Выяўленне і прымяненне індукаванай сонечным святлом флуарэсцэнцыі хларафіла на аснове касмічнага гіперспектрометра

Малюнак 1. Размеркаванне SIF у паўночнай Нігерыі, Афрыка, па стане на 8 красавіка 2025 года.

У цяперашні час большасць дадзеных аб флуарэсцэнцыі хларафіла (SIF), выкліканай сонечным святлом, маюць дыскрэтную кропкавую форму з рэдкім прасторавым пакрыццём.

Мы выкарысталі гіперспектральны прыбор са спектральным разрозненнем 0,48 нм для правядзення даследаванняў флуарэсцэнцыі хларафіла з высокім разрозненнем, спадзеючыся запоўніць прабел у існуючай спадарожнікавай платформе для індукаванай сонечным святлом флуарэсцэнцыі хларафіла з больш высокім прасторавым разрозненнем.

Табліца 1. Асноўныя паказчыкі эфектыўнасці некаторых касмічных датчыкаў з магчымасцямі выяўлення SIF

*Спасылка: Zhang, Lifu; Wang, Siheng; Huang, Changping. 2018. Метад інверсіі спадарожнікавага дыстанцыйнага зандзіравання для вызначэння флуарэсцэнцыі хларафіла, індукаванай сонцам. Journal of Remote Sensing, 22(1): 1-12

Асновы разліку SIF

Частка светлавой энергіі, паглынаемай расліннасцю, не выкарыстоўваецца для фотасінтэзу, а выпраменьваецца ў выглядзе флуарэсцэнцыі ў выглядзе доўгіх хваль. Флуарэсцэнцыя хларафіла знаходзіцца ў чырвоным і далёкім чырвоным дыяпазонах расліннасці (650-800 нм). Як пабочны прадукт фотасінтэзу, флуарэсцэнцыя арганічна звязана з механізмам фотасінтэзу і можа непасрэдна адлюстроўваць фотасінтэтычны патэнцыял расліннасці.

Флуарэсцэнцыя спрыяе бачнаму адлюстраванню кроны; пікі адлюстравання пры 685 і 760 нм можна назіраць з дапамогай спектрометра з субнанаметровым разрозненнем. Пры 685 нм флуарэсцэнцыя складае 10–20% бачнага адлюстравання, а пры 740 нм — 2–6%.

У вобласці чырвонай аблямоўкі расліннасці (650-800 нм) флуарэсцэнцыя спрыяе бачнаму адлюстраванню.

Перавагі SIF у параўнанні з вегетацыйнымі індэксамі: вегетацыйныя індэксы на аснове адлюстравання не могуць своечасова выявіць раннія прыкметы анамальнага росту расліннасці на пачатковых стадыях анамалій навакольнага асяроддзя, дэманструючы адставанне. SIF, з іншага боку, можа выяўляць анамаліі больш адчувальна.

Малюнак 2. Размяшчэнне схаваных ліній Фраўнгофера і Феэма

Метад запаўнення цёмнымі лініямі Фраўнгофера: з-за паглынання атмасферай сонечны спектр утрымлівае мноства тонкіх цёмных ліній, вядомых як цёмныя лініі Фраўнгофера. Сігналы флуарэсцэнцыі можна колькасна вымераць на пэўных даўжынях хваль, аслабленых сонечным спектрам.

Сонечнае выпраменьванне мае тры асноўныя паласы паглынання ў чырвоным і блізкім інфрачырвоным дыяпазонах: лінію Hα пры 656,3 нм (прадстаўленую паглынаннем атмасфернага вадароду) і лініі паглынання O2 у атмасферы Зямлі пры 687 нм і 760 нм. Гэтыя паласы звычайна перакрываюцца са спектрам выпраменьвання флуарэсцэнцыі хларафіла. Тэхналогія дыстанцыйнага зандзіравання флуарэсцэнцыі параўноўвае глыбіню спектральных ліній сонечнага выпраменьвання з глыбінёй спектральных ліній выпраменьвання раслін, вымяраючы колькасць флуарэсцэнцыі, якая выпраменьваецца ў выніку караткахвалевага ўзбуджэння, каб да пэўнай ступені запоўніць «калодзеж» Фраўнгофера. «Калодзеж» Фраўнгофера ўяўляе сабой лінію паглынання ў пэўным дыяпазоне даўжынь хваль, нагадваючы «калодзеж».

