【中科院之声】用卫星去捕捉植物生长那一点微弱的光
近日想来大家都和小编一样，被一条令人振奋的新闻刷屏了，那就是中国碳卫星数据对全世界开放共享了。这可是一件了不起的事情，意味着继日本（“呼吸号”GOSAT卫星）、美国（“轨道碳观测者”OCO-2卫星）之后，中国成为第三个可以提供碳卫星数据的国家。这颗神奇的“碳卫星”全称叫全球二氧化碳监测科学实验卫星，被誉为我国的“担当之星”，主要目的就是监测全球二氧化碳浓度在不同区域、不同季节的变化，准确掌握大气二氧化碳的分布和流向，让“碳”为观止。
殊不知，这颗卫星还有另一个重要杀手锏，即捕捉植物生长所发出的微弱光芒——叶绿素荧光。这得从一个“意外的发现”说起：当利用日本2009年成功发射的“呼吸号”GOSAT卫星探测二氧化碳浓度时，研究人员不得不摆脱一个难缠的家伙，即叶绿素荧光噪音，研究表明，若荧光占到背景辐射的1%，就可对二氧化碳浓度的探测造成高达1ppm的系统偏差，而这一偏差往往是不可忽视的；为了提高二氧化碳浓度的探测精度，研究人员利用经典的全物理模型（Full-physics），意外地分离出荧光信号，不仅可消除荧光噪音的影响，而且变“废”为宝，开启了叶绿素荧光卫星遥感新时代。
植物光芒--太阳诱导叶绿素荧光的产生
叶绿素荧光是植物生长发出的光芒，被称为植物光合作用的理想“探针”，在揭示植物细胞生物物理过程方面具有独到之处，可及时准确反映植物光合作用的真实工作状态、诊断植物的亚健康状况等，目前主要应用于植物生理生态学微观尺度研究中。然而，卫星尺度叶绿素荧光成功观测的意外发现，迅速引起了全球地球科学学者的极大关注与兴趣，这意味着可通过全球植被荧光制图来测量植被中所存储的碳，对于精确把握植被生长状态、准确了解全球碳汇分布和进一步理解陆表植被对气候变化的响应具有重要意义。有科学家甚至认为荧光探测是GOSAT、OCO-2等温室气体卫星最具创新性和革命性的观测任务，而不是温室气体探测本身；著名的全球生态学家、美国科学院院士Joseph A Berry也曾说：“Fluorescence is the new ‘big thing’ in Earth Observation”。2015年9月，欧洲空间局（ESA）在波兰华沙宣布荧光卫星计划（FLEX）打败了强有力的竞争对手碳监测卫星CarbonSat，获全额支持，正式被选为ESA第八代地球探测卫星，计划2022年前后发射；我国预计2020年发射的中国陆地生态系统碳卫星也搭载了专门探测叶绿素荧光的超光谱成像仪。叶绿素荧光在短短的近十年间，已然逆袭成为对地观测领域最前沿的研究热点。
2015年9月欧空局（ESA）宣布荧光卫星计划（FLEX）获全额支持（来源于ESA官网）
目前具备探测叶绿素荧光的卫星传感器多达10余种，例如日本的GOSAT、美国的OCO-2、欧空局的GOME-2、SCIAMACHY和TROPOMI以及我国的碳卫星TanSat等。然而，要想从这些卫星上成功提取到植被发射的荧光信号并非易事：首先，在太阳光诱导下，植被叶绿素发射荧光的量非常少，在可见光波段通常不足吸收光能的2%；其次，叶绿素荧光往往叠加在占绝对优势的植被反射能量中，且受诸多因素影响，使得叶绿素荧光的准确提取面临巨大挑战。可以说，叶绿素荧光遥感当前面临的主要矛盾便是：人们日益增长的荧光应用需要与曲高和寡的荧光卫星反演之间的矛盾。
为解决叶绿素荧光卫星反演难题，1975年，Plascyk等基于德国物理学家约瑟夫·冯·夫琅和费发现的太阳光谱中的吸收线（即夫琅和费线），巧妙地提出了夫琅和费暗线填充法（Fraunhofer Line Discrimination, FLD），即利用太阳诱导叶绿素荧光对夫琅和费暗线的“井”填充效应，通过比对原始太阳吸收暗线的深度及经荧光填充后的吸收暗线深度，就可以实现荧光的遥感反演。因此，问题的核心就是要准确得到未被荧光填充的原始太阳暗线和被荧光填充后的太阳暗线。
太阳诱导荧光（SIF）对夫琅和费暗线的“井”填充效应：改变了夫琅和费暗线的深度
目前在卫星尺度反演叶绿素荧光，主要有三种思路：第一种思路就是利用地球大气（如O2-A与O2-B）吸收导致的暗线进行荧光反演，这种思路需要进行严密的大气订正，以消除地球大气对植被发射荧光的吸收与散射等影响；第二种思路则完全避开地球大气吸收线，利用大气窗口内的一条或少数几条太阳大气吸收线（如Ha等）进行荧光反演，这种思路无需考虑地球大气的影响，但劣势在于对卫星传感器光谱分辨率的要求极高（通常优于0.1 nm），且对噪声极为敏感；第三种思路则综合利用地球大气吸收暗线和大气窗口内的太阳大气吸收暗线进行荧光反演，这种思路可有效克服前两种思路的缺陷，但这类方法大都是半经验性的，好赖与否很大程度上取决于对模型经验参数的设置及数据集的筛选等。这里每一种荧光卫星反演思路都包括很多具体算法，这些算法各有优劣，适用性各不同，可谓甘瓜苦蒂，天下物无全美，实际工作中需要根据卫星数据源的特点而选择不同的算法。
基于线性数据驱动算法反演得到的2016年1月全球植被叶绿素荧光分布图
叶绿素荧光来源于植物的光合器，是植物光合作用的副产品，与植被总初级生产力（gross primaryproductivity, GPP）和植被受胁迫状态密切相关。卫星探测叶绿素荧光的可能，使原本为噪音的荧光变“废”为宝，有望为全球植被监测提供一种全新有效的手段！
以上内容来源于《遥感学报》待出版的综述论文《太阳诱导叶绿素荧光的卫星遥感反演方法》，更多详情，敬请期待。
该推送源于公众号中科院之声
