主编推荐 | 陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”SIF监测的地面验证研究

日光诱导叶绿素荧光（SIF）能够直接地反映植被的真实生理状态，被称为植被光合作用的理想“探针”，受到生态、农业和全 球碳循环研究学者的广泛关注。陆地生态系统碳监测卫星（“句芒号”）于2022年8月4日发射升空并顺利入轨，该卫星携带一颗SIF载荷（SIFIS），也成为了首颗在轨运行、专为SIF遥感而设计的卫星传感器。

该论文利用海洋光学QE Pro光谱仪，对SIFIS载荷在野外环境下光谱观测和SIF反演能力展开了可靠性测试实验，介绍了二者在不同植被场景的辐亮度光谱和SIF反演对比结果。

No.1

亮点 | Highlights

SIF是植被总初级生产力（GPP）遥感估算的新方法。陆地生态系统碳监测卫星（“句芒号”）于2022年8月4日发射，携带一颗SIF载荷（SIFIS），也成为了首颗在轨运行、专为SIF遥感设计的卫星传感器。

在该卫星发射之前，为了定量评估该卫星SIF载荷的光谱成像和SIF探测能力，该研究利用海洋光学高性能地面光谱仪QE Pro与SIFIS样机开展了同步观测试验，首次证实了SIFIS在野外实测环境下光谱观测和SIF探测的可靠性。

No.2

背景介绍 | Introduction

近十几年来，随着SIF卫星遥感的快速发展，越来越多的传感器具备了SIF反演潜力，如GOSAT/GOSAT-2、OCO-2/3、TanSat、GOME/GOME-2、SCIAMACHY和TROPOMI等。但该系列卫星均是为大气或温室气体探测而设计，并非针对植被SIF探测而设计。

然而，专为SIF探测设计的FLEX卫星已推迟至2025年前后发射。2022年8月4日，我国成功发射了陆地生态系统碳监测卫星（“句芒号”），这是我国首颗针对陆地生态系统进行综合观测设计的卫星任务，其上携带的一颗SIF载荷（SIFIS）也成为了首颗在轨运行、专为SIF探测设计的卫星传感器。

因此，在该卫星发射之前，为了定量评估该卫星SIF载荷的光谱成像和SIF探测能力，此研究利用海洋光学高性能地面光谱仪QE Pro，与SIFIS样机开展了同步塔吊观测试验，对SIFIS载荷的光谱辐亮度观测能力、数据处理和SIF探测能力进行了综合地面验证。

No.3

研究方法 | Method

研究思路

该研究选取了同时具备塔吊等试验硬件设施和多种植被场景的怀来遥感实验站作为试验场地。

首先利用SIFIS和海洋光学QE Pro光谱仪开展同步垂直观测，通过静态和推扫两种成像模式，对植被和非植被场景进行同步成像；

其次，对SIFIS和QE Pro光谱仪观测的光谱测量结果进行几何配准与辐射定标，得到匹配一致的辐亮度光谱数据集，并利用主成分分析（PCA）的数据驱动算法开展了SIF反演工作；

最 后，对两种光谱仪的同步观测的辐亮度光谱和反演SIF数据开展了对比分析，评估了SIFIS载荷光谱数据质量和SIF探测能力。

图1 试验站点及仪器配置

实验方法

基于SIFIS和海洋光学QE Pro同步观测的辐亮度光谱数据集，利用主成分分析的数据驱动算法反演SIF结果，挑选一景SIF反演结果与植被指数开展空间对比分析，并通过时空匹配和质量筛选开展两种光谱仪SIF辐亮度和SIF反演结果的定量对比分析。

该研究从数据本身的特性出发，发展了优化的数据驱动算法：

（1）将传感器观测的辐亮度表征为非荧光光谱与荧光光谱的线性组合；

（2）进一步将非荧光光谱分解为低频变化项和高频变化项，分别利用低阶多项式和PCA变换得到的基波谱表征低频和高频变化项；

（3）利用固定的拟合函数拟合SIF光谱形状，通过提前估算上行透过率线性化前向模型；

（4）最 后采用最小二乘算法提取SIF信号。

No.4

重要结论 | Results

基于海洋光学QE Pro光谱仪同步观测数据的定量对比结果，首次证实了SIFIS载荷在野外环境下光谱观测和SIF探测方面的可靠性：

（1）SIFIS探测仪和QE Pro光谱仪观测的辐亮度光谱无论是吸收线位置还是辐亮度绝 对值，在全波段范围内具有高度一致性，辐亮度绝 对差异小于5%；

图2 SIFIS和QEPro同步观测植被场景的辐亮度光谱对比结果

（2）基于SIFIS探测仪单景辐亮度图像计算的NDVI和NIRvR与远红光和红光波段的SIF的空间分布基本一致；

图2 SIFIS和QEPro同步观测植被场景的辐亮度光谱对比结果

（2）基于SIFIS探测仪单景辐亮度图像计算的NDVI和NIRvR与远红光和红光波段的SIF的空间分布基本一致；

图 4 SIFIS和海洋光学QE Pro光谱仪SIF反演的定量对比结果

文章信息

以上研究内容为发表在《Journal of Remote Sensing》(JRS)上的最 新文章“Prospects for Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Remote Sensing from the SIFIS Payload Onboard the TECIS-1 Satellite”

引用格式：

Shanshan Du, Xinjie Liu, Jidai Chen, Liangyun Liu, "Prospects for Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Remote Sensing from the SIFIS Payload Onboard the TECIS-1 Satellite", Journal of Remote Sensing, vol. 2022, Article ID 9845432, 9 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9845432

研究团队 | Study Group

研究方向:  

植被生态定量遥感

研究成果:  

中国科学院空天信息创新研究院刘良云研究员带领的植被定量遥感团队，在国内率先开展SIF遥感研究，创新了系列SIF反演算法与光合生理探测模型，提出并确立了我国森林碳卫星荧光载荷指标方案，研制了我国TanSat卫星的首幅全 球SIF反演图，共享了系列塔基自动观测和卫星反演SIF产品，有力推动了SIF遥感前沿研究的发展。

文章来源：JRS国际遥感学报