Калі выказаць здагадку, што спектральны каэфіцыент адлюстравання R расліннасці ў цёмнай лініі Фраўнгофера і сумежных спектральных абласцях аднолькавы, інтэнсіўнасць флуарэсцэнцыі f расліннасці ў цёмнай лініі Фраўнгофера і сумежных спектральных абласцях разлічваецца па наступнай формуле:

Малюнак 3. Прынцып выяўлення флуарэсцэнцыі на цёмнай лініі Фраўнгофера

a, b: Інтэнсіўнасць спектру сонечнага выпраменьвання, вымераная з дапамогай эталоннай пласціны ў цёмнай лініі Фраўнгофера і сумежных спектральных абласцях.

c, d: Інтэнсіўнасць спектру апрамененасці, адлюстраванага раслінным полагам у цёмнай лініі Фраўнгофера і сумежных спектральных абласцях.

λ0: Цэнтральная даўжыня хвалі цёмнай лініі Фраўнгофера.

Паколькі R не залежыць ад флуарэсцэнцыі, флуарэсцэнцыю хларафіла можна вымераць, проста вымераўшы спектральную адлюстравальнасць, сонечную радыяцыю і адлюстраванне кроны раслін у цёмнай паласе Фраўнгофера.

Розныя віды расліннасці і іх умовы прыводзяць да розных суадносін адноснай інтэнсіўнасці флуарэсцэнцыі пры 760 нм і 687 нм, разлічаных з дапамогай FLD, што можа быць выкарыстана ў якасці асновы для ацэнкі фізіялагічнага стану раслін.

Узор дадзеных

Малюнак 4. Прыклад піксельнага спектру расліннасці

Малюнак 5. Пік паглынання O2A

На малюнку вышэй паказаны тыповы спектр расліннасці спадарожніка 04. Можна назіраць пік паглынання O2B каля 687 нм, пік паглынання O2A каля 760 нм і пік паглынання H2O каля 720 нм. У параўнанні са стандартным спектрам паглынання Фраўнгофера, спектральныя пазіцыі дакладныя, а ўплыў спектральнага зрушэння нязначны (

Разлік SIF

Палепшаны метад запаўнення цёмнымі лініямі Фраўнгофера (iFLD) сплайн-інтэрпаляцыі

На аснове метаду запаўнення цёмнымі лініямі Фраўнгофера (FLD) былі ўнесены паляпшэнні ў выбар эталонных і суседніх палос. Усяго было адабрана 8 палос у адпаведнасці з шырынёй піка паглынання, і для падбору фонавага спектру выкарыстоўваліся сплайн-функцыі.

Малюнак 6. Дыяпазон палос, які выкарыстоўваецца для падбору

Малюнак 7. Вынікі апраксімацыі і інтэрпаляцыі сплайн-функцый (пікселі 1, 2 і 3 адпаведна прадстаўляюць пікселі хмызняку, сельскагаспадарчых угоддзяў і будынкаў).

Як паказана на малюнку вышэй, пункцірная лінія прадстаўляе вынікі апраксімацыі з выкарыстаннем васьмі палос паблізу піка паглынання O2A. Паколькі палосы 211 і 212 размешчаны па абодва бакі ад піка паглынання O2A, сярэдняе значэнне, 760,43195 нм, выкарыстоўваецца ў якасці значэння выпраменьвання, на якое ўплывае SIF, а таксама ў якасці мэтавай даўжыні хвалі для апраксімацыі сплайн-функцыі. На малюнку вышэй, унізе квадратычнай функцыі, розніца паміж зыходным спектральным значэннем і значэннем, апраксімаваным сплайн-функцыяй, — гэта частка, запоўненая SIF, якая з'яўляецца інтэнсіўнасцю SIF.

