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近地面植被冠层sif观测方式与光谱数据采集 摘要：植物光合作用所提供的物质和能量是人类赖以生存的关键因素，而日光诱导叶绿素荧光SIF (SunInduced chlorophyll Fluorescence)是植物光合作用的副产品，与光合作用关系密切，深入研究SIF将对于更加深入理解光合作用机制有着重要的意义。目前，近地面植被冠层SIF遥感观测发展迅速，但不同SIF观测系统间差异较大。本文通过比较分析不同塔基SIF观测系统及其特征，归纳了塔基SIF观测方式和方法，提出了塔基SIF观测技术规范。塔基SIF观测主要有两台光谱仪和一台光谱仪结合光路切换开关的观测方法，可以采取双半球和半球—锥体两种观测方式。SIFprism系统是一种新的基于光学棱镜的SIF自动观测系统，本文介绍了SIFprism系统软硬件组成和光谱数据采集流程，并以SIFprism系统为例阐述了塔基观测系统光谱数据处理流程，分析了SIF反演过程可能存在的不确定性，最后对近地面SIF观测进行了展望。 1 引言日光诱导叶绿素荧光SIF (Sun-Induced Chlorophyll Fluorescence）是处于自然条件下绿色植物进行光合作用时释放的一种波长位于650—800 nm的光，是描述植物光合作用机理和动态的指针（搭载于卫星上的传感器具有观测范围大、现势性强等特点，已经被用来观测陆地生态系统的红光（red SIF）或远红波段SIF (far-red SIF)(）首次利用机载MKII FLD系统观测冠层SIF，近地面SIF观测已有近45年发展。而随着新技术的出现以及长时间连续SIF观测需求增加，塔基SIF观测也逐渐发展起来。Tri FLEX系统（不同于卫星等大尺度SIF观测，地面SIF观测有助于将SIF相关研究缩小到冠层尺度，以更好的研究其与光合作用耦合的机制。例如，一些基于地面站点SIF观测数据的研究表明远红波段SIF与环境条件和冠层结构效应的相关性可能比与GPP之间的关系更强（本文基于目前已有SIF塔基观测系统，分析各系统的优势及不足，并对塔基SIF观测技术规范进行了阐述，以自主研制的基于棱镜的塔基SIF观测系统SIFprism为例，分析了观测中的不确定性，以期对国内近地面SIF观测及相关研究有所帮助。2 塔基SIF观测基本理论2.1 植被冠层SIF观测原理叶绿素吸收光合有效辐射，电子由稳定的基态跃迁到较高能级的激发态。由于激发态电子并不稳定，会以3种互相竞争的方式（即光合作用、热耗散NPQ (Non-Photochemical Quenching）和荧光）将吸收的能量释放以退回基态。荧光是被激发的叶绿素重新发射光子回到基态而产生的一种光谱范围为650—800 nm的光信号，并且在685 nm和740 nm处各有一个峰值（2.2 植被冠层塔基SIF观测方法自然光照条件下测定的植被反射的辐照度光谱既包括SIF的发射光谱，又包括叶片对入射光的反射光谱。由于SIF发射光谱和植被冠层反射光谱是混合在一起的，所以从冠层光谱中提取SIF光谱首先需要精准的观测。依据FLD原理中SIF对暗线填充思想，为了提取微弱的SIF信号，观测需实现高光谱分辨率（亚纳米）的太阳入射光和冠层反射光近乎同步的观测。然而，目前已有的光谱仪种类有限，且只能接收一个光路，若要同时获取太阳入射光和冠层反射光，主要有两种方法：（1）双光谱仪同时观测；（2）单光谱仪结合光路切换开关。基于塔基SIF观测理论和方法，为了实现塔基SIF遥感观测，过去十年间不同理念和架构的塔基光谱观测系统不断涌现，塔基SIF观测系统随之逐渐丰富。2.2.1 双光谱仪双光谱仪观测SIF方法原理是两台光谱仪分别独立观测太阳入射光谱和冠层反射光谱，从而实现二者同步观测。这种方式可以获取高频率的连续光谱数据，且获取的太阳入射光谱和冠层反射光谱之间几乎没有时间间隔，降低了多云等快速光照条件变化天气导致的太阳入射光谱和冠层反射光谱不对应情况导致的SIF反演误差。然而，两台光谱仪间光谱仪的光谱响应特征不完全一致，因此太阳入射光谱和冠层反射光谱可能存在光谱漂移问题且难以校正，因此可能导致较大SIF反演不确定性（Tri FLEX系统是使用双光谱仪观测SIF的典型系统。Tri FLEX系统共集成了3台光谱仪，其中两台型号一致光谱仪（HR2000+,630—815 nm，半高宽FWHM (Full-Width at Half-Maximum)～0.5 nm,Ocean Optics,USA）用于测量太阳入射光谱和冠层反射光谱，实现红光和远红波段SIF反演。太阳入射光谱通过测量标准参考板反射太阳辐照度得到。第3台光谱仪具有更宽的光谱范围（HR2000+,300—900 nm,FWHM～2 n