利用MODIS近红外卫星监测全球陆地叶绿素荧光：方法，模拟，拓展到GOME-2外文翻译资料

 2022-05-12 21:25:56

利用MODIS近红外卫星监测全球陆地叶绿素荧光：方法，模拟，拓展到GOME-2

J. Joiner1, L. Guanter, R. Lindstrot, M. Voigt, A. P. Vasilkov, E. M. Middleton1, K. F. Huemmrich, Y. Yoshida,and C. Frankenberg

摘要： 绘制全球的的陆地植被叶绿素荧光反演地图正引起世界学者们的关注，因为反演叶绿素荧光可以提供用于全球碳循环模拟和农业引用的包括光能利用率和总初级生产力在内的植物功能状态指标。以往的荧光反演仅仅依靠夫琅禾费暗线法这一不易被大气吸收所影响的方法。尽管这些测量提供了月尺度的近全球范围内的数据，但是这些数据存在着精度较低、空间采样较少等缺点。在此，我们提出了一种新的方法来反演全球远红外荧光信息。我们使用高光谱数据和简化的辐射传输模型来解算三个基本组分的光谱特征：大气吸收，表面反射和荧光辐射。我们利用一种基于经验的主成分分析处理海上的点云数据来模拟和解算大气吸收。经过详细的模拟，我们证实了这种方法的可行性并且证实了中分辨率卫星具有相对较高的信噪比并且可以较为精确地反演远红外荧光信息。这个方法也同样被运用到了GOME-2的测量数据上。GOME-2的荧光反演结果与使用更简单技术的GOSAT卫星所观测的结果具有相同的空间结构。GOME-2相较于GOSAT更有可能在更小的时空分辨率下更高精度地反演全球远红外叶绿素荧光。仅需几天就可提供一幅全球范围的叶绿素荧光图像。我们第一次能够在月尺度和0.5°*0.5°的空间分辨率下展示荧光的物理变量。我们也展示了一些荧光反演和NDVI反演之间的不同。

  1. 引言

植物主要以热耗散以及发射少量荧光的形式来释放未被完全使用的光合有效辐射。陆地植被的叶绿素荧光的测量和植被的光合功能有直接的联系，并且这些测量也有应用于森林和农业应用和通过更加精确地估算GPP来评估陆地碳收支的潜力。研究表明，在早上和下午这样的高光照时段，当许多卫星在观测和植被在胁迫环境下时，荧光和APRA及LUE有关。

荧光信息也是对于基于反射率的光谱植被指数的补充。例如，流行的诸如NDVI和EVI这样的绿度指数是和叶绿素含量相关联的并且和光合作用有潜在关系，然而荧光应该作为实际光合作用的指示器。PRI对于叶黄素循环中的色素的脱氧环化作用十分敏感，叶绿黄循环是一种和荧光一样的用来消解过剩能量的一种保护机制。

对于全球叶绿素荧光辐射的认知对于包括二氧化碳在内的痕量气体浓度的高精度反演十分重要。这种辐射发生在用于估算光路径长度的O_2-A波段。如果没有详细说明，荧光辐射可能会在反演过程中产生比较显著的误差。通过O_2-A波段来在气溶胶羽毛的高度来反演叶绿素荧光的效果也已经利用模拟数据在线性误差分析下经过验证了。

有一种通过利用地球反射波谱中的黑暗特征或者大地吸收或者夫琅禾费暗线的被动遥感仪器来测量微弱的荧光信号。例如，基于地面的，航空的，航天的测量途径都利用了填充由于大气吸收形成的较宽的O_2-A和O_2-B波段的暗线来探测微弱的荧光信号。这些氧气吸收特征及其他的吸收波段和夫琅禾费暗线的波段位置及宽波段的波峰位于685 nm红外和波峰位于740nm远红外荧光辐射特征分别在图1中显示出来了。

较深的夫琅禾费暗线在Plascyk and Gabriel，Joiner et al.，Frankenberg et al.，and Guanter et al等人的早期工作的指引下，同样用来探测植被的荧光。使用GOSAT卫星上携带的高光谱分辨率干涉仪来测量被植被荧光所填充的近红外的夫琅禾费暗线来绘制全球的陆地植被荧光地图。Joiner et al.十分坚定地认为使用分辨率比GOSAT干涉仪这一类高分辨率仪器要低的低分辨率干涉仪同样能够测量荧光信号。他们主要利用SCIAMACHY研究866nm处的Ca II夫琅禾费暗线的填充。Gamon和Berry认为这种填充看起来是由叶绿素荧光产生的。SCIAMACHY光谱分辨率在这个波长的分辨率大概是0.5nm。

图1.模拟的日光诱导的地面荧光和作为波长的函数的太阳辐照度，太阳辐照度作为波长的函数计算用于FWHM = 0.3nm的仪器。荧光显示红色和远红色叶绿素发射特征，分别在685和740nm附近有荧光峰。氧A和B吸收带分别位于687和760nm附近，而在约690和740nm之间的宽光谱范围内显示水蒸气吸收。在这种光谱分辨率下，太阳辐照度表现出太阳能夫琅禾费线结构。

