便攜日光誘導葉綠素熒光成像
| 品牌 | 雙利合譜 | 幀頻 | 1~100fps |
|---|---|---|---|
| 光譜分辨率 | 0.3~0.4nm | 光譜范圍 | 670-780nm（650- 800nm）nm |
| 成像方式 | 推掃式 | 價格區間 | 100萬-200萬 |
| 使用狀態 | 地面 | 工作原理 | 推掃型 |
| 應用領域 | 食品/農產品,農林牧漁,煙草,制藥/生物制藥 |
便攜日光誘導葉綠素熒光成像
1、 葉綠素熒光成像光譜儀系統介紹
基本原理：
日光誘導葉綠素熒光(SIF，Solar-Induced chlorophyll Fluorescence)反演機理：太陽輻射譜線經過太陽大氣和地球大氣中各成分的吸收，到達傳感器時存在寬度不等(0.1nm-10nm)、深度不同的吸收谷，稱為夫瑯和費暗線(Fraunhofer Lines)。SIF作為地表發射信號，疊加于反射信息之上，改變了夫瑯和費暗線的深度，利用SIF對夫瑯和費暗線的“井”填充效應，通過比對原始暗線深度及經SIF填充后的暗線深度，可以實現SIF的遙感反演。由于反演SIF至少利用一條夫瑯和費暗線，且對于任意一條暗線，傳感器的光譜分辨率愈高，觀測得到的原始暗線深度愈深，SIF對暗線的填充效應愈明顯，則SIF反演的魯棒性愈強。因此，SIF的遙感反演需要在高光譜分辨率條件下實現，其核心問題為如何準確得到未被熒光填充的原始暗線和被熒光填充后的暗線。
日光誘導葉綠素熒光 SIF(Sun/Solar-induced Chlorophyll Fluorescence)是植物在太陽光照條件下，由光合中心發射出的光譜信號(650—800 nm)，具有紅光(690 nm左右)和近紅外(740 nm左右)兩個波峰，能直接反映植物實際光合作用的動態變化。
SIF遙感是近年迅速發展起來的植被遙感技術，可彌補當前植被遙感觀測的不足，為陸地生態系統碳循環和植被監測等提供了新的思路和技術。
以基于“綠度”觀測的植被指數(如NDVI)為代表的植被遙感在過去30年極大地促進了從宏觀尺度上來理解和認識地球生物圈，但其只能通過“綠度”來探測植物“潛在光合作用”。
葉綠素熒光在植被光合生理探測方面具有獨*的技術優勢，是“實際光合作用”的直接探測方法。可以說植被葉綠素熒光遙感是近10年來植被遙感領域*具突破性的研究前沿。隨著研究和技術的發展，SIF遙感最近10幾年來得到了長足的進步。SIF是光下測量葉綠素熒光的典型代表，通過測量上行輻亮度對下行太陽光譜Fraunhofer暗線的填充來反演植被發出的葉綠素熒光強度，通常會得到如下的光譜曲線。
圖1 反演植被發出的葉綠素熒光強度
便攜日光誘導葉綠素熒光成像技術指標：
• 成像光譜范圍：670-780nm（650- 800nm）
• 成像傳感器：SCMOS（制冷/非制冷）
• 光譜分辨率：0.3~0.4nm
• 光譜采樣間隔：0.1nm
• 光譜波段數：100~1000個波段
• SNR：優于1000:1（峰值信噪比）
• 入射狹縫寬度：30μm
• 成像鏡頭：25mm定焦鏡頭
• 空間圖像分辨率：≥1200*1000
• 幀頻：1fps~100fps
• 接口：USB3.0
• 重量：＜2.27Kg;
主要功能：
• 動曝光、自動對焦、自動掃描速度匹配
• Shutter快門
• 輻射度、均勻性、鏡頭、反射率校準
• 太陽光實時采集（余弦校正器）
• 內置電池
• 內置推掃成像
• 輔助攝像監控
• 紅外熱成像
• 實時反演輸出
圖2 系統硬件及軟件界面
數據處理分析：
• 反射光譜數據存儲及輸出
• 高光譜數據立方體圖
• 實時太陽光譜采集/校正
• 植被指數：歸一化指數N DV I、比值指數SR、改進的葉綠素吸收反射指數MCARI、改進的葉綠素吸收反射指數1MCARI1、*優化土壤調整植被指數OSAVI等，也支持自定義波段計算公式。
反演模型：
技術特點：
參考光源強度信息與待測目標圖像的實時同幀并行采集功能
SIF成像光譜儀的入射狹縫區域中，設計有專門為光纖收集實時參考光源強度信息的結構，余弦校正模組會對收集來自各方的光進行勻化后，再經光纖傳導到入射狹縫的前端，確保在進行掃描成像時，每一幀頻都會記錄其獨立且與之同步對應的參考光源信息。避免因光強變化而引起的校準誤差，確保校準的相對獨立性，為定量研究等提供支持。
圖3 實時光纖光強采集
波段自定義設定和采樣間隔自定義
在軟件界面上，可對自定義光譜起始波段、終止波段、采用間隔的參數設置；且支持多個類似的操作，對感興趣區域和光譜細分精度進行設置，對非感興趣區域進行波段數量縮減，進而增加有效信號的提取和減少冗余數據量，提升采集效率的同時又保證了數據精度。
圖4 波段自定義設置界面
數據校正功能
反射率校正功能：
• 利用標準白板、灰布等可作為參考板，對采集的原始DN值數據進行反射率校準；
• 利用余弦校正模組實時采集的光照強度、暗背景等數據進行反射率校準；
輻射度校正功能：
• 相對輻射度校準；
• 絕對輻射度校準；
實時環境光（光強）校正處理
通常情況下，SIF成像系統是在光照非常好的情況下進行數據采集的，而偶發性的云層等帶來對拍攝目標區域和系統對光照采集的不一致性，可以利用實時采集的每一幀頻中對應的參考光源信息，與目標影像進行光強修正及算法處理。
*紅色區域為光強傳感器記錄的參考光源的影像區域 （占據多個像素點）；
*黃色區域為需要進行校準的目標區域；
*獨*的軟件數據分析功能；
圖5 實時光強校正數據處理
實時反演功能
首先，需要對原始的DN值數據進行實時反射率校正處理，系統軟件設置有存儲對應白幀和暗背景數據的文件夾，在執行采集之后，會自動進行反射率校準；其次，結合選擇的數學模型，可輸出對應的模型指標的反演結果。
圖6 實時反演
2、實測應用：
實測數據及反演輸出結果。
圖7 實測圖像及光譜
圖8 反演圖
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