郝天一，韓 陽(yáng)，劉自平，李姿瑩，趙云升，牛浩芳，姚海燕

東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)白山地理過(guò)程與生態(tài)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130024

引 言

目前，葉綠素?zé)晒馐侵参锷韺W(xué)研究和植物遙感研究的重要手段的之一，也是研究植被光合作用的有效探針[1]。 熒光的探測(cè)方法主要分為主動(dòng)和被動(dòng)兩類，被動(dòng)熒光探測(cè)是獲取日光誘導(dǎo)的葉綠素?zé)晒庑盘?hào)，它適合在自然環(huán)境下對(duì)植被大面積無(wú)損觀測(cè)。 主動(dòng)熒光探測(cè)方法包括熒光動(dòng)力學(xué)技術(shù)和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，主要是通過(guò)向植被發(fā)射光束，并探測(cè)其激發(fā)的植被熒光信號(hào)，其具有不受外界光照條件影響的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于植被生理學(xué)研究中[2-3]。 因此激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)(LIF)是一種非常有潛力的遙感手段，日益得到的重視。

近年來(lái)，研究人員通過(guò)LIF技術(shù)對(duì)植被的各項(xiàng)領(lǐng)域進(jìn)行探索。 它在研究光合作用的基本機(jī)制、植物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)、植物分類和生態(tài)多樣性等方面起著重要的作用[4]。 Chappelle等利用LIF技術(shù)初步探索了其在檢測(cè)植被水分和營(yíng)養(yǎng)不足以及植被分類的潛力[5]。 此外，許多研究者利用LIF技術(shù)進(jìn)行了與植物脅迫相關(guān)因素的研究[6-7]。 2011年，Pandey等研究了不同濃度(50，100和200 ppm)的樂(lè)果對(duì)激光誘導(dǎo)的葉綠素?zé)晒獾挠绊慬8]。

此外，除了植被自身的生理生化因素外，研究人員還注意到葉綠素?zé)晒膺€受外界因素的影響，例如，多角度[9]、偏振、激光強(qiáng)度、溫度、濕度等因素。 近四十年來(lái)，許多研究者把多角度探測(cè)應(yīng)用到有關(guān)葉綠素?zé)晒獾膶?shí)驗(yàn)當(dāng)中。 同時(shí)，越來(lái)越多的科學(xué)研究表明，偏振測(cè)量可以為大氣的監(jiān)測(cè)、地表的表征[10]、材料分類和目標(biāo)的探測(cè)[11]等方面提供大量有用的信息。 特別是隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，偏振已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)對(duì)植物、土壤、水、雪等地面特征的定性和定量描述的一種非常有效的輔助手段。

根據(jù)以往文獻(xiàn)綜述，目前研究人員主要利用反射來(lái)研究它們的光譜特征。 激光誘導(dǎo)熒光(LIF)與角度信息和偏振信息的結(jié)合研究尚不多見(jiàn)。 因此，本文利用激光激發(fā)三種不同植物的葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度信息，并結(jié)合它們的角度信息、波段信息和偏振信息，探討分析多角度LIF的影響因素及相應(yīng)偏振度(Dop)的相關(guān)變化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 植被材料

本次實(shí)驗(yàn)選擇三種比較常見(jiàn)的綠色植物作為研究對(duì)象，分別為吊蘭、綠蘿、金邊虎皮蘭，采樣地點(diǎn)為東北師范大學(xué)校園。 使用尼康相機(jī)拍攝其葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖1(a，b和c)依次為它們的葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 它們的葉片結(jié)構(gòu)差異較大，隨機(jī)選取50片處于成熟期階段的活體葉片作為樣品葉片，并做上標(biāo)記。 所有實(shí)驗(yàn)的測(cè)量，需在暗室條件下進(jìn)行，且在實(shí)驗(yàn)期間每天以固定時(shí)間澆灌相同的水量，接受相同的光照時(shí)間，以減少葉片本身各物質(zhì)含量的變化。

圖1 吊蘭(a)、綠蘿(b)、金邊虎皮蘭(c)葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 熒光光譜測(cè)量

