【产品应用】亚纳米高光谱成像仪评估标准成像仪 SCOPE 模型 SIF 定量精度

　　摘要

　　日光诱导叶绿素荧光(SIF)的高光谱成像技术在植物表型分析和胁迫检测中具有重要的应用价值。然而，最精确的SIF定量仪器，例如亚纳米级别(光谱分辨率<1nm)的机载高光谱成像仪较为昂贵。标准窄带高光谱成像仪(光谱分辨率4-6nm)的成本效益更高，但是标准窄带高光谱成像仪SIF760定量结果可能会受到系统性高估。本研究提出了一种基于土壤-冠层观测、光化学和能量通量SCOPE模型的建模方法，旨在提升标准窄带高光谱成像仪获取的太阳诱导叶绿素荧光。

　　利用从两架机载高光谱成像仪(美国Headwall Photonics公司的 Solar Induced Fluoresence高光谱成像仪，光谱分辨率≤0.2nm和美国Headwall Photonics公司的 Micro Hyperspec VNIR E高光谱成像仪，光谱分辨率 5.8nm)同步获取的机载影像对该方法的性能进行了评估，从标准窄带高光谱成像仪估算出的1nm光谱分辨率的SIF760与参考亚纳米级别高光谱成像仪定量结果相匹配，均方根误差(RMSE)小于0.5mW/m²/nm/sr，R²值达0.93-0.95。

　　1. 引言

　　太阳诱导叶绿素荧光(SIF)是叶绿素a发出的一种微弱电磁信号，它能提供有关植物光合活动和胁迫的有用信息。由于SIF信号叠加在反射的太阳辐射上，且幅度较小(在近红外波段占总上行辐射的1-5%)，因此直接测量SIF信号较为复杂。传感器的能力会影响用于SIF定量的吸收特征的形状，所以需要具有足够光谱分辨率(SR)和信噪比(SNR)的仪器来检测窄吸收特征中的细微变化，以实现准确的SIF定量，因此建议使用亚纳米分辨率的传感器来精确量化SIF。本研究旨在通过建模优化对4-6nm光谱分辨率高光谱成像仪数据定量的解释，解决实际应用中的偏差问题。

　　2. 研究方法

　　2.1 研究地点

　　本研究在澳大利亚的维多利亚州的两个地点进行研究，地点1种植了不同品种的雨养小麦(图1)，地点2种植单一玉米品种(图1)。两个地点均进行了地面叶片测量和气象数据采集，测量叶绿素含量、氮平衡指数等，并记录气象条件。

　　2.2 高光谱航空测量

　　使用两台高光谱成像仪在进行空中遥感，获取高分辨率高光谱图像。一台为美国Headwall Photonics公司的Hyperspec VNIR E高光谱成像仪，光谱范围覆盖400-1000nm，光谱分辨率为5.8nm;另外一台为美国Headwall Photonics公司的Hyperspec Solar-Induced Fluoresence日光诱导叶绿素荧光光谱仪，光谱范围覆盖670-780nm，光谱分辨率为≤0.2nm。高光谱成像仪通过积分球进行辐射定标，使用MODTRAN模型进行大气校正，并利用惯性测量单元和GPS数据进行正射校正。研究使用NDVI识别植被像素，并计算平均辐射亮度和反射率光谱。采用O₂- A 波段填充法结合弗劳恩霍夫线深度(FLD)原理，利用3个光谱带(3FLD)量化SIF760，并对其进行了非荧光土壤目标校正和反射率归一化处理。

　　2.3 建模

　　使用SCOPE模型和局部敏感性分析，研究人员探究了单个植物性状(如叶片叶绿素含量C_a+b、叶面积指数LAI、叶倾角分布函数LIDF_a)以及荧光发射效率_εF对SIF760-3FLD定量的独立影响。此次研究单独变动各参数，进行1000次模拟，模拟结果卷积匹配标准窄带高光谱成像仪，比较不同模拟间的SIF760-3FLD与SCOPE模型直接模拟的1nm半高宽下的SIF760，以此明晰关键参数对低分辨率传感器定量的绝对SIF760的相对影响。

　　利用SCOPE模型的光学辐射传输程序(RTMo)，从标准窄带高光谱图像的冠层顶部反射光谱反演生物物理和生化性状。假设标准窄带高光谱图像的传感器视角在空间上保持恒定且为天底方向，根据图像采集的时间和地点，计算出太阳天顶角，根据Microtops II手持太阳光度计计算大气气溶胶厚度，基于MODTRAN模拟结果和便携式气象站数据，计算每个研究地点的直接和漫射辐照度以及气象参数(气温和气压)，用于运行RTMo模型。地点1设置了氮肥验证区，该区域包含20个地块，设置了5种不同的氮肥处理。利用按氮肥处理分类的平均叶片水平测量值评估估算的C_a+b。由于缺乏实地测量数据，结构参数LAI只能与相关的窄带指数 —— 增强植被指数(EVI)进行比较。

　　将估算的植物性状和每个研究地点特定的气象参数(气温和气压)作为输入，结合MODTRAN模拟的漫射和直射太阳辐射，正向运行SCOPE模型。采用高斯光谱响应函数对默认1nm光谱分辨率的输出进行卷积处理，将卷积后的5.8nm光谱分辨率的SCOPE模拟辐射光谱与5.8nm高光谱成像仪获取的机载辐射进行比较，量化O₂-A吸收特征深度和NIRv，通过线性回归模型，从5.8nm光谱分辨率估算1nm的SIF760，并使用亚纳米分辨率机载高光谱图像评估模型性能，比较R2、RMSE和nRMSE指标。

　　3. 结论

　　本研究基于SCOPE模型，将标准分辨率机载高光谱成像仪的SIF760-3FLD尺度转换为高分辨率SIF。实验显示，该方法在两个作物冠层实验田地上表现良好，且与参考SIF760高度一致。该方法解决了SIF760-3FLD高估问题，并将SIF检索结果缩放到更精细的光谱分辨率。准确量化SIF对农业重要，但亚纳米分辨率高光谱成像仪器难以获得，故需采用适当方法和物理模型解释标准传感器SIF。选择适合的物理模型和建模方法对推进研究至关重要。

　　原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jag.2024.104198

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