基于碳衛(wèi)星的中國東北地區(qū)葉綠素熒光反演

李石磊，高懋芳※，李召良，李方杰，高 雅，廖前瑜

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感重點實驗室，北京100081；2. 黑龍江大學電子工程學院，哈爾濱150080；3.桂林理工大學測繪地理信息學院，廣西 桂林541004）

0 引言

地球上的生命依靠太陽的能量生存，而光合作用是唯一能捕捉這種能量的生物途徑。植物從外界獲取能量有3 種消耗途徑：光合作用、熱耗散以及以葉綠素熒光形式向外散發(fā)［1］。葉綠素熒光是指葉片受光激發(fā)后，葉綠素分子由高激發(fā)態(tài)向基態(tài)轉(zhuǎn)換時在可見光—近紅外區(qū)域發(fā)出的紅光及遠紅光［2］。葉綠素熒光是光合作用的副產(chǎn)品，與光合作用密切相關。一般植物的葉綠素熒光光譜范圍在400～800 nm 之間，如圖1 所示，其中有3 個明顯的熒光峰，波長分別在440 nm，685 nm 和740 nm 處［3］。

葉綠素熒光與光合作用關系密切，可以用來檢測植物受脅迫狀態(tài)［4］，估測全球植被總初級生產(chǎn)力［5-7］，對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)［8］和全球氣候變化的研究具有重要意義。因此許多國內(nèi)外專家學者開展了很多葉綠素熒光的研究。Frankenberg 等［5］證明了全球尺度觀測的葉綠素熒光與植被總初級生產(chǎn)力GPP 之間有著極強的線性關系。Joiner等［9］利用日本溫室氣體觀測衛(wèi)星GOSAT 提取出KI 夫瑯和費暗線的葉綠素熒光和相關參數(shù)。Guanter 等［10］使用GOSAT 衛(wèi)星平臺上的傅里葉變換光譜儀（Fourier Transform Spectrometer，F(xiàn)TS），利用奇異向量分解技術建立線性正演模型，通過幾條強夫瑯和費暗線來反演葉綠素熒光。Joiner 等［11］使用全球臭氧監(jiān)測儀器GOME-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用主成分分析法來提取熒光信息。劉新杰等［12］同樣利用GOSAT 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，選取770 nm 附近的KI 夫瑯和費暗線，設計加權最小二乘法來提取中國區(qū)域的熒光信息。K?hler 等［13］在Joiner 所做工作的基礎上，應用反向消除算法來優(yōu)化要擬合的系數(shù)個數(shù)，從而降低了提取噪聲和自動選擇狀態(tài)向量的個數(shù)，利用中等分辨率儀器GOME-2和SCIAMACHY 提取出了葉綠素熒光。Du 等［14］首次利用中國碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)基于奇異矢量分解（Singular Value Decomposition，SVD）統(tǒng)計方法提取出758.8 nm 處的葉綠素熒光。

圖1 典型植被光譜和紫光激發(fā)的熒光光譜［3］Fig.1 Typical vegetation spectra and fluorescence spectra induced by violet light［3］

770.1 nm 的KI 太陽夫瑯和費暗線因其深度較大且受大氣影響較小，所以對于衛(wèi)星平臺反演葉綠素熒光來說具有獨特的優(yōu)勢［9，12］。目前，對碳衛(wèi)星提取葉綠素熒光的研究較少，文章基于中國TanSat 衛(wèi)星的高光譜數(shù)據(jù)，選取KI 夫瑯和費暗線作為窗口，利用簡化物理模型的方法來反演得到2018 年7 月中國東北地區(qū)的熒光信息，并將所得結果與OCO-2 熒光產(chǎn)品進行對比。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