實(shí)驗(yàn)光譜測(cè)量平臺(tái)是一個(gè)大型的室內(nèi)多角度熒光觀測(cè)平臺(tái)(MFOP)(圖2)。 本實(shí)驗(yàn)中，光纖探測(cè)器探測(cè)范圍為0°～60°，間隔為20°。 光源與光纖探測(cè)器之間的探測(cè)范圍為0°～360°，間隔為45°。 該設(shè)備還配備了偏振鏡頭，可以通過(guò)觀測(cè)熒光光譜計(jì)算熒光偏振度。 利用AvaSpec-ULS2048儀器進(jìn)行熒光光譜的采集，其在200～1 100 nm為穩(wěn)態(tài)光譜區(qū)間。 使用AvaSoft 8.9軟件進(jìn)行光譜處理，數(shù)據(jù)傳輸速率為每100 ms刷新一次。 激光裝置作為激發(fā)葉綠素?zé)晒獾墓庠?，該器件由中?guó)長(zhǎng)春新工業(yè)光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)，其入射角設(shè)置為58.5°，激發(fā)波長(zhǎng)為360 nm。 3種植物活體樣品的葉片固定在平臺(tái)的黑色載體上，測(cè)定了不同觀測(cè)天頂角(VZA)、相對(duì)方位角(RAA)、波段、偏振等相應(yīng)的熒光光譜。 為了提高信噪比，避免激光能量波動(dòng)對(duì)熒光強(qiáng)度的影響，對(duì)每個(gè)樣品的熒光光譜重復(fù)測(cè)量5次。 分析前，分別對(duì)這些熒光光譜進(jìn)行平滑處理。

圖2 多角度熒光觀測(cè)平臺(tái)Fig.2 Multi-angle fluorescence observation platform

1.3 偏振原理

激發(fā)光照射到植物表面，激發(fā)植物內(nèi)部光系統(tǒng)產(chǎn)生葉綠素?zé)晒庑盘?hào)，被光譜儀接收。 熒光偏振信息利用斯托克斯參量(I,U,Q,V)獲取，使用熒光偏振度P表示，測(cè)量時(shí)忽略圓偏振V[12]。

(1)

U=I45°-I135°

(2)

Q=I0°-I90°

(3)

(4)

式中：I0°，I90°，I45°和I135°分別表示理想偏振片在0 °，45°，90°和135°方向上的熒光偏振光強(qiáng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒夤庾V的多角度空間分布與模型建立

2.1.1 激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度的多角度空間分布

本實(shí)驗(yàn)是在暗室條件下進(jìn)行，測(cè)量三種植物(吊蘭、綠蘿、金邊虎皮蘭)激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獾亩嘟嵌裙庾V。 圖3為三種植物在觀測(cè)天頂角和相對(duì)方位角均為0°(即垂直狀態(tài))的條件下測(cè)量得到的熒光強(qiáng)度光譜曲線。 不同植被的熒光光譜形狀各不相同。 根據(jù)過(guò)去的研究結(jié)果可知，在室溫下綠色植物的LIF光譜通常在680～690 nm處有一個(gè)明顯的熒光峰，在730～740 nm處有一個(gè)熒光峰[13-15]。 從圖3中可以明顯看出，有兩個(gè)明顯的峰值，分別對(duì)應(yīng)的波段為685與740 nm，這與文獻(xiàn)[15]結(jié)論中的波段范圍基本符合。 因此本實(shí)驗(yàn)中確定685與740 nm兩個(gè)峰值作為這三種植物的熒光光譜特征點(diǎn)。

圖3 三種植物的激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒夤庾V曲線Fig.3 Laser-induced chlorophyll fluorescencespectra of three plants

在2π空間中，通過(guò)不同觀測(cè)天頂角與相對(duì)方位角進(jìn)行多角度熒光光譜的測(cè)量，二者對(duì)熒光強(qiáng)度有不同的影響。 圖4為三種植物在相對(duì)方位角為90°時(shí)，觀測(cè)天頂角變化而引起熒光強(qiáng)度曲線的變化圖。 三種植物熒光強(qiáng)度各不相同，其熒光強(qiáng)度皆隨著觀測(cè)天頂角的增大而減小，且角度越大，熒光強(qiáng)度降低的速率越快。

圖5為三種植物在觀測(cè)天頂角為40°時(shí)，不同波段的相對(duì)方位角變化而引起的熒光強(qiáng)度變化圖。 根據(jù)圖5可知，相對(duì)方位角不同，熒光強(qiáng)度各不相同。 在685和740 nm波段上金邊虎皮蘭的熒光強(qiáng)度波動(dòng)幅度最大，吊蘭波動(dòng)幅度最小。