虽然当前的卫星可以用来估算GPP，GOSAT测量有相当低的空间样本和相对低的单一观测精度。SCIAMACHY的结果有更高的采样频率，但是有非常低的远离远红外荧光峰的信号等级也导致了单一观测的低精度。为了绘制与其他测量方法和模型相比具有更高保真度的全球荧光地图，GOSAT和SCIAMACHY荧光反演必须要在时间和空间上取平均值。GOSAT这样的做的话，可能会由于在一个相对大的网格里取平均值而带来大量的采样和代表性误差。

Joiner:O_2-A波段的荧光反演

其他利用卫星反演叶绿素荧光的方法已经明确要利用叶绿素荧光发射波长处的氧气强吸收带(O_2-A和O_2-B)来进行反演。例如，用来将荧光特征从这些反射率从分离出来的航天测量已经十分先进，可以较为完美地模拟出大气吸收的特征了。更多复杂的算法已经被提出并利用模拟数据进行实验来反演影响氧气吸收的参数并且说明为何要使用辐射传输模型。ENVISAT上搭载的MERIS低光谱分辨率O_2-A波段探测器也已经被用来反演荧光的有关信息。因此到目前，这些卫星测量收到时间和空间上的限制并且要求一个近地的非荧光参考目标来进行标准化。

在这里，我们开发了新的方法。利用航空高分辨率探测器来反演O_2-A波段及其附近的远红外叶绿素荧光。不仅仅像之前使用GOSAT和SCIAMACHY卫星数据那样仅仅依靠夫琅禾费暗线法来进行反演，我们证实了可以使用不同的远红外叶绿素荧光光谱特征结构，大气吸收特征，以及表面反射率来反演叶绿素荧光。

我们的方法和通过主成分分析或奇异值分解来近似估算大气吸收波段的辐射传输的适用于地表测量仪器的方法很相似。奇异值分解的方法同样被运用于通过使用不被大气吸收所影响的波段来进行的卫星叶绿素荧光反演。在这个研究里，我们扩展了主成分分析的使用来将航空探测器所测量到的发生显著大气吸收的波段处的几何特征包含在内。这个测量方案比地表测量更加复杂。荧光辐射会早大气传输的过程中被大气强烈吸收。因为这种吸收在不同的太阳辐射波段的数量级是不一样的，这种叶绿素荧光测量方案比其他的地表测量方案更加困难。虽然我们的方法不会像其他的方法一样需要一个邻近的非荧光目标，我们还是需要一个没有荧光的情景下的代表样本来产生一个综合的主成分数据集。为了这个目标，我们使用一个横跨很大纬度的日尺度的海上点云观测点集。

我们利用模拟来验证我们利用当前和目标的卫星探测器来探测的可行性。我们接着将我们的技术运用于GOME-2。GOME-2目前的主要功能是探测大气中的痕量气体。虽然由于其相对较低的地面分辨率较为普通的光谱分辨率而使其不能成为最理想的叶绿素荧光探测器，它较高的采样频率和信噪比使其成为目前反演远红外叶绿素荧光辐射的最好仪器。GOME-2可以在短短几天内提供接近全球范围的高信噪比测量结果。GOME-2精确频繁的探测提供了前所未有的高时空分辨率的叶绿素荧光数据集。这反过来使包括和通量塔探测结果进行比较在内的精细研究成为了可能。

  1. GOME-2卫星数据

在本次研究中，我们使用了GOME-2卫星的数据。GOME-2是一个军用的最低点可视观测的跨轨迹扫描分光计。它是EPS的系列卫星之一。GOME-2测量了地球的背向散射辐射和地球外的位于240nm到790nm之间的四个探测频道的太阳辐照度。在这里，我们使用四频道经过R2修正的覆盖590-790nm的1B级别的数据，其光谱分辨率大约为0.5nm，信噪比高于1000。

最低的地面分辨率为40km*80km，幅宽为1920km。单独一个GOME-2探测器扫描整个地球表面大概需要1.5天。第一个GOME-2的飞行器是MetOp-A，它在2006年10月19日发射并在交叉赤道日期9:30LT时进入了太阳轨道。第二个飞行器是在2012年9月17日发射的MetOp-B，它也是在太阳轨道中运行，但是与第一个飞行器之间有180°的相位差。因此，总会有一个探测器在探测地球的向阳面，并且几乎整个地球表面都可以被探测到。

  1. 模拟辐射度和辐照度

因为我们的方法主要依赖于主观经验而不是物理途径来得到大气吸收，要量化向前模型误差总是十分困难。为了准确地量化反演误差，我们实施了精细的基于一系列条件下大气植被综合模型的模拟。我们也使用模拟数据来评估包括信噪比和光谱分辨率在内的仪器参数的对荧光反演的影响。最终，我们利用模拟的辐射度测试了不同情景下的反演方法，例如不同的大气窗口和一系列的反演参数。

