【核心摘要】

-北京師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，SIF的"午晨比"（NMR）指標(biāo)能在NDVI和EVI尚無(wú)響應(yīng)時(shí)檢測(cè)到中等水分脅迫，嚴(yán)重脅迫時(shí)NMR降至約0.5。

-伊利諾伊大學(xué)研究顯示，基于高分辨率SIF（OCO-2）的產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型對(duì)2018年玉米R(shí)2達(dá)到0.77，大豆達(dá)到0.78，誤差分別為1.14 t/ha和0.36 t/ha。

-月均SIF比生長(zhǎng)季峰值或累積值更能反映不同生育階段的脅迫信息，說(shuō)明SIF捕捉的是隨生育期變化的時(shí)間動(dòng)態(tài)。

-愛(ài)博能ABN-SIF-1/2在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供分鐘級(jí)SIF日變化數(shù)據(jù)；ABN-SIF-UAV1/2無(wú)人機(jī)版本適合大面積田塊巡查。

-兩類(lèi)設(shè)備配合使用，能在產(chǎn)量決定窗口期內(nèi)提供比遙感植被指數(shù)更早的風(fēng)險(xiǎn)信號(hào)。

什么是日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）

日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿un-Induced Fluorescence, SIF）是植物在光合作用過(guò)程中向外釋放的微弱光信號(hào)。葉片吸收太陽(yáng)光后，一部分光能用于碳固定，另一部分以熒光形式散發(fā)。SIF直接反映光系統(tǒng)II（PSII）的實(shí)時(shí)運(yùn)行效率。NDVI和EVI測(cè)量的是冠層綠度，即葉片對(duì)可見(jiàn)光與近紅外光的反射率比值，屬于結(jié)構(gòu)層面的信息。SIF屬于功能層面的信號(hào)，能在葉片外觀出現(xiàn)可見(jiàn)變化之前反映光合效率的波動(dòng)。

水分脅迫信號(hào)如何在SIF中顯形

北京師范大學(xué)的實(shí)驗(yàn)對(duì)生長(zhǎng)期玉米施加了漸進(jìn)式水分脅迫，同步采集SIF、NDVI、EVI的日變化數(shù)據(jù)，持續(xù)觀測(cè)從正常狀態(tài)到嚴(yán)重脅迫再到復(fù)水恢復(fù)的全過(guò)程。

傳統(tǒng)指數(shù)在脅迫初期的盲區(qū)

脅迫初期，植株仍在生長(zhǎng)，葉面積指數(shù)（LAI）持續(xù)增加，綠度指數(shù)呈上升趨勢(shì)。NDVI和EVI在這一階段的響應(yīng)微弱。SIF的總熒光量同樣受到葉面積擴(kuò)張的遮蓋，生理上已經(jīng)出現(xiàn)的水分壓力信號(hào)被總量的增長(zhǎng)掩蓋了。

“午晨比"（NMR）指標(biāo)的發(fā)現(xiàn)

研究者提出了"午晨比"（NMR，noon-to-morning ratio）指標(biāo)：用同一天正午與清晨的SIF值相比。健康植株在正午仍能維持高效光合運(yùn)轉(zhuǎn)，NMR保持較高水平。受水分脅迫的植株午間光合受到抑制，清晨尚有余力，NMR因此下降。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)了清晰的梯度。當(dāng)脅迫進(jìn)入中等程度，NMR的下降已經(jīng)可以辨識(shí)，同期的NDVI和EVI變化仍非常微弱。到嚴(yán)重脅迫階段，SIF的NMR降至約0.5，降幅遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)植被指數(shù)。復(fù)水后，NMR有所回升，但仍低于脅迫前水平。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：SIF的日變化特征可以在葉片外觀尚無(wú)可見(jiàn)變化時(shí)，捕捉到水分限制已經(jīng)開(kāi)始?jí)褐乒夂闲实男盘?hào)。

隨著水分脅迫加劇及復(fù)水后，NDVI（紫色）、EVI（青色）、SIFAy（綠色）和 SIFBy（藍(lán)色）的正午-早晨比值（NMR）變化。(b) 圖內(nèi)直方圖顯示了RSM的下降。

從脅迫信號(hào)到產(chǎn)量預(yù)測(cè)

檢測(cè)到脅迫只是第一步。伊利諾伊大學(xué)的研究進(jìn)一步驗(yàn)證了SIF信號(hào)與最終產(chǎn)量之間的量化關(guān)系。

研究設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)美國(guó)中西部12個(gè)州的雨養(yǎng)玉米和大豆，系統(tǒng)比較了不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)在產(chǎn)量預(yù)測(cè)中的表現(xiàn)。數(shù)據(jù)源包括OCO-2和TROPOMI的SIF產(chǎn)品、GOME-2的SIF，以及NDVI、EVI、NIRv等傳統(tǒng)植被指數(shù)，配合5種機(jī)器學(xué)習(xí)算法建模。模型基于2015至2017年歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練，用于正向預(yù)測(cè)2018年產(chǎn)量。

預(yù)測(cè)結(jié)果

高分辨率SIF（來(lái)自O(shè)CO-2）對(duì)2018年玉米產(chǎn)量預(yù)測(cè)的R2達(dá)到0.77，大豆達(dá)到0.78，誤差分別為1.14 t/ha和0.36 t/ha。這是在收割之前、僅憑生長(zhǎng)季SIF數(shù)據(jù)得出的估算。粗分辨率的GOME-2 SIF在玉米上的R2為0.53。兩組數(shù)據(jù)之間的精度差距，與衛(wèi)星空間分辨率直接相關(guān)：OCO-2的像元尺寸更小，對(duì)田塊異質(zhì)性的捕捉更充分。

