GaiaSky-SP-Vis&Nir&SIF无人机载植被冠层可见&近红外反射光谱&日光诱导荧光测试系统

日光诱导叶绿素荧光(SIF)是指叶绿素分子吸收光量子(主要指蓝光和红光),被激发的叶绿素重新发射光子回到基态而产生的一种光信号,光谱范围为650-800nm,并且在685nm和740nm处各有一个峰值,能直接反映植物实际光合作用的动态变化,而基于 “绿度”观测的植被指数(如NDVI等)仅反映植物潜在光合作用状况。SIF遥感自动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。
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    基本原理:

        日光诱导叶绿素荧光(SIF)是指叶绿素分子吸收光量子(主要指蓝光和红光),被激发的叶绿素重新发射光子回到基态而产生的一种光信号,光谱范围为650-800nm,并且在685nm和740nm处各有一个峰值,能直接反映植物实际光合作用的动态变化,而基于 “绿度”观测的植被指数(如NDVI等)仅反映植物潜在光合作用状况。SIF遥感自动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。植被叶绿素荧光是由植物光合机制发射出的光谱信号,与植物光合作用直接相关,可以作为植物光合作用效率研究的最直接且可测量的“无损有效探针”。通过提取SIF能够表征植物尤其是农作物的实时光合作用状况,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),可判断植物在不同环境胁迫下(肥料、水分、病胁迫、病虫害等)的生长状况。因此机载植被SIF遥感监测技术是高效、适时、快速、灵敏、无损探测植被的光合及生理状态及其与所处环境关系的理想监测技术,同时结合可见光高光谱、近红外观测,可广泛应用于评价植被等的健康状态。

    系统配置技术指标:

     

     

     

     

     

    型号

    Gaiasky-SP-VN

    可见-近红外植被反射光谱测量系统

    (400-1000nm)

    Gaiasky-SP-NIR

    近红外植被反射光谱测量系统

    (900-1700nm)

    Gaiasky-SP-VN&SIF

    可见近红外植被反射光谱以及叶绿素荧光测量系统

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

    Gaiasky-SP-VNIR

    可见&近红外植被反射光谱(4000nm-1000nm)

    &(900-1700nm)

    Gaiasky-SP-NIR&SIF

    近红外植被反射光谱以及叶绿素荧光测量系统

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

     

     

     

     

     

     

    可见近红外植被反射

    &

    叶绿素荧光测试光谱测量

    技术指标

    可见-近红外光谱仪

    叶绿素荧光测试光谱仪

    近红外光谱仪

    探测器

    Sony ILX511B linear silicon

    CCD array 2048

    2D,Back-thinned CCD Array

    1044x64 element CCD Hamamatsu

    Single 1mm InGaAs

    detector (uncooled)

    光谱范围

    400-1000nm

    650-800nm

    900-1700nm

    光谱仪狭缝SMA

    50um

    1mm高x25um宽

    1.8 x 0.025mm

    通讯方式

    USB2.0

    USB2.0

    Micro USB

    探测器尺寸

    14um*200um

    24um*24um

    Single 1mm InGaAs

    像素

    2048 Pixels

    1044*64(总共)/

    1024*58(有效)

    228Pixels

    光谱采样间隔

    0.3nm

    0.17nm

    3.5nm

    信噪比SNR

    250:1(满信号)

    1000:1

    > 5,000:1

    in 1s scan

    波长稳定性

    0.02nm/°C for 650nm range,

    0.06 pixels/°C

    <3pixel shift

    Typ. 10nm,

    Max. 12nm 

    Mean7.03nm

    Typ. +/- 1nm,

    Max. +/- 2nm

    积分时间

    1ms-65s

    8ms-60min

    0.635ms~

    60.960ms

    Fiber input  

    SMA905

    SMA905

    SMA905

    A/D转换

    16bit

    18bit

    24bit

     

     

     

     

     

    功能描述

    光谱校准

    采用Hg、Ne、Ar等作为标准光源对光谱进行波长校准定标。

     

    实时太阳光采集校准系统

    A、因探测器探测结果与太阳直接辐射的强度、方向以及散射辐射的强度及其空间分布相关,所有采样余弦校准器结构实时获取太阳光光照信息,使得探测器精准的按照余弦定律来采集,用于相对光谱强度和绝对光谱强度测量、发射光谱测量等。

    B、在对地(或者植被目标)一侧同样有一个余弦校准器结构,可快速的获取到目标的亮度等信息。

    C、系统在出厂时,利用国家计量单位标定的光源系统完成绝对辐射亮度定标(mw.cm2sr-1nm-1)。

    暗背景采集

    采样电子Shutter,在光纤入光口前设计电子快门结构,通过控制主板发送相应的指令,Shutter实现不同采集环境下的背景信号。

    辅助相机

    借助辅助摄像功能,可以获取监控目标区域的RGB等图像,以便更好的对研究区域进行定位。

    GPS定位

    获取被监测对象的经纬度信息,获取太阳升降时间的信息,以便触发系统运行与关闭等功能。

    多种数据格式输出等

    输出txt格式的文本数据;数据存储在内置SD存储卡;

     

    系统封装

    系统所有涉及到的硬件结构全部封装在相应的运输箱体内部。无需对光纤、信号线等进行大量的拆卸。适合长时间野外目标监测使用。内部结构布局、材料选择均符合技术应用需求。

    无人机型号

    DJ-M600Pro

    飞控系统,高清图传,长时续航,增稳云台,智能飞行电池。

    反射光谱测量的是植被生化组分等对入射光谱的吸收信息,能够反演植物群体的生化组分浓度信息。通过获取植被冠层在400nm-1700nm范围内的反射光谱信息,可反映植被冠层的生长状态及生化组分信息。例如利用作物水分敏感波段960nm/1450nm处的反射率可判断作物叶片、冠层的含水量关系。综合考虑叶片内部结构、叶片水分含量以及干物质等的影响,利用1600nm与820nm的反射率比值建立与等效水厚度EWT(Equivalent Water Thickness)的相关性。  

    仅依靠反射率光谱不能直接揭示植被光合作用及生理动态。通过获取植被叶片冠层等在680nm-800nm范围内的辐照度和副亮度光谱信息,可反演分析685nm处的O2-B和760nm处的O2-A的SIF信号。植物SIF信号与植物光合作用直接相关,可以反映植物的光合作用实际状态,与植物的总初级生产力密切相连。

    图1日光诱导叶绿素荧光无人机监测系统

    图2 日光诱导叶绿素荧光无人机监测系统

    无人机系统两个光谱仪的太阳下行入照度、植被上行辐亮度及反射率光谱

    观看视频:

    GaiaSky-SP-Vis&Nir&SIF飞行视频

     

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