基于我国首颗碳卫星的日光诱导叶绿素荧光定量反演方法研究

The physical model and the statistical model are widely used in the sun-induced fluorescence (SIF) retrieval from the hyperspectral data. Because of the weak fluorescence signal and atmospheric effects, these algorithms need to correct the atmospheric effects and improve the fluorescence retrieval accuracy. With the advantages of high spectral resolution and signal-to-noise ratio of TanSat satellite, this project aims to develop a method of retrieving the SIF from TanSat satellite. Firstly, we analyze the sensitivity of the fluorescence retrieval to the atmospheric parameters in the franuhofer lines based on the simulated data. Furthermore, under the assumption that the atmospheric effects are not affected by the type of underlying surface, we develop a method to derive the SIF by estimating the atmospheric transmittance using the principal component analysis of no-fluorescence objects. In the end, we evaluate the accuracy of the retrieved SIF using field measurements and cross-validation methods. This project can provide a foundation for generate the reliable SIF product using TanSat data, and it is also expected to serve the vegetation monitoring and global carbon cycle. Therefore, it has important theoretical significance and practical value.

目前日光诱导叶绿素荧光（SIF）反演多是利用物理模型和统计算法，由于荧光信号微弱，受大气影响明显，导致SIF反演精度较低。针对此问题，本研究拟针对我国碳卫星TanSat数据的高光谱分辨率和高信噪比特性，改进现有SIF反演模型，提高SIF的反演精度，开展碳卫星数据的SIF反演研究。首先，针对现有算法中假设夫琅禾费暗线窄波段处大气影响可以忽略或者简化，基于模拟数据，开展夫琅禾费暗线窄波段处SIF反演对大气影响的敏感性研究。其次，基于可见光-近红外辐射传输理论，利用无荧光地物反射率的主成分分析估测大气透过率，建立SIF反演模型，实现碳卫星SIF反演。最后，利用野外地面观测试验和卫星荧光产品交叉验证，分析和评价碳卫星SIF反演的精度。本研究可为我国首颗碳卫星SIF产品的生成奠定基础，为地表植被健康状况的监测和全球碳循环提供可靠的数据支持，具有重要的理论和应用价值。

植被叶绿素荧光从80年代不断被证明是监测植被生理状态变化的有效、无损和直接的探针。叶绿素荧光、光合作用和热耗散是植被吸收能量的三大耗散途径。叶绿素荧光可以作为衡量光合作用的指标。由于植被的光合作用和叶绿素之间的关系密切，监测叶绿素荧光的变化，可以作为监测全球植被变化和气候变化的有效手段。叶绿素荧光的信息十分微弱，如何从植被反射的能量中分离出叶绿素荧光信号是个关键问题。本项目针对碳卫星高光谱分辨率的特点，基于辐射传输方程，建立适合碳卫星的叶绿素荧光反演算法，为碳卫星在植被遥感监测中的应用提供基础。结果表明，本项目基于碳卫星反演的叶绿素荧光与已有的星载叶绿素荧光产品具有较好的一致性，能够很好的反应叶绿素荧光的变化趋势。.在完成本项目预定的研究目标基础上，项目团队成员继续扩展了叶绿素荧光在植被监测中的应用研究。传统的植被干旱监测中的手段是利用热红外遥感和可见光遥感。对云南省6个地区的叶绿素荧光、地表温度、归一化植被指数、土壤含水量、降雨和GPP的长时间序列分析，结果表明叶绿素荧光对植被水分胁迫状态的反应要早于地表温度、归一化植被指数和GPP，说明了叶绿素荧光在监测植被早期水分胁迫上的可行性。此外，通过文献调研，总结了冠层尺度和卫星尺度上的叶绿素荧光反演算法。.项目实施以来，通过一系列技术攻关，完成了叶绿素荧光反演方法研究，并额外开展了叶绿素荧光的应用研究。依托本项目的研究，发表SCI论文3篇（其中第一项目标注2篇）。