月均SIF的時(shí)間價(jià)值

研究發(fā)現(xiàn)，月均SIF比"生長(zhǎng)季峰值"或"累積SIF"更能反映不同生育階段的脅迫信息。這一結(jié)果指向一個(gè)判斷：脅迫信號(hào)的時(shí)間分布對(duì)產(chǎn)量的決定作用，強(qiáng)于脅迫總量。月均SIF保留了生育期內(nèi)的階段性波動(dòng)信息，峰值或累積值將這些波動(dòng)壓縮為一個(gè)標(biāo)量，丟失了"何時(shí)受脅迫"這一對(duì)產(chǎn)量影響最大的維度。

產(chǎn)量取決于脅迫發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。抽穗期的一周干旱和灌漿期的兩周干旱，對(duì)最終產(chǎn)量的影響差別很大。月均SIF恰好保留了這種時(shí)間分辨率。

基于氣候與遙感綜合變量的隨機(jī)森林模型對(duì)2018年玉米（左）和大豆（右）產(chǎn)量的預(yù)測(cè)偏差分布。模型使用2015–2017年數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。

地面連續(xù)監(jiān)測(cè)：補(bǔ)上衛(wèi)星SIF的分辨率缺口

衛(wèi)星SIF在大尺度產(chǎn)量預(yù)測(cè)上已有相當(dāng)積累，空間分辨率限制了它在田塊層面的精度，單田塊的預(yù)測(cè)仍存在較大不確定性。

地面連續(xù)監(jiān)測(cè)在這里補(bǔ)上了空缺。它以分鐘級(jí)時(shí)間分辨率記錄冠層SIF的日變化，與NMR指標(biāo)的采樣需求直接對(duì)接。地面SIF信號(hào)來(lái)自目標(biāo)田塊本身，避免了衛(wèi)星混合像元帶來(lái)的干擾。

ABN-SIF-1/2在線式日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測(cè)系統(tǒng)

我們提供的ABN-SIF-1/2在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全天候自動(dòng)采集日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈺r(shí)序數(shù)據(jù)，用于作物生理狀態(tài)的連續(xù)跟蹤。系統(tǒng)在脅迫出現(xiàn)的早期提供生理層面的預(yù)警窗口，數(shù)據(jù)精度覆蓋NMR計(jì)算所需的全天候日變化信息。

ABN-SIF-UAV1/2無(wú)人機(jī)載日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測(cè)系統(tǒng)

ABN-SIF-UAV1/2無(wú)人機(jī)載版本適合大面積田塊的定期巡查，配合地面站補(bǔ)充空間覆蓋。兩類(lèi)數(shù)據(jù)合用，能在產(chǎn)量決定窗口期內(nèi)，給出比遙感植被指數(shù)更早的風(fēng)險(xiǎn)信號(hào)。

ABN-SIF-1/2在線式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的連續(xù)監(jiān)測(cè)

常見(jiàn)問(wèn)題 FAQ

Q：日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒夂蚇DVI測(cè)量的到底是什么區(qū)別？

NDVI和EVI測(cè)量的是冠層綠度，反映葉片對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光的反射率比值。SIF測(cè)量的是光系統(tǒng)II釋放的熒光信號(hào)，直接反映光合作用的實(shí)時(shí)運(yùn)行效率。兩者屬于不同的信息維度：前者看"長(zhǎng)出了多少葉"，后者看"葉片在做什么"。

Q：NMR指標(biāo)需要什么樣的數(shù)據(jù)采集條件？

NMR需要同一天正午和清晨的SIF測(cè)量值。這要求監(jiān)測(cè)設(shè)備具備全天候連續(xù)采集能力。地面SIF在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以滿足這一時(shí)間分辨率要求，衛(wèi)星重訪周期較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)源則難以直接計(jì)算NMR。

Q：衛(wèi)星SIF和地面SIF在產(chǎn)量預(yù)測(cè)中各起什么作用？

衛(wèi)星SIF（如OCO-2、TROPOMI）適合大區(qū)域尺度的產(chǎn)量趨勢(shì)預(yù)測(cè)，R2在玉米上可達(dá)0.77。地面SIF提供分鐘級(jí)日變化數(shù)據(jù)，與NMR等日變化指標(biāo)對(duì)接，適合單田塊級(jí)別的早期脅迫預(yù)警。兩者配合使用可以覆蓋從區(qū)域到田塊的不同尺度需求。

Q：ABN-SIF系統(tǒng)適合什么類(lèi)型的用戶？

農(nóng)業(yè)科研站、農(nóng)技推廣部門(mén)、大型種植基地的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，以及對(duì)作物生理監(jiān)測(cè)有連續(xù)數(shù)據(jù)需求的科研機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)支持無(wú)人值守運(yùn)行。

愛(ài)博能（ABN）以光譜學(xué)與光電傳感技術(shù)為核心，提供溫室氣體監(jiān)測(cè)、植被遙感、光譜分析儀器及Solar Light防曬測(cè)試設(shè)備。如需了解ABN-SIF系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)或解決方案，歡迎聯(lián)系我們。

案例來(lái)源：

1. Liu et al. (2023). Diurnal Pattern of Sun-Induced Chlorophyll Fluorescence as Reliable Indicators of Crop Water Stress. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters.

2. Peng et al. (2020). Assessing the benefit of satellite-based Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence in crop yield prediction. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation.