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GaiaSky-SP-Vis&Nir&SIF無人機載植被冠層可見&近紅外反射光譜&日光誘導熒光測試系統

日光誘導葉綠素熒光(SIF)是指葉綠素分子吸收光量子(主要指藍光和紅光),被激發的葉綠素重新發射光子回到基態而產生的一種光信號,光譜范圍為650-800nm,并且在685nm和740nm處各有一個峰值,能直接反映植物實際光合作用的動態變化,而基于 “綠度”觀測的植被指數(如NDVI等)僅反映植物潛在光合作用狀況。SIF遙感自動監測系統與旋翼無人機的結合開辟了精準農業監測的新型應用。
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    基本原理:

        日光誘導葉綠素熒光(SIF)是指葉綠素分子吸收光量子(主要指藍光和紅光),被激發的葉綠素重新發射光子回到基態而產生的一種光信號,光譜范圍為650-800nm,并且在685nm和740nm處各有一個峰值,能直接反映植物實際光合作用的動態變化,而基于 “綠度”觀測的植被指數(如NDVI等)僅反映植物潛在光合作用狀況。SIF遙感自動監測系統與旋翼無人機的結合開辟了精準農業監測的新型應用。植被葉綠素熒光是由植物光合機制發射出的光譜信號,與植物光合作用直接相關,可以作為植物光合作用效率研究的最直接且可測量的“無損有效探針”。通過提取SIF能夠表征植物尤其是農作物的實時光合作用狀況,再結合熒光參數、葉綠素等生理生化參數(地面瞬時環境條件下測定),可判斷植物在不同環境脅迫下(肥料、水分、病脅迫、病蟲害等)的生長狀況。因此機載植被SIF遙感監測技術是高效、適時、快速、靈敏、無損探測植被的光合及生理狀態及其與所處環境關系的理想監測技術,同時結合可見光高光譜、近紅外觀測,可廣泛應用于評價植被等的健康狀態。

    系統配置技術指標:

     

     

     

     

     

    型號

    Gaiasky-SP-VN

    可見-近紅外植被反射光譜測量系統

    (400-1000nm)

    Gaiasky-SP-NIR

    近紅外植被反射光譜測量系統

    (900-1700nm)

    Gaiasky-SP-VN&SIF

    可見近紅外植被反射光譜以及葉綠素熒光測量系統

    (400nm-1000nm&650-800nm)

    Gaiasky-SP-VNIR

    可見&近紅外植被反射光譜(4000nm-1000nm)

    &(900-1700nm)

    Gaiasky-SP-NIR&SIF

    近紅外植被反射光譜以及葉綠素熒光測量系統

    (900nm-1700nm&650-800nm)

     

     

     

     

     

     

    可見近紅外植被反射

    &

    葉綠素熒光測試光譜測量

    技術指標

    可見-近紅外光譜儀

    葉綠素熒光測試光譜儀

    近紅外光譜儀

    探測器

    Sony ILX511B linear silicon

    CCD array 2048

    2D,Back-thinned CCD Array

    1044x64 element CCD Hamamatsu

    Single 1mm InGaAs

    detector (uncooled)

    光譜范圍

    400-1000nm

    650-800nm

    900-1700nm

    光譜儀狹縫SMA

    50um

    1mm高x25um寬

    1.8 x 0.025mm

    通訊方式

    USB2.0

    USB2.0

    Micro USB

    探測器尺寸

    14um*200um

    24um*24um

    Single 1mm InGaAs

    像素

    2048 Pixels

    1044*64(總共)/

    1024*58(有效)

    228Pixels

    光譜采樣間隔

    0.3nm

    0.17nm

    3.5nm

    信噪比SNR

    250:1(滿信號)

    1000:1

    > 5,000:1

    in 1s scan

    波長穩定性

    0.02nm/°C for 650nm range,

    0.06 pixels/°C

    <3pixel shift

    Typ. 10nm,

    Max. 12nm 

    Mean7.03nm

    Typ. +/- 1nm,

    Max. +/- 2nm

    積分時間

    1ms-65s

    8ms-60min

    0.635ms~

    60.960ms

    Fiber input  

    SMA905

    SMA905

    SMA905

    A/D轉換

    16bit

    18bit

    24bit

     

     

     

     

     

    功能描述

    光譜校準

    采用Hg、Ne、Ar等作為標準光源對光譜進行波長校準定標。

     

    實時太陽光采集校準系統

    A、因探測器探測結果與太陽直接輻射的強度、方向以及散射輻射的強度及其空間分布相關,所有采樣余弦校準器結構實時獲取太陽光光照信息,使得探測器精準的按照余弦定律來采集,用于相對光譜強度和絕對光譜強度測量、發射光譜測量等。

    B、在對地(或者植被目標)一側同樣有一個余弦校準器結構,可快速的獲取到目標的亮度等信息。

    C、系統在出廠時,利用國家計量單位標定的光源系統完成絕對輻射亮度定標(mw.cm2sr-1nm-1)。

    暗背景采集

    采樣電子Shutter,在光纖入光口前設計電子快門結構,通過控制主板發送相應的指令,Shutter實現不同采集環境下的背景信號。

    輔助相機

    借助輔助攝像功能,可以獲取監控目標區域的RGB等圖像,以便更好的對研究區域進行定位。

    GPS定位

    獲取被監測對象的經緯度信息,獲取太陽升降時間的信息,以便觸發系統運行與關閉等功能。

    多種數據格式輸出等

    輸出txt格式的文本數據;數據存儲在內置SD存儲卡;

     

    系統封裝

    系統所有涉及到的硬件結構全部封裝在相應的運輸箱體內部。無需對光纖、信號線等進行大量的拆卸。適合長時間野外目標監測使用。內部結構布局、材料選擇均符合技術應用需求。

    無人機型號

    DJ-M600Pro

    飛控系統,高清圖傳,長時續航,增穩云臺,智能飛行電池。

    反射光譜測量的是植被生化組分等對入射光譜的吸收信息,能夠反演植物群體的生化組分濃度信息。通過獲取植被冠層在400nm-1700nm范圍內的反射光譜信息,可反映植被冠層的生長狀態及生化組分信息。例如利用作物水分敏感波段960nm/1450nm處的反射率可判斷作物葉片、冠層的含水量關系。綜合考慮葉片內部結構、葉片水分含量以及干物質等的影響,利用1600nm與820nm的反射率比值建立與等效水厚度EWT(Equivalent Water Thickness)的相關性。  

    僅依靠反射率光譜不能直接揭示植被光合作用及生理動態。通過獲取植被葉片冠層等在680nm-800nm范圍內的輻照度和副亮度光譜信息,可反演分析685nm處的O2-B和760nm處的O2-A的SIF信號。植物SIF信號與植物光合作用直接相關,可以反映植物的光合作用實際狀態,與植物的總初級生產力密切相連。

    圖1日光誘導葉綠素熒光無人機監測系統

    圖2 日光誘導葉綠素熒光無人機監測系統

    無人機系統兩個光譜儀的太陽下行入照度、植被上行輻亮度及反射率光譜

    觀看視頻:

    GaiaSky-SP-Vis&Nir&SIF飛行視頻

     

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