激光雷达对植被冠层结构和SIF同时探测展望

前言

陆表植被在全球碳循环中起着不可替代的作用。但现阶段，人们对气候变化与植被生态理化功能的关系的研究还不够完善。为了提高气候预测以及缓解气候恶化的速率，对植被参数比如：叶面积指数（leaf）、植被冠层结构（canopy）和生态系统以及区域尺度的研究仍然需要进一步的开展。

目前的大部分遥感探测中，我们仅仅能得到植被冠层的生物物理相关变量和相关参数，并不能够得到植被的生态理化信息。而植被的叶绿素荧光正是生态理化性质的一种重要参数。植被叶绿素荧光与其光合作用状态密切相关，叶绿素荧光遥感能在第一时间捕捉到植被生理状态的变化。它被越来越多的学者所关注和认可，它被认为是一种最有前途植被生态理化变量。最近，有学者通过地面水平的分散测量得出日光诱导叶绿素荧光（SIF）与各种生物群落中的GPP又较强的相关性。GPP的影响因子包括：（1）APAR，它由植被的冠层结构、叶面积指数、生化结构、入射率水平所决定。（2）光能利用率（LUE），它反应了植被生态理化性质。另外，SIF也由APAR和植被荧光量子产出率（FQY）决定。而这两者同样与光合作用联系密切。因此，如果我们能够准确的测量出植被的荧光量子产出率，那个就能够得出APAR和LUE在GPP模型中的具体影响效果。在保持测量条件恒定的情况下通过在冠层尺度激光诱导叶绿素荧光的测量方法来估算FQY是可行的。

博客基于以上分析，结合一种新的雷达探测技术（这种技术可以同时测量FQY和冠层垂直剖面的结构（VP））。来讨论这种探测技术的可行性已经存在问题。同时对冠层结构的变化与SIF的关系进行合理的展望。

一、冠层结构与植被光合作用的联系

这项探测技术的主要目的是对eddy通量塔和空间探测的不足的补充：

—SIF与GPP关系密切，是地表与大气碳通量交换的一个主要组成部分

—LIF，作为FQY的代表物理因子，用来估算植被荧光淬灭，因此它与光合作用也息息相关。

—利用异速生长模型，雷达波形能够绘制地面的碳储量。

SIF和GPP与APAR有着共同的联系：

这里LUE代表着有多少光合有效辐射用来进行碳固定。然而SIF也可以写作：

tF是植被冠层的荧光离散系数，

公式（3）中I lase是激光光强，fAPARlaser是植被激光强度吸收系数，tlaser是激光诱导叶绿素荧光的冠层离散参数。在公式（3）中如果光照强度不变，后面的系数都保持恒定的情况下，那么LIF可以用FQY来表示。在图1中，tF接近于1，因为在这些波长荧光不会被重吸收。联合（1）和（3）就可以利用植被荧光参数结合LUE和FQY直接的关系来提高GPP的估算精度。

这项探测技术可以通过雷达波形测量植被冠层的垂直结构来估算地表碳储量。还包括通过光谱反射信息对LAI、FAPAR、以及叶绿素荧光等内容的反演。

二、探测系统介绍

3.1 SNR信噪比

由于光合作用中叶绿素荧光量子产出率很低（<1%），所以探测系统需要具有高数据质量的收集能力。所以此系统采用在532nm处距离植被冠层42m每脉冲能量为9mJ的设计。使得其信噪比达到100. 因为高度的限制，需要更高的距离来进行探测的情况时，通过提高激光束的脉冲能量为30mJ，探测物镜直径由15cm扩大到35cm，提高探测响应时间（50%），提高杂散光抑制率（50%）等，同样保持在距离冠层300米的距离也能使信噪比达到100。

3.2 探测系统激发源

它的激光发射器是一个用方形合体封装起来的激光发射泵，它以20Hz的频率发射没脉冲30mJ的能量。

图二显示了激发源的建议装置图，激光束被负极棱镜扩大到5m直径的光斑范围（距离冠层300m高度），以便获得雷达波形图。同时由于光斑大小的视线安全实验条件的限制，能量脉冲被能量焦耳计记录一边反演得到归一化的叶绿素荧光和反射率。

3.3视线安全实验条件

图三所示，为国际视线安全试验条件曲线，此探测系统的实验设计为5m直径下1.5 mJ m-2的能量，完全符合规定要求。

3.4 探测镜组和探测方式

量子收集系统主要由由一个33cm光圈直径的菲涅耳棱镜组成，菲涅耳棱镜由很多光学优势，譬如：光圈直径较大，数值孔径较大，重量较小，价格比较低廉，另一方面，商业镜目组由于具有专用的数值孔径不适合用来做探测。同时探测镜组设置了4个光电挡板用来最小化杂散光的。荧光和后向散射光被两个二色性镜片分离为三个通道。其中一个通道是532nm的用来进行波形分析，以及两个荧光通道（685nm和740nm）。

三个告诉的光电二极管被用来进行荧光和波形的探测，其中利用一个特别的跨阻放大器来有选择的放大脉冲信号以提供相对于背景辐照度的高度反射率。

计算方法：荧光=脉冲能量/荧光探测通道的峰值

三、可行性分析

综上所述，此设计同时实现了雷达波形的收集（得到林木冠层的垂直剖面结构）和荧光光谱信息的收集，在685nm和740nm处可以反演处SIF值。

利用这个多参数结构设计的仪器能模拟光合有效利用率，瞬时净碳通量以及地表碳储量。并且它可以作为传统的荧光反演卫星GOSAT、OCO-2和FLEX的一个数据验证和补充。

四、总结

森林垂直结构是陆地生态系统中重要的参数，提高遥感森林垂直结构的反演精度，对于提高森林生物量、叶面积指数估测精度和开展森林演替、碳循环、初级生产力研究具有重要意义。激光雷达技术是近年来国际上发展十分迅速的主动遥感技术，具有与被动光学遥感不同的工作机理，对植被空间结构和地形具有很强的探测能力，在森林参数的定量测量和反演上取得了成功的应用，特别是对森林高度和垂直结构的探测能力，具有传统光学遥感数据难以比拟的优势。而植被叶绿素荧光与其光合作用状态密切相关，日光诱导叶绿素荧光遥感能在第一时间捕捉到植被生理状态的变化，提供已有植被遥感手段所不能提供的信息。卫星平台的荧光反演工作由于其分辨率的限制，忽略了林木冠层结构对植被叶绿素荧光的影响。把两者相结合可以进一步探索植被冠层结构的变化对植被荧光的影响，从而进一步得到不同冠层结构植被的光合作用的不同变化规律。