（物理海洋学专业论文）叶绿素荧光遥感研究.pdf

叶绿素荧光遥感研究 叶绿素荧光遥感研究 摘要 本文详细介绍了叶绿素荧光的原理、测量方法和遥感算法，以及在“基线荧 光高度算法和“荧光量子产量 两个领域的研究成果。 本文使用水体辐射传输数值计算软件y d r o i i 曲t4 2 ，模拟计算了在不同浓 度的黄色物质和悬浮泥沙存在的水体中，m o d i s 波段的荧光基线高度f l h 的变 化，研究了黄色物质和悬浮泥沙对f l h 的影响。结果显示，f l h 随黄色物质变 化的相对误差在l o 左右。而悬浮泥沙对f l h 的影响非常显著，由于悬浮泥沙 的散射峰直接覆盖了叶绿素荧光波段，整体抬高了红光和近红外光谱的遥感反射 率，且在悬浮泥沙浓度到达2 0 - - 3 0 m g l 时，荧光信号将完全被淹没，通过基线 荧光高度算法已无法获取荧光信息，算法将出现失效。在5 m g l 的悬浮泥沙浓 度时，f l h 受到的影响远远超过了3 0 。 基于在实验海区( 大连湾) 现场测量的水面之上光谱数据和实验室测量的 同步叶绿素浓度和吸收系数等数据，本文使用回归分析方法获得了基线荧光高度 - r 一一 算法f l h 与叶绿素浓度的经验关系，结果显示，荧光基线高度f l h 与总叶绿素 a 浓度存在强烈的正相关关系。通过四种模型( 线性、二项式、指数模型以及g o w e r 回归模型) 回归的结果都非常好，其中线性回归结果为f l h = o 3 6 7 2 9 + 0 0 1 7 8 8 * c h l a ，相关系数r 2 达到0 8 9 。比较了不同传感器( m o d i s 、m e r i s 和g l i ) 计算的f l h 与叶绿素浓度回归关系的差异，发现m o d i s 波段建立的荧 光高度f l h 与叶绿素a 浓度的相关性更高一些，m 脚s 和g l i 相关性相对较低 的原因主要来源于靠近荧光峰的右侧基线波段的设置。， 通过在实验海区( 渤海) 现场测量的水面之下光谱数据和实验室测量的同 步叶绿素浓度和吸收系数等数据，发现该海区的活体叶绿素荧光量子产量最大值 在0 0 6 左右，大部分数值分布在0 0 0 1 0 0 2 的范围内，这一结果同国外计算的 结果基本一致。此外，在很多邻近站位间，还发现荧光量子产量同光合有效辐射 时绿素荧光遥感研究 i p a r 之间存在明显的负相关关系。本文对平均叶绿素比吸收系数、6 7 8 n m 时绿 素比吸收系数以及光合有效辐射的漫衰减系数等几个重要的生物光学参量进行 了回归分析，发现在实验海区叶绿素比吸收系数的回归关系与其它海区的结果相 差较大，说明浮游植物的固有光学量存在明显的海区差异。然而，光合有效辐射 的漫衰减系数同硒( 4 9 0 ) 的相关关系同其它海区的结果相差不大。 基于浮游植物生理学和生物光学原理，本文利用m o d i s 卫星数据建立了一 种估算量子产量的算法1 算法；通过2 0 0 6 年3 月2 3 日渤海和北黄海的 m o i ) i s 数据计算了荧光量子产量，并与叶绿素荧光效率c f e 产品进行了比较。 新算法避免了c f e 算法存在的几个主要的误差源：包括未考虑浮游植物的“包 裹效应”、使用4 1 2 n m 的离水辐亮度反演的浮游植物吸收系数以及积分深度过 浅。比较渤海和北黄海m o d i s 数据的结果表明，比c f e 存在更小的误差， 有效值区域更大，可以提供更多荧光量子产量的信息。c f e 在大部分海域出现负 值，还出现了某些高估点：在有效数据范围内，两者存在明显的线性相关关系。 p 算法估算的量子产量最高值在o 0 5 左右，这与文献给出的在其它海区测量的值 域范围基本一致。除辽东湾东北部和部分近岸水域外，大部分离岸水域在0 0 0 1 0 0 2 的范围内。通过对9 算法的误差来源分析，认为发展一种新的反演6 7 8 n m 比吸收系数和平均吸收系数的波段比值算法是可行的，也是改进9 算法精度的有 效方法。 随着卫星传感器的发展、荧光遥感理论的成熟、现场观测数据和卫星遥感数 据的积累与分析，叶绿素荧光遥感将在海洋光学、海洋生态学、浮游植物生理学、 水色遥感以及赤潮监测等领域中继续发挥重要的作用。 美键词：叶绿素荧光遥感；叶绿素a 浓度；荧光基线高度( f l h ) ；荧光量子产量； m o dis 叶绿素荧光遥感研究 in v e s tig a tio n so nc hio r o p h yiiflu o r e s c e n c er e m o t e 5 e n sin g a b s t r a c t t h i ss t u d ym a k e ss o m e i n v e s t i g a t i o n s o l l c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c er e m o t e s e n s i n g f i r s t l y , t h ep r i n c i p l e ，m e a s u r e m e ma n dr e m o t es e n s i n ga l g o r i t h m so f c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c er e m o t es e n s i n ga r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h e nt h er e s u l t so f r e s e a c h e sc o n c e r n i n gf l u o r e s c e n c el i n eh e i g h ta l g o r i t h ma n df l u o r e s c e n c eq u a n t u m y i e l dh a v eb e e np r e s e n t e d u t i l i z i n gn y d r o l i g h t4 2 ，t h ef a m o u sr a d i a t i v et r a n s f e rn u m e r i c a lc a l c u l a t i n g s o f b c c a r e ，t h i ss t u d yf i r s ta n a l y s e st h ei n f l u e n c e so fy e l l o ws u b s t a n c ea n ds u s p e n d e d m a t t e ro nt h ef l u o r e s c e n c el i n eh e i g h t ( f l h ) i nn a t u r a lw a t e r s t h ec a l c u l a t i o n ss h o w t h a tt h er e l a t i v ee r r o r so ff l hr e s u l t e df r o my e l l o ws u b s t a n c er e a c h10 a r o u n d ， g e n e r a l l y h o w e v e r , t h ee f f e c to fs u s p e n d e dm a t t e ro nf l h e r r o ri sm o r er e m a r k a b l e t h e s c a t t e r i n gs i g n a lo fs u s p e n d e dm a t t e rc o v e r st h ec h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c er e g i o n , a n dr a i s e st h ew h o l er e da n di r r 盱a r e ds p e c t r ao fr e m o t es e n s i n gr e f l e c t a n c e ，e v e nm a y e n t i r e l ys u b m e r g et h ef l u o r e s c e n c es i g n a lt oi n v a l i d a t ef l u o r e s c e n c ea l g o r i t h mw h e n t h ec o n c e n t r a t i o no fs u s p e n d e dm a t t e rr e a c h e s2 0 - 3 0m g l e v e ni nw a t e r sw i n l5 m g ls u s p e n d e dm a t t e r , t h ei n f l u e n c eo nf l hm a r k e d l ye x c e e d s3 0 s e c o n d l y , a ne x p e r i e n t i a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l ha n d t o t a l c h l o r o p h y l l c o n c e n t r a t i o ni so b t a i n e d ，b a s e do nr e g r e s s i o na n a l y s e su s i i 培t h ei n - s i t um e a s u r e d d a t a i n c l u d i n gw a t e r - l e a v i n g r a d i a n c e s p e c t r a , c h l o r o p h y l lc o n c e n t r a t i o na n d a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t t h er e s u l ts h o w sas t r o n gp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nf l h a n dc h l o r o p h y l lc o n c e n t r a t i o ni nf o u rr e g r e