圖4 在0°, 20°, 40° and 60 °的觀測(cè)天頂角(VZA)下三種植物的熒光強(qiáng)度變化(a): 吊蘭; (b): 綠蘿; (c): 金邊虎皮蘭Fig.4 Fluorescence intensity changes of three plants at 0°, 20°, 40° and 60 ° Viewing Zenith Angles (VZA)(a): Chlorophytum comosum； (b)： Epipremnum aureum； (c): Sansevieria trifasciata

圖5 三種植物在不同相對(duì)方位角(RAA)下685 nm (a)和740 nm (b)兩波段的熒光強(qiáng)度變化Fig.5 Fluorescence intensity change of three plants at different Relative Azimuth Angles (RAA) in the 685 nm (a) and 740 nm (b) band

綜上所述，本文結(jié)合不同觀測(cè)天頂角與相對(duì)方位角，以極坐標(biāo)的方式對(duì)激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度的多角度光譜空間分布進(jìn)行繪制，如圖6所示。 從中可以清晰地看出，三種植被在2π空間內(nèi)685與740 nm兩個(gè)波段的熒光強(qiáng)度整體分布變化與上文論述一致。

2.1.2 激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度比值的多角度空間分布以及模型建立

在本研究中，三種植物在不同相對(duì)方位角條件下激發(fā)的F685/F740值與觀測(cè)天頂角的回歸直線如圖7所示。 其中運(yùn)用的方法為熒光強(qiáng)度比值法[16]，目前大多數(shù)研究者將其運(yùn)用到水分等脅迫實(shí)驗(yàn)中，而本實(shí)驗(yàn)將其應(yīng)用到探究角度因素對(duì)熒光強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)中。 根據(jù)圖7可知，三種植物F685/F740比值的總體趨勢(shì)基本一致。 在相對(duì)方位角為0°時(shí)，隨著觀測(cè)天頂角的增大，其比值隨之增大； 而在其他相對(duì)方位角時(shí)，隨著觀測(cè)天頂角的增大，其比值隨之減小。 由此可知，F(xiàn)685/F740值與觀測(cè)天頂角之間具有良好的相關(guān)關(guān)系。

圖7 在不同相對(duì)方位角下，三種植物(a，b，c)F685/F740比值隨觀測(cè)天頂角的變化Fig.7 At different Relative Azimuth Angles, the fluorescence ratio of F685/F740 ofthe three plants (a, b, c) varied with the Viewing Zenith Angles

上文中論述了F685/F740值與觀測(cè)天頂角具有良好的相關(guān)關(guān)系，因此均可以建立良好線性回歸模型，A為觀測(cè)天頂角度數(shù)

(5)

如表1所示，共計(jì)24個(gè)線性回歸模型，僅將模型的R2與RMSE列出。 表1顯示，三種植被在不同相對(duì)方位角的條件下，模型中回歸系數(shù)較顯著，模型可靠性良好，能夠準(zhǔn)確的反映F685/F740值與觀測(cè)天頂角之間的關(guān)系。 然而，植被不同，最合適的模型所對(duì)應(yīng)的相對(duì)方位角也不相同。 在相對(duì)方位角為270°時(shí)，植被吊蘭的數(shù)學(xué)回歸模型的R2最高，RMSE最小，模型效果最顯著，225°次之； 在相對(duì)方位角為225°時(shí)，綠蘿與金邊虎皮蘭的數(shù)學(xué)回歸模型的R2最高，RMSE最小，模型效果最顯著。 綜合來(lái)看，相對(duì)方位角為225°是同時(shí)研究這三種植被F685/F740值與觀測(cè)天頂角關(guān)系的最佳方位角。

表1 不同相對(duì)方位角F685/F740與觀測(cè)天頂角的線性回歸模型相應(yīng)的R2和RMSE

2.2 激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒馄窆庾V空間分布與模型建立

在本實(shí)驗(yàn)中，激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒馄裥畔⑹怯脽晒馄穸缺硎尽?圖8為三種植物在兩個(gè)波段上熒光偏振度的相關(guān)分析圖，表明二者有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。 因此，建立良好線性回歸模型，DF685表示在685 nm波段的熒光偏振度，DF740表示在740 nm波段的熒光偏振度

DF740=a×DF685+b

(6)

