用衛星去捕捉植物生長那一點微弱的光

　　2017-11-29 07:30植物

　　近日想來大家都和小編一樣，被一條令人振奮的新聞刷屏了，那就是中國碳衛星數據對全世界開放共享了。這可是一件了不起的事情，意味著繼日本（「呼吸號」GOSAT衛星）、美國（「軌道碳觀測者」OCO-2衛星）之後，中國成為第三個可以提供碳衛星數據的國家。這顆神奇的「碳衛星」全稱叫全球二氧化碳監測科學實驗衛星，被譽為我國的「擔當之星」，主要目的就是監測全球二氧化碳濃度在不同區域、不同季節的變化，準確掌握大氣二氧化碳的分佈和流向，讓「碳」為觀止。

　　殊不知，這顆衛星還有另一個重要殺手鐧，即捕捉植物生長所發出的微弱光芒——葉綠素熒光。這得從一個「意外的發現」說起：當利用日本2009年成功發射的「呼吸號」GOSAT衛星探測二氧化碳濃度時，研究人員不得不擺脫一個難纏的傢伙，即葉綠素熒光噪音，研究表明，若熒光佔到背景輻射的1%，就可對二氧化碳濃度的探測造成高達1ppm的系統偏差，而這一偏差往往是不可忽視的；為了提高二氧化碳濃度的探測精度，研究人員利用經典的全物理模型（Full-physics），意外地分離出熒光信號，不僅可消除熒光噪音的影響，而且變「廢」為寶，開啟了葉綠素熒光衛星遙感新時代。

　　

　　植物光芒--太陽誘導葉綠素熒光的產生

　　葉綠素熒光是植物生長發出的光芒，被稱為植物光合作用的理想「探針」，在揭示植物細胞生物物理過程方面具有獨到之處，可及時準確反映植物光合作用的真實工作狀態、診斷植物的亞健康狀況等，目前主要應用於植物生理生態學微觀尺度研究中。然而，衛星尺度葉綠素熒光成功觀測的意外發現，迅速引起了全球地球科學學者的極大關注與興趣，這意味著可通過全球植被熒光製圖來測量植被中所存儲的碳，對於精確把握植被生長狀態、準確了解全球碳匯分佈和進一步理解陸表植被對氣候變化的響應具有重要意義。有科學家甚至認為熒光探測是GOSAT、OCO-2等溫室氣體衛星最具創新性和革命性的觀測任務，而不是溫室氣體探測本身；著名的全球生態學家、美國科學院院士Joseph A Berry也曾說：「Fluorescence is the new 『big thing』 in Earth Observation」。2015年9月，歐洲空間局（ESA）在波蘭華沙宣布熒光衛星計劃（FLEX）打敗了強有力的競爭對手碳監測衛星CarbonSat，獲全額支持，正式被選為ESA第八代地球探測衛星，計劃2022年前後發射；我國預計2020年發射的中國陸地生態系統碳衛星也搭載了專門探測葉綠素熒光的超光譜成像儀。葉綠素熒光在短短的近十年間，已然逆襲成為對地觀測領域最前沿的研究熱點。

　　

　　2015年9月歐空局（ESA）宣布熒光衛星計劃（FLEX）獲全額支持（來源於ESA官網）

　　目前具備探測葉綠素熒光的衛星感測器多達10餘種，例如日本的GOSAT、美國的OCO-2、歐空局的GOME-2、SCIAMACHY和TROPOMI以及我國的碳衛星TanSat等。然而，要想從這些衛星上成功提取到植被發射的熒光信號並非易事：首先，在太陽光誘導下，植被葉綠素髮射熒光的量非常少，在可見光波段通常不足吸收光能的2%；其次，葉綠素熒光往往疊加在占絕對優勢的植被反射能量中，且受諸多因素影響，使得葉綠素熒光的準確提取面臨巨大挑戰。可以說，葉綠素熒光遙感當前面臨的主要矛盾便是：人們日益增長的熒光應用需要與曲高和寡的熒光衛星反演之間的矛盾。

　　為解決葉綠素熒光衛星反演難題，1975年，Plascyk等基於德國物理學家約瑟夫·馮·夫琅和費發現的太陽光譜中的吸收線（即夫琅和費線），巧妙地提出了夫琅和費暗線填充法（Fraunhofer Line Discrimination, FLD），即利用太陽誘導葉綠素熒光對夫琅和費暗線的「井」填充效應，通過比對原始太陽吸收暗線的深度及經熒光填充后的吸收暗線深度，就可以實現熒光的遙感反演。因此，問題的核心就是要準確得到未被熒光填充的原始太陽暗線和被熒光填充后的太陽暗線。

　　

　　太陽誘導熒光（SIF）對夫琅和費暗線的「井」填充效應：改變了夫琅和費暗線的深度

　　目前在衛星尺度反演葉綠素熒光，主要有三種思路：第一種思路就是利用地球大氣（如O2-A與O2-B）吸收導致的暗線進行熒光反演，這種思路需要進行嚴密的大氣訂正，以消除地球大氣對植被發射熒光的吸收與散射等影響；第二種思路則完全避開地球大氣吸收線，利用大氣窗口內的一條或少數幾條太陽大氣吸收線（如Ha等）進行熒光反演，這種思路無需考慮地球大氣的影響，但劣勢在於對衛星感測器光譜解析度的要求極高（通常優於0.1 nm），且對雜訊極為敏感；第三種思路則綜合利用地球大氣吸收暗線和大氣窗口內的太陽大氣吸收暗線進行熒光反演，這種思路可有效克服前兩種思路的缺陷，但這類方法大都是半經驗性的，好賴與否很大程度上取決於對模型經驗參數的設置及數據集的篩選等。這裡每一種熒光衛星反演思路都包括很多具體演演算法，這些演演算法各有優劣，適用性各不同，可謂甘瓜苦蒂，天下物無全美，實際工作中需要根據衛星數據源的特點而選擇不同的演演算法。

　　

　　基於線性數據驅動演演算法反演得到的2016年1月全球植被葉綠素熒光分布圖

　　葉綠素熒光來源於植物的光合器，是植物光合作用的副產品，與植被總初級生產力（gross primaryproductivity, GPP）和植被受脅迫狀態密切相關。衛星探測葉綠素熒光的可能，使原本為噪音的熒光變「廢」為寶，有望為全球植被監測提供一種全新有效的手段！

　　以上內容來源於《遙感學報》待出版的綜述論文《太陽誘導葉綠素熒光的衛星遙感反演方法》，更多詳情，敬請期待。

　　來源：中國科學院遙感與數字地球研究所