該文的研究區(qū)是中國東北地區(qū)（圖2），包括黑龍江省、吉林省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)東部5 個盟市（呼倫貝爾市、通遼市、赤峰市、興安盟和錫林郭勒盟），位于115°13′E～135°05′E 和38°43′N～53°33′N 之間。研究區(qū)全境土地面積152 萬km2，主要用地類型可分為四大類，分別是林地、草地、耕地和其他用地，其中耕地面積約2 666.7 萬hm2，草原面積4 600 萬hm2，地勢以平原為主，包括松嫩平原、遼河平原和三江平原。研究區(qū)自南向北跨越中溫帶和寒溫帶，屬溫帶季風氣候，四季分明，夏季溫熱多雨，冬季寒冷干燥。

圖2 研究區(qū)概況（a）及地表覆蓋類型圖（b）Fig.2 General situations of study region（a） and surface coverage type （b）

1.2 碳衛(wèi)星數(shù)據(jù)

中國首顆全球二氧化碳觀測科學實驗衛(wèi)星，簡稱碳衛(wèi)星，由中國科學院與中國國家氣象局等合作開發(fā)，于2016 年12 月22 日發(fā)射，是繼日本和美國之后的全球第三個“嗅碳”衛(wèi)星。碳衛(wèi)星為太陽同步衛(wèi)星，平均軌道高度700 km，過境時間為當?shù)貢r間13：30，重訪周期為16 d，空間分辨率為2 km×2 km［15］。

碳衛(wèi)星有兩個主要載荷：云和氣溶膠偏振成像儀（CAPI）和高光譜溫室氣體探測儀（ACGS）。CAPI 探測數(shù)據(jù)主要用于判斷像元是否受云影響。ACGS 有3 套結構相似的光柵光譜儀，分別實現(xiàn)對0.76 μm（O2-A band）、1.61 μm（Weak CO2band）和2.06 μm（Strong CO2band）3 個波段的輻射信息進行高光譜探測［16-17］。該文用到的是中心波長為0.76 μm 的O2-A 波段，共有1 242 個通道，光譜覆蓋范圍為757.4～778.0 nm，光譜分辨率為0.044 nm，光譜采樣間隔為0.005 nm。

TanSat L1B 數(shù)據(jù)提供了大氣層頂部的輻亮度數(shù)據(jù)和日定標輻照度數(shù)據(jù)。碳衛(wèi)星輻亮度和對日定標輻照度波長提取公式如下：

式（1）中，λ代表波長，C代表色散系數(shù)，P代表通道數(shù)，提取結果樣例如圖3 所示。需要指出的是，由于各個足跡點對應的輻照度光譜曲線差異不大，此處采用的輻照度光譜曲線是碳衛(wèi)星9 個足跡點的輻照度觀測值求平均得到的一個復合光譜。由于儀器性能或者校準誤差會造成一定的光譜偏移，該文在反演之前對有偏移的輻亮度和輻照度光譜進行了光譜偏移校正。

圖3 碳衛(wèi)星輻亮度（a）和輻照度光譜曲線（b）Fig.3 Radiance（a）and irradiance（b）spectral curve of TanSat satellite

1.3 MODIS 數(shù)據(jù)

MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）是 搭 載 在Terra 和Aqua 衛(wèi)星上的傳感器，Terra 是上午軌道衛(wèi)星，過境時間為當?shù)厣衔?0：30，Aqua 衛(wèi)星的過境時間為當?shù)貢r13：30，與碳衛(wèi)星一致，為了保持使用數(shù)據(jù)的時間一致性，該文選用Aqua 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進行有云像元剔除，所用到的數(shù)據(jù)集為云掩膜產(chǎn)品MYD35_L2 和定位產(chǎn)品MYD03。

1.4 用于對比的熒光產(chǎn)品

OCO-2 衛(wèi)星（Orbiting Carbon Observatory-2）由美國國家宇航局NASA 研制開發(fā)，用于研究大氣層中CO2含量，F(xiàn)rankenberg 等［8］發(fā)現(xiàn)OCO-2 衛(wèi)星也有探測葉綠素熒光的能力，并且相比于GOME-2 和GOSAT 衛(wèi)星，它能更精確地獲取熒光信息。OCO-2 衛(wèi)星重訪周期是16 d，過境時間為當?shù)貢r間13：30，空間分辨率為1.3 km×2.25 km，該文采用的對比數(shù)據(jù)是OCO-2 熒光產(chǎn)品771 nm 處的熒光值。

