光谱仪在远程监测农作物光合作用中的应用

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光谱仪在远程监测农作物光合作用中的应用
7 Z: h. ^$ t; c, M( ~2 Q7 \0 q? ?? ?? ?? ?? ?? ???顶尖科仪（中国）股份有限公司技术支持部
? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???发布日期：2011-8-3

光合有效辐射吸收系数 (The fraction of absorbed photosynthetically active radiation, fAPAR) 是一个反映地球表面生物层与大气层进行气体交换程度的重要参数，同样也是分析农作物产量的重要指标。通常，由于fAPAR与归一化差值植被指数（The Normalized Difference Vegetation Index）NDVI为线性关系，因此可用NDVI来反映fAPAR。（NDVI=(RNIRRred)/(RNIR+Rred)，其中，RNIR与Rred分别为近红外与红色光谱区域的反射率。）然而大量实验表明，fAPAR与NDVI只能用于测量农作物的成长阶段，一种比较合理的解释为在农作物的繁殖与衰老阶段，尽管其阔叶或华盖仍能阻挡辐射，但其所含的叶绿素减少，从而导致了NDVI值减小。

图1 同一农作物不同时间的反射率曲线

图2 不同试验田中同种农作物的差异
内布拉斯加州大学（University of Nebraska）连续多年从事农作物光合作用监测的研究工作，希望能寻找一种更精确测量fAPAR的方法。他们以大小相当的三块分别种有玉米与大豆的试验田作为实验对象，使用海洋光学的USB2000光谱仪，配以LS-1卤钨灯光源与反射探头，对玉米与大豆叶子表面进行反射测量，从而分析其叶绿素含量。同时，农业专家们还将一套双通道USB2000光谱仪固定于观测平台上，将一个通道的光纤垂直向上放置而将另一通道垂直对准地面，用于测量整个试验田的农作物上冠400-900nm波长范围的反射率，该系统的采样间隔为0.3nm，光谱分辨率约为1.5nm左右。专家们将测得的叶绿素含量与fAPAR值进行运算处理，得出fAPARGREEN值，并将该值与其他经过预处理的值（Red edge NDVI，Green NDVI值）共同作为参考，从而大大提高了fAPAR的精确度，并将其应用范围延伸至农作物的繁殖与衰老阶段，帮助农业专家与学者对不同农作物的整个生长阶段进行监控与分析。为了实验的测量效率与准确性，内布拉斯加州大学的专家们还设计了“Goliath”和“Hercules”两款测量车(见下图)
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