การสำรวจระยะไกลด้วยคลื่นความถี่สูง และการวิเคราะห์ย้อนกลับของพารามิเตอร์ทางชีวเคมีในระดับใบและเรือนยอด

ระบบนิเวศมีบทบาทสำคัญในการแลกเปลี่ยนน้ำ พลังงาน และก๊าซเรือนกระจก ระหว่างดิน พืช และชั้นบรรยากาศ ความสามารถในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการของระบบนิเวศ เช่น การกักเก็บคาร์บอน การหมุนเวียนของสารอาหาร ผลผลิตปฐมภูมิสุทธิ และการย่อยสลายของเศษซากพืช เป็นองค์ประกอบสำคัญในการกำหนดวัฏจักรทางชีวเคมีระดับโลกและการระบุการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ในแบบจำลองระบบนิเวศป่าไม้ กระบวนการเหล่านี้มีความสัมพันธ์กับปริมาณสารชีวเคมีในเรือนยอด โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเข้มข้นของไนโตรเจน ลิกนิน และเซลลูโลส

ดังนั้น, การทำความเข้าใจเกี่ยวกับรงควัตถุที่มีอยู่ในใบพืชเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงการประเมินและการวัดปริมาณทางสรีรวิทยาและพลังชีวิตของพืชเนื่องจากการประเมินองค์ประกอบทางเคมีของเรือนยอดโดยใช้วิธีการเก็บตัวอย่างภาคสนามแบบดั้งเดิมนั้นใช้เวลานานและไม่เหมาะสมสำหรับการศึกษาในระดับภูมิภาคและระดับโลกขนาดใหญ่ เทคโนโลยีการสำรวจระยะไกลเพื่อวิเคราะห์ชีวเคมีของใบไม้ (สารอาหาร เม็ดสี) ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ปรากฏการณ์ความเครียดหรือศัตรูพืช โรคพืช และภัยพิบัติอื่นๆ จึงเป็นที่สนใจของนักจัดการป่าไม้และนักนิเวศวิทยามาอย่างยาวนาน

รูปที่ 1 การตรวจวัดพารามิเตอร์ทางชีวเคมีในระดับป่าและระดับเรือนยอด

รงควัตถุสามชนิดกำหนดสีของใบไม้ผ่านการดูดซับแสงแบบเลือกสรร ได้แก่ คลอโรฟิลล์ (สองชนิดหลักในพืชชั้นสูง คือ คลอโรฟิลล์เอ และคลอโรฟิลล์บี) แคโรทีนอยด์ (รวมถึงเบต้าแคโรทีนและแซนโทฟิลล์) และแอนโทไซยานิน ปริมาณและองค์ประกอบของรงควัตถุเหล่านี้มีความสัมพันธ์กับสภาวะทางสรีรวิทยาของใบ และมีอยู่ในสัดส่วนที่แตกต่างกันในระหว่างการเจริญเติบโตและการเสื่อมสภาพของใบ สภาวะบางอย่างสามารถขัดขวางการสร้างรงควัตถุเหล่านี้ได้ เช่น การขาดสารอาหาร และผลกระทบจากความเครียดทางชีวภาพ เช่น มลภาวะทางอากาศจากโอโซนหรือซัลเฟอร์ไดออกไซด์ โลหะหนัก การโจมตีของไวรัส หรือการขาดแคลนน้ำ ซึ่งอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางแสงของพืชได้ ความเข้มข้นของคลอโรฟิลล์บ่งชี้ถึงกระบวนการสังเคราะห์แสงและอัตราการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์สูงสุดที่เป็นไปได้ แคโรทีนอยด์ช่วยดักจับแสง แต่ก็มีบทบาทในการปกป้องแสงและบ่งชี้ถึงกระบวนการสังเคราะห์แสงที่ลดลงด้วยไนโตรเจนและลิกนินมีความสัมพันธ์กับการจัดสรรคาร์บอนและอัตราการหมุนเวียนของสารอาหารตามลำดับ ผ่านผลกระทบต่ออัตราการย่อยสลาย ความเข้มข้นของคลอโรฟิลล์ยังมีความสัมพันธ์อย่างมากกับไนโตรเจน ดังนั้นจึงกลายเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการศึกษาเรือนยอดพืช

งานวิจัยจำนวนมากแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างข้อมูลที่ได้จากเครื่องวัดสเปกตรัมภาพและคุณสมบัติทางชีวเคมีของใบไม้ งานวิจัยในยุคแรกส่วนใหญ่ใช้การถดถอยแบบทีละขั้นตอนเพื่อสร้างความสัมพันธ์เชิงทำนายระหว่างข้อมูลการสำรวจระยะไกลในช่วงคลื่นความถี่แคบกับตัวแปรทางชีวเคมีที่สนใจ (เช่น เซลลูโลส คลอโรฟิลล์ ลิกนิน ไนโตรเจน และแป้ง) งานวิจัยต่อมาได้เสนอเทคนิคทางเลือกอื่น ๆ ได้แก่ การประมาณค่าตัวแปรทางชีวเคมีโดยใช้แบบจำลองการสะท้อนแสง

การเปลี่ยนผ่านจากระดับใบไปสู่ระดับเรือนยอดทำให้เกิดผลกระทบจากการรบกวนอย่างมาก เช่น อิทธิพลของโครงสร้างเรือนยอด (ดัชนีพื้นที่ใบ การกระจายมุมใบ) และพื้นหลังของดิน เมื่อเปรียบเทียบกับสภาวะในห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุม ข้อมูลจากอากาศยานหรือดาวเทียมจะได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น แสงแดดและสภาพบรรยากาศที่แปรปรวน รวมถึงคุณลักษณะของเครื่องมือ (อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน แบนด์วิดท์สเปกตรัม เรขาคณิตการสังเกต) ปัจจัยเหล่านี้รวมกันทำให้เกิดปัญหามากมายในการกำหนดองค์ประกอบทางชีวเคมีของใบโดยใช้ข้อมูลการสำรวจระยะไกล อย่างไรก็ตาม งานวิจัยที่เกี่ยวข้องได้แสดงให้เห็นว่าการวัดความเข้มของแสงสเปกตรัมของเรือนยอดพืชมีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบทางเคมีของเรือนยอด รวมถึงความเข้มข้นของลิกนิน ไนโตรเจน และเซลลูโลส

รูปที่ 2 แผนภาพกระจายแสดงความสัมพันธ์ระหว่างดัชนีการสะท้อนแสงต่างๆ กับปริมาณคลอโรฟิลล์ทั้งหมด