s s i o nm o d e l s ，s u c ha sl i n e a r , b i n o m i a l ， e x p o n e n t i a la n dg o w e r sm o d e l s e s p e c i a l l y , i nt h el i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o no f f l h = o 3 6 7 2 9 + 0 0 1 7 8 8 宰 c h l a ，a n dt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ，r 2 ，r e a c h e so 8 9 t h e c o m p a r i o n sa m o n gd i f f e r e n tb a n d so nt h r e es e n s o r s ，i n c l u d i n gm o d i s ，m e r i sa n d 叶绿素荧光遥感研究 g l i ，d e m o n s t r a t et h a tt h ec o r r e l a t i o nf o rm o d i sb a n d sa p p e a r sh i g h e r , r e s u l t i n gf r o m t h er i g h tb a s e l i n eb a n dc l o s et of l u o r e s c e n c ep e a ko nm e r i sa n dg l i s u n - i n d u c e dc h l o r o p h y l l - af l u o r e s c e n c es i g n a l sh a v eb e e nm e a s u r e di nb o h a i s e au s i n ga nu n d e r w a t e rh y p e r s p e c t r a ls p e c t r o r a d i o m e t e r t h i ss t u d yc o m b i n e st h e s e s i g n a l sw i t ho t h e ra p p a r e n ta n di n h e r e n to p t i c a lp r o p e r t i e st od e r i v et h ei nv i v o f l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d ( f q y ) ，a n dc a m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h em a x i m u m w a sa r o u n d0 0 6 ，t h ea v e r a g ev a l u er e a c h e d0 017 ，w i t hm o s tv a l u e sr a n g i n gf r o m 0 0 01t o0 0 2 ，w h i c ha r ec o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t so b t a i n e di no t h e rs e aa r e a s b e s i d e s ， a no b v i o u s n e g a t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e nf q ya n di n s t a n t a n e o u s p h o t o s y n t h e t i c a l l ya v a i l a b l er a d i a n c e ( i p a r ) w a sf o u n da m o n gs o m ea d j a c e n ts t a t i o n s s o m ee m p i r i c a lr e l a t i o n s h i p sb a s e do ni n - s i t um e a s u r e m e n t sa lee s t a b l i s h e da n d v a l i d a t e di nt h i ss t u d y , a n dc o m p a r e dw i t ht h ef o r m e rr e s u l t s i ti ss h o w nt h a tt h e c o e l a t i o nb e t w e e ni n h e r e n to p t i c a lp r o p e r t i e sa n dc h l o r o p h y l l - ac o n c e n t r a t i o ni s h i g h l yd i f f e r e n tf r o mo t h e rs e aa r e a s ；h o w e v e r , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f u s e a t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t si sc o m p a r a t i v e l ys t a b l e o nt h eb a s i so fa n a l y s e so f p h y t o p l a n k t o np h y s i o l o g ya n db i o - o p t i c s ，t h i ss t u d y p r o p o s e st h a t t h e c f e ( c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c ee f f i c i e n c y ) a l g o r i t h mi s n o ta p r e c i s i o na p p r o a c h t oe s t i m a t e f q y b yu s m gm o d e r a t er e s o l u t i o ni m a g i n g s p e c t r o m e t e r ( m o d i s ) d a t a ，a n dt h e np r e s e n t san e wm o d i sa l g o r i t h mf o rm o r e a c c u r a t ee s t i m a t i o no ff q y n l ef q yc o m p u t a t i o nw a sd o n ew i t ht h em o d i s t e r r ad a t ao b t a i n e di nb o h a ia n dn o r t h y e l l o ws e a0 1 1f e b r u a r y2 3 ，2 0 0 6 ，a n dt h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w om e t h o d sw a sm a d e n 比r e s u l t ss h o wt h a tc f ea p p e a r e d n e g a t i v ei nm a n ya r e a sa n dd i s t i n c to v e r e s t i m a t ei ns o m ep o i n t s ，t h en e wp r o d u c te e 髓 w a sl i k e l ym o r ee f f e c t i v e ，t h em a x i m u mw a sa b o u t0 0 5 ，a n dm o s tv a l u e sr a n g e df r o m 0 0 01t oo 0 2 ，w h i c hw e r ec o n s i s t e n t 谢t ht h er e s u l t so b t a i n e di ns i t u t h r o u g ha s i m p l ee r r o ra n a l y s i so f s t ，t h ep a p e rh o l d st h a t , f o ri m p r o v i n gt h ea c c u r a c y , a b a n d r a t i om e t h o df o rd i r e c t l yr e t r i e v i n go p t i c a lp r o p e r t i e sn e e d st ob ee x p l o r e dt o r e p l a c e t h e s ee m p i r i c a lr e l a t i o n s h i p su s e di nt h ea l g o r i t h m w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fs a t e l l i t e s e n s o r s ，t h em a t u r i t yo ff l u o r e s c e n c e r e m o t e s e n s i n ga l g o r i t h m ，t h ea c c u m u l a t i o na n da n a l y s i so ff i e l da n ds a t e l l i t ed a t a ， 叶绿素荧光遥感研究 e h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c er e m o t es e n s i n gw i l lp l a y a l li m p o r t a n tr o t ei i io p t i c a l o c e a n o g r a p h y , m a r i n eb i o n o m i c s ，p h y t o p l a n k t o