我们利用矩阵算子辐射传输模型模拟了大气表观反射率。辐射的计算利用了高分辨率的大气辐射和辐射模型2008数据集中的吸收线的强度和宽度。这些辐射是按颜色分类进行计算的并且分辨率为0.005nm。

图2.基于Chance和Kurucz（2010）的模拟太阳光谱，显示了不同仪器的夫琅和费线结构（FWHM = 0.5 nm适用于类似GOME-2仪器）。

图3.模拟数据集中条件范围指定的冠层光谱荧光。

我们利用kurucz.harvard.edu/sun/irradiance2005/irradthu.dat提供的光谱分辨率为0.001nm的太阳光谱数据，该数据和Chance与Kurucz的相似但是样本更多一些。图2显示了模拟与GOME-2相同的探测参数和FWHM在0.3nm以及光谱分辨率在0.1nm等不同的仪器参数下的太阳光谱。显著的夫琅禾费暗线在更深的结构和更高的光谱分辨率下可以清楚地看见。

需要注意的是我们没有模拟RRS或者O_2-A波段白天气辉辐射的影响。RRS在我们所关注的波段处的效应通常是比较小的，但是确是不可忽略的。O_2-A波段白天气辉辐射在高层大气处的影响是比较小的。植被反射和荧光的方向特性影响同样没有被考虑在内。

我们分别在两个观测天顶角为（VZA=0°，16°）和四个太阳天顶角为（SZA=15°，30°，45°，70°），两种大气温度廓线（中纬度夏天和冬天），四种表面压强（955，1005,1030hPa），四个大气水汽总量（0.5,1.5,2.5,4.0CM），五种气溶胶光学厚度（0.05,0.12,0.2,0.3,0.4），三种气溶胶羽高度（700-900,600-800,500-700hPa）下计算了辐射度。我们建立了两个不同的数据集，其中一个没有荧光的数据集用于主成分分析，还有一个包含荧光的数据集通过模拟辐射度来检测反演的效果。训练数据集使用了包括十种和土壤及雪地有关的不同表面反射光谱的光谱集。这个光谱集提供了38400个样本。

测试数据集包括由FluorSAIL和FluorMODleaf模型模拟的表面反射率和荧光辐射光谱。一个给定的叶片尺度的荧光光谱可以通过不同的参数设置快速分成许多光谱。不同的叶绿素含量和叶面积指数已经被用来将叶片尺度的荧光光谱延伸到冠层尺度。图3中展示了60组不同的冠层顶部荧光光谱。冠层顶部反射率光谱在同样的叶绿素含量和叶面积指数组合下通过叶片和冠层模型模拟了出来。模型中的其他参数并没有进行更改。本次模拟生成了230400种不同的样本。

  1. 反演方法

4.1主要方法

总反射率是波长lambda;的函数，通过卫星仪器对近红外波段范围的探测而获得，可以利用理想散射模型结合荧光辐射来估算出来。

是地表反射率，是在没有表面效应的情况下反射率贡献，T是总辐照度透射率（包括直射和散射部分），是从地球表面到大气层顶的透射率，是从地球上方大气返回到地表的反射率，是太阳天顶角，E(lambda;)是吸收的地球外部的太阳辐照度，Fs是地表的荧光辐照度。

我们所使用的方法的基本原理是分离和以下三部分有关的光谱特征：大气吸收(T and )，地表反射率（），荧光辐射（Fs）。假设大气散射的影响很小，我们可以重写方程一：

T (lambda;) and (lambda;)现在仅包括大气吸收分子。我们现在将T and 组合成一个参数，T2(lambda;) = T (lambda;) (lambda;)，该参数代表了从太阳到卫星的透射率

Theta;是卫星观测天顶角，A2和Av分别代表了双向和垂直吸收比，还有上行吸收比，，

需要注意的是以上这些方程仅在单色辐射时可用。同样需要注意的是rho;0, rho;, T 和 在存在大气散射和不存在大气分子吸收的情况下时一种波长的光谱连续特性。因此，当大气散射存在时，方程2中的(lambda;)和Fs(lambda;)可以被认为是地表反射和荧光的有效大气层顶光谱组分。rho;0的光谱结构可以组成方程二中第一个部分的组成部分。

为了解算, Fs, and T，我们假设这些变量都有各自的光谱结构。我们将远红外荧光辐射Fs(lambda;)看作中心位于736.8nm，sigma; = 21.2 nm情况下的波长的高斯函数，像Subhash and Mohanan (1997) 及Zarco-Tejada等人做的那样。我们进一步地假设(lambda;)在我们限制的光谱拟合窗口内在光谱里是连续的，并且将其作为lambda;的一个低阶多项式。已经有学者在探寻替代荧光和反射率的参数。以前的研究说明规定的荧光辐射形态对于估算荧光峰值的影响很小。我们利用主成分估算了A2 (或 T2)的光谱结构。

原则上，我们的方法可以运用到图1中包括红外和远红外在内的全部荧光辐射波段。或者，不同的拟合窗口可以在更小的波长范围内估算叶绿素荧光。以论证我们的方法为出发点，我们集中于反演远红外荧光。

全文共18018字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 21 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[12460]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章