Зыходзячы з рэальных умоў мясцовасці, раслінны покрывак хмызняковых пікселяў Pixel 1 значна ніжэйшы, чым у сельскагаспадарчых угоддзяў, а інтэнсіўнасць фотасінтэзу таксама ніжэйшая, чым у сельскагаспадарчых угоддзяў у перыяд іх актыўнага росту. Такім чынам, значэнне SIF значна ніжэйшае, чым у сельскагаспадарчых угоддзяў Pixel 1. Pixel 3, будучы забудаванай тэрыторыяй, забяспечвае SIF толькі невялікай колькасцю ландшафту і зялёных дрэў, што прыводзіць да найніжэйшага значэння SIF.

Праверка вынікаў SIF

Малюнак 8. Параўнанне вынікаў разлікаў для розных палос паглынання

На малюнку вышэй паказаны вынікі SIF з выкарыстаннем розных пазіцый палос і параўнанне іх з NDVI па тых жа дадзеных Sentinel-2. Як паказана, SIF з выкарыстаннем паласы O2A мае найменшы шум, і размеркаванне дадзеных блізкае да размеркавання дадзеных NDVI. Паласа O2B, з-за меншай глыбіні паглынання, паказвае значны шум, але тэндэнцыя размеркавання ўсё яшчэ бачная. Вынікі, разлічаныя па характэрных палосах, не звязаных з SIF, практычна не даюць карыснай інфармацыі. Гэта параўнанне дэманструе эфектыўнасць нашага метаду.

Выпадкі прымянення

Малюнак 9. Карта распаўсюджвання SIF на сельскагаспадарчых угоддзях і ў лясных раёнах

 Малюнак 10. Карта размеркавання NDVI сельскагаспадарчых угоддзяў і лясных тэрыторый 

Малюнак 11. Карта размеркавання NDVI з высокім разрозненнем у сельскагаспадарчых угоддзях

Малюнак 12. Статыстычнае параўнанне вільготнасці глебы і ападкаў у каранёвай зоне ў сельскагаспадарчых і лясных рэгіёнах.

Значэнні SIF у вышэйзгаданых лясных і сельскагаспадарчых раёнах паказваюць значныя адрозненні і нязначна адрозніваюцца ад размеркавання NDVI. У сельскагаспадарчай зоне, паколькі першапачатковае разрозненне выявы Sentinel складае 10 метраў, пасля перадыскрэтызацыі ў адпаведнасці з разрозненнем SIF, змешванне сельскагаспадарчых культур і глебы ў ніжняй левай сельскагаспадарчай зоне знізіла агульнае значэнне NDVI. Аднак з'ява высокага SIF у сельскагаспадарчых землях выразна назіраецца ў выніках SIF. Лясная зона з яе горным рэльефам і расліннасцю, якая складаецца ў асноўным з нізкіх хмызнякоў і некаторых дрэў, мае меншы раслінны покрыва, чым сельскагаспадарчая зона, што прыводзіць да значна ніжэйшага значэння SIF. Акрамя таго, згодна са статыстычнымі дыяграмамі вышэй, колькасць ападкаў зменшылася ў абедзвюх зонах пасля сакавіка, што прывяло да значнага зніжэння вільготнасці глебы, прычым у лясной зоне адбылося большае змяншэнне, чым у сельскагаспадарчай зоне. Паколькі ў сельскагаспадарчай зоне звычайна ёсць арашальныя збудаванні, а ў горнай зоне іх звычайна няма, мяркуецца, што лясная зона можа адчуваць стрэс ад засухі, што прывядзе да далейшага зніжэння SIF. Гэта сведчыць аб тым, што ў параўнанні з NDVI, SIF можа больш адчувальна назіраць за стрэсавымі з'явамі ў сельскагаспадарчых культур і вызначаць стрэсавыя зоны, што забяспечвае больш магутны інструмент для ацэнкі экалагічнага асяроддзя і дакладнай сельскай гаспадаркі.