np h y s i o l o g y , o c e a nc o l o rr e m o t e s e n s i n ga n dh a b s ( h a r m 砌a l # b l o o m s ) m o n i t o r i n g k e y w o r d s ：c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c er e m o t es e n s i n g ，c h l o r o p h y l l ac o n c e n t r a t i o n ， f l u o r e s c e n c el i n eh e i g h t l h ) ，f l u o r e s c e n c eq u a n t u my e i l d ，m o d i s 3 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；翅遗直墓丝重噩挂别直明的：奎栏豆窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：癣l 噩签字日期：x 硝璋善月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：毒节t j ，噩 导师签字： 喇刁秒 签字日期： c 谚年6 月7 日签字日期：础年莎月7 日 叶绿素荧光遥感研究 1 前言 1 1 引言 某些特定物质在吸收了某种波长的光能后，自身会发射另一种长波辐射光， 这一现象称为荧光，这种物质称为荧光物质。 像很多其他有机分子一样，植物体中的叶绿素也是一种荧光物质。绿色植物 在进行光合作用的同时会发射荧光。叶绿素体内包含两个光合作用反应中心：光 系统i ( p h o t o s y s t e mi ，p si ) 和光系统i i ( p h o t o s y s t e mi i ，p si i ) 。光合作用所需 要的光能首先被光系统i i 中的捕光复合体( l i g h th a r v e s t i n gc o m p l e x e s ，l h c ) 吸收后，其中一部分能量参与光化学反应( 光合作用) ，另外一部分被用于非光 化学过程( 通常是以热能的形式耗散掉) ，剩下的一小部分以荧光的形式再发射 出去，如图1 1 所示。由于再发射出去的荧光能量比吸收光的能量小很多，因此 它的波长就比吸收光的波长要长一些。活体叶绿素的荧光信号很微弱，一般不超 过入射光能的5 ，但它仍被认为是浮游植物光合作用和生理状态最有效的探针 之一。 图1 1 叶绿素荧光产生的示意图 1 2 叶绿素荧光的研究进展 叶绿素荧光现象的首次记载可以追溯到1 8 3 4 年。苏格兰神父d a v i db r e w s t e r 叶绿素荧光遥感研究 发现，当一束太阳光穿过月桂叶子的乙醇提取液时，溶液的颜色变成了绿色的互 补色红色，而且颜色随溶液的厚度而变化【。1 8 5 2 年，s t o k e s 在考察奎宁和 叶绿素的荧光时，用分光计观察到其荧光的波长比入射光的波长稍为长些，才判 明这种现象是这些物质在吸收光能后重新发射不同波长的光，而不是由光的漫射 作用所引起的，从而引入了荧光是光发射的概念，也发明了“f l u o r e s c e n c e ”一词 2 1 。而这之前，荧光现象一直被解释为光的散射或反射现象，被称为“发荧色散 ( e p i p o l i cd i s p e r s i o n ) 、“内部色散( i n t e m a ld i s p e r s i o n ) ”或“色散反射( d i s p e r s i o n r e f l e x i o n ) 。s t o k e s 还对荧光强度与浓度之间的关系进行了研究，描述了在高浓 度时以及外来物质存在时的荧光淬灭现象。此外，他还是第一个( 1 8 6 4 年) 提出 应用荧光作为分析手段的人。 1 2 1 主动荧光测量 1 9 6 3 年，y e n t s c h 和m e n z e l ( 1 9 6 3 ) 介绍了荧光测量叶绿素浓度的方法一 通过蓝光激发的叶绿素荧光量同叶绿素浓度之间可以建立简单的线形关系【3 1 。三 年后，l o r e n z e n ( 1 9 6 6 ) 描述了使用t u r n e r 荧光计连续测量水中活体叶绿素浓度 的方法，并使用改进的t u r n e ri l l 型荧光计进行了2 l 天的海上连续走航观测f 4 1 。 这种方法经过不断改进，仍然沿用至今( a r a ra n dc o l l i n s19 9 7 ；d a n d o n n e a ua n d n e v e u x19 9 7 ) 5 , 6 1 。 此后，通过使用除草剂操控浮游植物的生理状态以观测荧光变化的方法使人 们对光合作用和荧光过程有了进一步的认识和理解( s a m u e l s s o na n do q u i s t1 9 7 7 ； s a m u e l s s o ne ta 1 19 7 8 ；c u l l e na n dr e n g e r19 7 9 ；r o ya n dl e g e n d r e19 7 9 ；19 8 0 ； v i n c e n t1 9 8 1 ) 7 - 1 2 】。