基于塔吊的冠層熒光測量開始到景觀水平，包括不同的植被類型和非植被表面，且考慮幾個主要因素，例如測量的地點(diǎn)，植被類型、結(jié)構(gòu)、物候和光合有效輻射（PAR）的范圍等。此外，基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)站點(diǎn)，例如FLUXNET，可以進(jìn)行熒光測量的部署[141-142]。