无人机载日光诱导叶绿素荧光系统

基本原理

日光诱导叶绿素荧光监测系统与旋翼无人机的结合开辟了精准农业监测的新型应用。叶绿素荧光包含丰富的光合信息，通过提取能够表征植被、农作物、叶片、树木冠层等反射光谱信号中的荧光信息，再结合荧光参数、叶绿素等生理生化参数（地面瞬时环境条件下测定），可判断不同环境下（肥料、水分、病胁迫、病虫害等）作物的叶绿素荧光光谱特征及其荧光指标与其他参数（对冠层温度、表面的辐照度、叶绿素含量测量）之间的关系，因此机载叶绿素荧光监测技术是高效、适时、快速、灵敏、无损探测作物植被等生理状态及其与所处环境关系的理想监测技术，可广泛应用于评价植被等的健康状态。

系统结构介绍

模块化集成，结构标准化，无需调试、调整系统结构，只需按照要求安装在无人机上即可，通过无线图传数据线实现系统与无人机、地面监控平台的互通。通过无人机云台给系统提供独立的供电。下行光纤与独立模块固定便于成像镜头的切换，辅助相机集成在独立模块上， 以便观察、监控采集区域。上行余弦校正功能实现模块化，实时采集太阳光照信号，其透过率高，匀化效果好，适应波段范围广。GPS 信息可以精准定位采集区域的位置信息。

技术优势

· 系统集成度高;

· 系统操控性好，操作简单；

· 辅助监控，精准定位采集区域；

· 一键采集；

· 反射、荧光光谱显示及输出；

· 定点巡航；

· 绝对辐射定标；

· 实时太阳光余弦校正模块；

· GPS模块；

· 35mm/50mm成像镜头及裸光纤模式切换；

· 特殊光纤结构，快速完成上行下行信号的切换，确保上下行实现同步采集；

· 可无人机、地面两用；

· 高清图传数传一体结构确保对系统控制（操控、数据回传等）；

· 多种数据处理模型；

基本原理

无人机载日光诱导叶绿素荧光（SIF）自动观测系统（专利号：2020202517297）（GaiaSky-SIF）的硬件构成包括光纤光谱仪、光纤、 光路切换模组及开关、监控相机、采集控制单元以及校准模组等部分。目前主要采用高灵敏度光纤光谱仪及其配件，可用于植被叶绿素荧光及高光谱野外连续稳定的高频观测。系统可实现在无人机载平台下的植被冠层高频高 / 超光谱观测。观测频率可达到10s/ 次，一次飞行可观多条光谱。同时，该系统上行和下行两个通道双余弦观测，地物的检测范围大幅提高，市场唯一商业化的产品。

● 日光诱导叶绿素荧光 SIF(Sun/Solar-induced Chlorophyll Fluorescence)是植物在太阳光照条件下，由光合中心发射出的光谱信号(650—800 nm)，具有红光(690 nm左右)和近红外(760 nm左右)两个波峰，能直接反映植物实际光合作用的动态变化。

● SIF遥感是近年迅速发展起来的植被遥感技术，可弥补当前植被遥感观测的不足，为陆地生态系统碳循环和植被监测等提供了新的思路和技术。

● 以基于“绿度”观测的植被指数(如NDVI)为代表的植被遥感在过去30年极大地促进了从宏观尺度上来理解和认识地球生物圈，但其只能通过“绿度”来探测植物“潜在光合作用”。

● 叶绿素荧光在植被光合生理探测方面具有独特的技术优势，是“实际光合作用”的直接探测方法。

● 可以说植被叶绿素荧光遥感是近10年来植被遥感领域最具突破性的研究前沿。随着研究和技术的发展，SIF遥感最近10几年来得到了长足的进步。

辐射定标：

整个光路系统需进行辐射定标，以将光谱仪采集的 DN 值转化成辐照度（mW/m2 /nm）或者辐亮度的单位（mW/m2 /nm/sr）。辐射定标需对裸光纤和连接余弦校正器的光路分别定标。辐射定标是指用一台已知光谱输出功率的灯来校准光谱仪每个像元下的响应强度。绝对辐射定标改变了整个光谱的形状和大小，校正了仪器的单个仪器响应函数（IRF），并将光谱仪所测的 Digital Number（DN）转化为物理量。定标系数由以下公式计算 ：

其中 α 为计算的辐射定标系数，L 为标准光源的辐亮度或辐照度，DC 为光谱仪在不进光的情况下所测的暗电流值。通过辐射校准后的光谱的单位是单位面积单位波长的功率输出，标准光源通常单位表达为 µW/cm2 /nm，最好将其数值乘以 10以使单位转化为 mW/m2 /nm，辐亮度转化关系相同。

大尺度、高通量植物叶绿素荧光成像测量分析提供完美的解决方案，完全适用于陆空双基高光谱遥感分析。主要应用于以下领域 ：

● 植物光合作用和荧光测量

● 植物制图和植被健康特征

● 森林资源调查评估

● 农作物生长评估

● 陆空双基高光谱遥感监测