科学家们对光合作用和荧光机理不断深入的研究，最终形成 了一门新的实验科学一一叶绿素荧光诱导动力学。1 9 8 3 年，德国的u l r i c h s c h r e i b e r 博士发明并制造了第一台脉冲调制荧光计( p a mf l u o r o m e t e r ) 1 3 】，之后， 又出现了高速连续激发式荧光计( f r rf l u o r o m e t e r ) 。这些通过控制入射光强影响 光合作用、观测荧光变化的方法不仅快速、灵敏、有效，而且还可以非侵入式地 提供大量光合作用生理学的信息( f a l k o w s k ia n dk o l b e r19 9 3 ，19 9 5 ；k o l b e ra n d f a l k o w s k i1 9 9 3 ；k o l b e re ta 1 1 9 9 8 、 i , - i7 】。 1 2 2 被动荧光测量 2 叶绿素荧光遥感研究 1 9 7 0 年，t y l e r 和s m i t h ( 1 9 7 0 ) 使用s c r i p p s 光谱仪，在s a nv i c e n t e 水库首 次进行了现场的被动荧光测量【1 8 】。在水体的测量光谱中，6 8 5 n m 处存在一个明 显的叶绿素荧光峰。然而，他们当时并没有辨认出那就是叶绿素荧光，而把它解 释为由于6 7 0 n m 处的叶绿素吸收而导致的“异常色散( a n o m a l o u sd i s p e r s i o n ) 。 g o r d o n ( 1 9 7 4 ) 当时也同意这种解释f 1 9 】。随着m o r e l 和p r i e u r ( 1 9 7 7 ) 、n e v i l l e 和 g o w e r ( 1 9 7 7 ) 的进一步研究 2 0 , 2 1 1 ，5 年后，g o r d o n ( 1 9 7 9 ) 认识到“异常色散” 的解释是不正确的，并确认这就是叶绿素荧光删。 1 9 7 7 年，n e v i l l ea n dg o w e r ( 1 9 7 7 ) 首次通过机载光谱仪遥感水体反射率光 谱【2 ，测量结果显示6 8 5 n m 处的荧光峰高度同叶绿素浓度之间存在很强的相关 关系。他们第一次阐明了用反射率光谱中的太阳激发荧光决定叶绿素浓度的可能 性。几年后，g o w e r ( 1 9 8 0 ) 在s a a n i c h 港第一次通过船载光谱仪测量的荧光线高 度同叶绿素浓度建立的线性关系，进一步证实了荧光高度反演叶绿素浓度的可行 性【2 3 1 。 之后的十年里，g o w e r 利用了具有更多波段、更窄波段宽度的传感器继续进 行荧光研究，最后发展到最适合荧光测量的荧光线成像仪( f l u o r e s c e n c el i n e i m a g e r ，f u ) ( g o w e ra n db o r s t a d19 9 0 ) 【2 4 】。 此后，越来越多的科学家致力于将荧光算法应用到水色卫星遥感上面。潘德 炉等( 1 9 8 9 ) 为卫星遥感提供了两组最佳的波段组合，可以有效的避开大气中水 汽和氧气的吸收对荧光峰造成的影响f 2 5 】。1 9 9 0 年，f i s c h e r 与其同事通过辐射传 输模型模拟研究了影响荧光遥感的若干因素，包括浮游植物的物种和生理状态、 叶绿素吸收系数、荧光效率、太阳天项角、波段选择、水中黄色物质和悬浮泥沙 的含量、大气成分等( f i s c h e ra n dk r o n f e l d19 9 0 ：f i s c h e ra n ds c h i n s s e l19 9 0 ) 1 2 6 2 7 】 o 此外，g i l t e l s o n 等科学家( k i s h i n oe ta 1 1 9 8 6 ；v o se ta 1 1 9 8 6 ：m i t t e n z w e ye t a 1 1 9 9 1 ，1 9 9 2 ：g i t e l s o na n dk e y d a n1 9 9 0 ；g i l t e r s o na n dk o n d r a t e t1 9 9 l ；g i t e l s o n 1 9 9 2 ，1 9 9 3 ；g i t e r l s o ne ta 1 1 9 9 6 ，2 0 0 0 ；赵冬至等2 0 0 5 a ，2 0 0 5 b ) 提出了一种 不同于基线荧光高度反演叶绿素浓度的方法称为反射率比值或归一化荧光 高度法f 2 8 。3 9 1 。b a b m 等科学家( b a b i ne ta 1 19 9 6 ；f e l le ta 1 2 0 0 3 ；h u o tc ta l ，2 0 0 5 ) 从浮游植物生理学的角度对荧光线高度法进行改进p 2 1 。 叶绿素荧光遥感研究 1 9 9 9 年以后，设计有荧光遥感波段的水色卫星传感器m o d i s 、m e r i s 、g l i 、 c m o d i s 相继升空( 2 0 0 8 年韩国即将发射第一颗静止水色卫星g o c i ) ，标志着 荧光反演叶绿素的研究已进入了卫星遥感的阶段。