2 研究方法

2.1 反演算法

熒光信號相對于反射信號來說是十分微弱的，只占地表反射信號的很小一部分，一般為1%～5%。KI 夫瑯和費暗線在770.1 nm 附近，中緯度夏季垂直模式下觀測時，KI 夫瑯和費暗線附近的大氣透過率接近于1，因此可以利用KI 夫瑯和費暗線進行熒光信號探測［12］。

圖4 輻照度/輻亮度歸一化光譜曲線Fig.4 Irradiance/radiance normalized spectral curve

式（2）中，I（λ）表示傳感器接收到的輻亮度，I0（λ）表示大氣程輻射，Td（λ）為大氣下行透過率，Tu（λ）為大氣上行輻射透過率，Sb（λ）為大氣下邊界反射率，E（λ）為太陽輻照度，θ為太陽天頂角。

研究的感興趣波段范圍是769.95～770.25 nm，由于在這個波段范圍內(nèi)大氣透過率較高，所受大氣影響較小，因此忽略大氣散射和吸收影響，可以令Sb=0，I0=0，Tu=1，Td=1，公式（2）可以簡化為：

該文基于公式（3）利用線性最小二乘擬合對熒光值F進行計算，式（3）中的太陽天頂角θ和反射率R與計算的熒光值無關，可以看作常數(shù)K，故有：

由于該文是用最小二乘法計算熒光值，如果769.95～770.25 nm 波段范圍內(nèi)的輻照度數(shù)據(jù)的變化范圍過小，則會導致擬合效果不理想，給計算結果帶來很大的不確定性。770.1 nm 的KI 夫瑯和費暗線附近存在微弱的氧氣吸收波段，該文所用的算法沒有到考慮大氣影響，同樣會導致計算結果不穩(wěn)定。因此，計算熒光值F時，采用加權最小二乘法進行計算，將KI 吸收線內(nèi)的采樣點權重設為15，吸收線外采樣點權重設為0，從而避免氧氣吸收線和太陽輻照度變化較小帶來的影響［12］。

2.2 剔除有云像元

該文利用MRTSwath 工具對MYD35_L2 產(chǎn)品和MYD03 產(chǎn)品進行預處理，得到包含研究區(qū)的云掩膜數(shù)據(jù)，然后用Matlab 對該數(shù)據(jù)進行進制轉(zhuǎn)換，得到像元值為0 和1 的柵格圖像，1 代表有云區(qū)，0 代表無云區(qū)，再利用ArcMap 軟件提取出無云區(qū)，根據(jù)提取結果對計算所得的熒光結果進行裁剪，最終得到無云區(qū)的熒光值。

3 結果與分析

3.1 反演結果

該文利用碳衛(wèi)星2018 年7 月的L1B 數(shù)據(jù)對中國東北地區(qū)的葉綠素熒光強度進行了反演，結果如圖5 所示。碳衛(wèi)星是通過打點形式進行工作的，剔除受云影響的像元之后，研究區(qū)內(nèi)所剩的有效值點減少，但依然可以看出：東北地區(qū)葉綠素熒光強度高值分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟的中部和西部，通遼市的中部，興安盟的西部，遼寧省的中部和東部，吉林省的西南部和黑龍江的西部地區(qū)。

圖5 2018 年7 月中國東北地區(qū)葉綠素熒光強度分布Fig.5 Chlorophyll fluorescence intensity distribution of the Northeast China in July 2018