人们开始进行荧光遥感算法的 评价和改进以及局地算法的研究工作( g o w e ra n dk i n g2 0 0 7 ；g o w e re ta 1 2 0 0 4 ， 2 0 0 5 ；赵冬至等2 0 0 4 a ，2 0 0 4 b ；h ue ta 1 2 0 0 5 ) 4 3 - 4 8 。 1 3 叶绿素荧光的研究意义 叶绿素荧光作为浮游植物吸收太阳光后一个重要的能量释放过程，它同浮游 植物的生物量和光合作用过程有着密切的联系。主动荧光测量通过调整入射光源 控制荧光强度的变化的方法叶绿素荧光诱导动力学已成为研究光合作 用和浮游植物生理学信息的有效工具和主流方法【4 9 】。被动荧光测量通过水体反 射率或遥感反射率光谱中提取的太阳光激发的叶绿素荧光信号，估算表层叶绿素 浓度或发展基于荧光波段的卫星遥感算法，也成为目前水色遥感研究的热点和新 的发展方晌j t 5 0 , 5 1 】。 1 3 1 叶绿素荧光诱导动力学 叶绿素荧光诱导动力学( c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c ei n d u c t i o nd y n a m i c s ) 技术 被称为研究植物光合作用的快速、无损伤探针。叶绿素荧光动力学技术在测定植 物光合作用过程中，光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的 作用，与“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性” 的特点。 叶绿素荧光分析具有观测手续简便，获得结果迅速，反应灵敏，可以定量， 对植物无破坏、少干扰的特点。它既可以用于叶绿体、叶片和藻类，也可以遥感 用于群体、群落。它既是室内光合作用基础研究的先进工具，更是室外自然条件 下诊断植物体内光合机构运转状况、分析植物对逆境响应机理的重要方法。 目前叶绿素荧光诱导动力学可以用于植物生理学、植物育种、园艺学、农艺 学、林学、生态学、农用化学、海洋与湖沼学、水域生态学、微藻生物技术和环 境保护等领域。其研究应用还在不断扩展中： 在传统的生理学研究领域：是研究光合作用的必须手段。 在植物逆境生理研究领域：检测环境压力下的抗逆性。 4 叶绿素荧光遥感研究 在植物保护和农药研究领域：检测农药药害，揭示作用机理。 在植物营养研究领域：检测营养盐缺乏( 与光合过程有关的) 。 在作物遗传育种研究中：研究子代的品质差异，筛选良种。 在水域生态学研究领域：研究水域光合作用，揭示水体生态系统动力学。 在微藻生物技术领域：是微藻健康状况的有效探针。 在环境保护领域：用于环境检测和监测。 1 3 2 叶绿素荧光遥感算法 从第一代水色卫星c z c s 开始，人们最早使用的反演叶绿素浓度的方法是基 于蓝绿波段的辐亮度比值；其后，第二代水色卫星s e a w i f s 继续使用蓝绿比值 法；而从第三代水色卫星( m o d i s 、m e r i s 、g l i ) 开始，人们开始尝试发展一 种新的基于荧光波段的反演算法。它是通过海洋水色卫星的三个红光波段遥感到 的荧光辐射量反演海表面叶绿素浓度的遥感方法，是继蓝绿比值法后海水叶绿素 浓度反演的重要方法。 在开阔大洋的一类水体中，悬浮泥沙和黄色物质含量很少，海水的光学性质 主要由浮游植物决定，且大洋中的叶绿素a 浓度也不是很高，蓝绿比值法已相当 成熟。但对于近岸的二类水体，由于悬浮泥沙和黄色物质的增多，悬浮泥沙的后 向散射和黄色物质的强烈吸收直接影响了海水的光学性质，导致反演水色信息的 工作变得十分复杂，使蓝绿比值法不再完全适用。加之近岸水体叶绿素浓度较高， 经常出现富营养甚至发生赤潮。在叶绿素a 浓度极高的海域，蓝光信号降到了探 测极限以下，使蓝绿比值法几乎不可用。对于复杂的二类水体以及赤潮水体，荧 光遥感是蓝绿比值法的重要补充，它为有效地解决这些复杂水体的叶绿素遥感带 来了新希望。 长期试验研究表明，荧光法对于二类水体和赤潮水体的叶绿素浓度反演精度 的改善效果明显。首先，红光波段的叶绿素荧光峰只携带了叶绿素的信息，悬浮 泥沙和黄色物质对其影响很小，有利于叶绿素浓度的直接反演；其二，红光波段 受大气中气溶胶吸收的影响很小，基本不需要做大气校正；其三，对于高叶绿素 浓度的水体，蓝绿波段比值很小，基本降至探测极限以下，而荧光随叶绿素浓度 的增加而升高，仍是极为有效的探针。对于富营养水体甚至是赤潮水体，叶绿素 浓度极高，蓝绿比值法已经不可用。虽然荧光有随叶绿素浓度增大而峰值向长波 叶绿素荧光遥感研究 波段移动的“红移现象”，使荧光遥感方法对于赤潮水体也有一些困难。但通过 对波段的合理设计，荧光仍然是现今解决赤潮水体叶绿素浓度遥感的唯一有效的 方法。 1 4 本文的研究内容 本文的研究内容主要侧重于叶绿素荧光遥感算法的研究。对于主动荧光测量 的原理、方法和叶绿素荧光诱导动力学仅作简要的介绍。 第2 章主要讨论了叶绿素荧光的发生原理和一些重要的概念，如原初反应、 量子产量以及荧光淬灭等。之后简要描述了两种简单的荧光模型：b u t l e r 荧光模 型和k i e f e r - r e y n o l d s 荧光模型。