3.2 對比分析

為了驗證反演葉綠素熒光結果的可靠性，采用OCO-2 衛(wèi)星的熒光產(chǎn)品與所得結果進行對比分析。圖6 和圖7 分別展示了用于對比的區(qū)域和基于物理模型方法獲取的葉綠素熒光與OCO-2 衛(wèi)星的熒光產(chǎn)品的散點圖，結果表明OCO-2 衛(wèi)星熒光產(chǎn)品與該文結果線性關系良好，R2為0.79，說明兩者具有較高的一致性；但是也有少量散點偏離擬合線，這可能是由于觀測中的隨機誤差和反演算法之間的差異造成的。

圖6 OCO-2 衛(wèi)星（a）和碳衛(wèi)星（b）和對比區(qū)Fig.6 Diagram of the contrast area between OCO-2 satellite （a） and TanSat satellite（b）

3.3 不確定性分析

引起上文提到的結果對比圖中少量散點與擬合線之間偏離的原因可能有以下兩點：一是由于不同反演算法之間原理不一樣，可能會帶來個別點的異常值；二是該文沒有對碳衛(wèi)星光譜儀所采集到的觀測數(shù)據(jù)進行過濾與質(zhì)量控制，可能會使少量奇異光譜參與了計算，最終導致個別結果存在較大差異。

圖7 碳衛(wèi)星熒光值與OCO-2 衛(wèi)星熒光產(chǎn)品對比Fig.7 Comparison of fluorescence values between TanSat and OCO-2 satellite products

該文從衛(wèi)星尺度獲取葉綠素熒光信息的難點在于熒光信號相對于地面反射信號較弱，不易提取，采用的簡化物理模型算法是基于熒光對KI 夫瑯和費暗線的填充來提取葉綠素熒光信息，忽略了769.95～770.25 nm 波段范圍內(nèi)的大氣吸收和散射，雖然在這個波段范圍內(nèi)大氣影響很小，但是不考慮大氣影響會對結果造成一定的影響。

研究表明，旋轉(zhuǎn)拉曼散射的填充效應取決于太陽天頂角和地表反照率。一般來說，在769.95～770.25 nm 波段范圍內(nèi)大氣散射效應很小，但是由于KI 夫瑯和費暗線深度較大，導致旋轉(zhuǎn)拉曼散射也會與熒光一樣對夫瑯和費暗線有相似的填充效應，導致葉綠素熒光最終的反演結果有誤差。

4 結論與展望

該文利用碳衛(wèi)星的L1B 級數(shù)據(jù)反演了中國東北地區(qū)2018 年7 月份的葉綠素熒光信息，通過與已有的OCO-2 熒光產(chǎn)品的對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者結果具有較好的一致性，表明本文用到的方法可以較好的反演出葉綠素熒光。

盡管日光誘導葉綠素熒光的研究還處在起步階段，但卻得到了學術界的廣泛關注。日光誘導葉綠素熒光是發(fā)射光譜，與植物光合作用能力、受脅迫狀況、生理狀況息息相關，已有大量室內(nèi)外實驗證明，葉綠素熒光可以作為研究植物光合作用的探針。同時，它也反映了豐富的植物光合生理功能方面的信息。葉綠素熒光比基于植被指數(shù)的植被監(jiān)測方法更有優(yōu)勢，它可以快速、靈敏地捕捉到環(huán)境脅迫所引起的植物生理變化，對研究植物的生理信息和健康狀態(tài)具有重要的指導意義。

目前，學者們已經(jīng)做了一些關于日光誘導葉綠素熒光的工作，但深層次研究還有待進一步開展。除了植物自身的生理、生化因素的影響外，葉綠素熒光還與外部環(huán)境有關，如光照強度、溫度、濕度等；在太陽光的照射下，綠色植被會發(fā)射葉綠素熒光，但隨著植被的種類和生長狀態(tài)等不同，葉綠素熒光也會呈現(xiàn)出不同的特征；傳統(tǒng)意義上認為熒光是有方向性的，而當前的大部分研究都沒有考慮熒光的方向性；雖然反演葉綠素熒光的算法有很多，但是缺少一個準確合理的驗證方法。