两种荧光模型对于理解叶绿素荧光原理，特别 是荧光量子产量概念，有着重要的帮助。 第3 章介绍了叶绿素荧光的测量方法，主动荧光测量主要包括四种方法： t u r n e r 荧光计、脉冲调制荧光计、高速连续激发式荧光计和激光雷达荧光计。被 动荧光测量方法中详细介绍了水上光谱辐射计和水下光谱剖面仪的仪器指标、测 量原理、测量方法已及数据处理。 第4 章主要讨论了两种叶绿素荧光遥感算法：基线荧光高度法和归一化荧光 高度法，并对其原理、方法、研究进展做了全面的介绍与分析。之后，对主要的 水色卫星传感器( m o d i s 、m e r i s 、g l i ) 的性能参数以及其对于荧光算法的不 确定性分析进行了讨论。 第5 - 8 章是本文主要研究的四个内容。其中分为两个部分，第5 、6 章的研 究主要围绕基线荧光高度算法进行。在第5 章中，本文对基线荧光高度算法进行 了一些敏感性分析。利用h y d r o l i 曲t 模拟软件，定量研究了二类水体中的黄色物 质和悬浮泥沙对于算法的影响。 第6 章是基线荧光高度算法在实验海区( 大连湾) 局地化算法的研究。主要 包括算法模型的回归分析、荧光效率计算以及不同卫星传感器的现场模拟结果的 比较和验证。 对于叶绿素荧光遥感算法，荧光量子产量是一个表征浮游植物生理状态的重 要参量，也是荧光遥感研究的难点和热点。第7 、8 章的研究围绕荧光量子产量 的现场观测和卫星算法展开。第7 章详细介绍了荧光量子产量的算法原理，并通 6 叶绿素荧光遥感研究 过实验海区( 渤海) 的现场测量结果对该海区荧光量子产量进行了计算和分析。 在第8 章中，本文提出了一种新的基于m o d i s 传感器的荧光量子产量的遥 感算法，并通过卫星数据详细比较了该算法的q 嘣与m o d i s 的c f e 产品的差异。 第9 章是对全文的总结和对未来叶绿素荧光遥感研究的展望。 7 叶绿素荧光遥感研究 2 叶绿素荧光原理 2 1 原初反应 光合作用( p h o t o s y n t h e s i s ) 是绿色植物吸收光能，同化二氧化碳和水，合成 有机物质并释放氧气的过程。其本质是将光能转化为电能、进一步形成活跃化学 能、最后转化为稳定的化学能，贮藏于碳水化合物中的过程。根据能量转化的过 程，通常将光合作用分为三个阶段：1 光能的吸收、传递和转换成电能，主要 由原初反应( p r i m a r yr e a c t i o n ) 完成；2 电能转变为活跃化学能，由电子传递和 光合磷酸化完成；3 活跃的化学能转变为稳定的化学能，由碳同化完成。叶绿 素荧光发生在原初反应阶段。 叶绿素分子吸收光量子前，处于最稳定的、能量的最低状态一一基态 ( g r o u n ds t a t e ，s o ) 。当吸收了一个光子后，会引起原子结构内电子的重新排列。其 中一个低能的电子获得能量后就可克服原子核正电荷对其的吸引力而被推进到 高能的激发态( e x c i t e ds t a t e ) 。表示为： 锄，+ 加。锄广 ( 2 一1 ) 激发态具有比基态高的能级，能级的升高来自被吸收的光能。叶绿素在可见光区 有二个吸收峰：红光区和蓝光区。如果叶绿素分子被蓝光激发，电子就跃迁到能 量较高的第二单线态( t h es e c o n de x c e e ds i n g l e ts t a t e ，s 2 ) ；如果被红光激发，电子 则跃迁到能量较低的第一单线态( t h ef i r s te x c e e ds i n g l e ts t a t e ，s o 。处于单线态的 电子，其自旋方向保持原有状态，即与配对电子的自旋方向相反。如果电子在激 发或退激( d e e x c i t a t i o n ) 过程中，其自旋方向发生了变化，与原配对的电子自旋 方向相同，那么该电子就进入了能级比单线态低的三线态( t r i p l e ts t a t e s ) 。如图 2 1 所示。 叶绿素荧光遥感研究 s 3 e x c i t e d g r o u n d s t a t e 图2 1 叶绿素分子的能级变化 激发态是不稳定的状态，经过一定时间后，就会发生能量的转变，转变的方 式有三种： 1 热耗散：激发态的叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量，此过 程又称内转换( i n t e r n a lc o n v e r s i o n ) 或无辐射退激( r a d i a t i o n l e s sd e e x c i t a t i o n ) 。如 叶绿素分子从第一单线态降至基态或三线态，以及从三线态回至基态时的放热， 这些都是无辐射退激。另外吸收蓝光处于第二单线态的叶绿素分子，其具有的能 量虽远大于第一单线态的叶绿素分子。但超过部分对光合作用是无用的，在极短 的时间内叶绿素分子要从第二单线态降至第一单线态，多余的能量在降级的过程 中也是以热能的形式释放。由于叶绿素是以第一单线态参加光合作用的，所以一 个蓝光光子所引起的光合作用与一个红光光子所引起的光合作用是相同的，在能 量利用上蓝光没有红光高。 2 发射荧光与磷光：激发态的叶绿素分子