三種植物在波段685與740 nm之間熒光偏振度的R2分別是0.945，0.412和0.809，RMSE分別為0.008 66，0.024 84和0.016 11，如表2所示。 說(shuō)明模型的回歸系數(shù)較顯著，模型可靠性良好，再次反映在685與740 nm波段上二者熒光偏振度具有較好的相關(guān)性。 因此下面對(duì)每種植物兩個(gè)波段熒光偏振度的多角度空間分布進(jìn)行對(duì)比分析與探究。

圖9是以極坐標(biāo)的方式對(duì)激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒馄窆庾V的多角度空間分布進(jìn)行繪制。 (a)—(f)分別表示在685與740 nm波段上，吊蘭(a，b)、綠蘿(c，d)、金邊虎皮蘭(e，f)隨角度變化引起的熒光偏振度的空間分布情況。 據(jù)圖9可知，激光激發(fā)的葉綠素?zé)晒饩哂酗@著的偏振性。 隨著觀測(cè)天頂角的變化，熒光偏振度隨之改變； 隨著相對(duì)方位角的變化，熒光偏振度也隨之變化。 在同一方位上，隨著觀測(cè)天頂角的增大，熒光偏振度的絕對(duì)值呈逐漸增大趨勢(shì)，這與前人的研究結(jié)論一致。 三種植物685與740 nm波段的熒光偏振度變化趨勢(shì)基本一致，但其偏振度的整體波動(dòng)性程度各不相同，其中三者波動(dòng)性程度大小比較為： 吊蘭<綠蘿<金邊虎皮蘭。

圖8 三種植物在685和740 nm波段上的Dop值相關(guān)分析(a): 吊蘭; (b): 綠蘿; (c): 金邊虎皮蘭Fig.8 Dop value correlation analysis of three plants on the 685 and 740 nm bands(a): Chlorophytum comosum； (b)： Epipremnum aureum； (c): Sansevieria trifasciata

圖9 在2π空間內(nèi)，吊蘭(a, b)、綠蘿(c, d)、金邊虎皮蘭(e, f)在685和740 nm波段上偏振度的變化Fig.9 Changes in the degree of polarization of Chlorophytum (a,b), Green radish (c,d),Phnom Penh Tiger Piran (e, f) on the 685 and 740 nm bands in 2π space

表2 F685/F740與觀測(cè)天頂角的線性回歸模型相應(yīng)的R2和RMSE

3 結(jié) 論

利用光譜儀、室內(nèi)多角度熒光觀測(cè)平臺(tái)以及偏振測(cè)量裝置在室內(nèi)暗環(huán)境條件下測(cè)量了三種植物的多角度熒光光譜以及偏振信息，并且確定了綠色植物的熒光光譜受觀測(cè)天頂角、相對(duì)方位角、波段及偏振的影響，可得以下具體結(jié)論。

研究結(jié)果表明，激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度變化不僅與觀測(cè)天頂角有關(guān)，也與其相對(duì)方位角有關(guān)。 隨著觀測(cè)天頂角的增大，熒光強(qiáng)度隨之降低，且角度越大，熒光強(qiáng)度降低的速率越快。 并且隨著相對(duì)方位角變化，不同植物的熒光強(qiáng)度也相應(yīng)改變且各不相同。 此外，經(jīng)檢驗(yàn)，模型回歸系數(shù)顯著，F(xiàn)685/F740值也與觀測(cè)天頂角有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。 相對(duì)方位角為225°是同時(shí)研究這三種植被F685/F740值與觀測(cè)天頂角關(guān)系的最佳方位角。

其次，研究發(fā)現(xiàn)，激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒饩哂酗@著的偏振性。 在685與740 nm波段上對(duì)應(yīng)的熒光偏振度具有較好的相關(guān)性。 隨著觀測(cè)天頂角的變化，熒光偏振度隨之改變； 隨著相對(duì)方位角的變化，熒光偏振度也隨之變化。 三種植物在2π空間內(nèi)685與740 nm波段的熒光偏振度變化趨勢(shì)基本一致，但其熒光偏振度的整體波動(dòng)性程度各不相同，其中三者波動(dòng)性程度大小比較為： 吊蘭<綠蘿<金邊虎皮蘭。

以上結(jié)論可以作為研究激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獾亩嘟嵌刃畔⑴c熒光偏振信息結(jié)合的一個(gè)初步結(jié)論。 后續(xù)將考慮含水量及其他相關(guān)因素對(duì)激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度的影響。 此外，基于多角度光譜——偏振光譜的葉綠素?zé)晒饪臻g變化分布的研究，可以作為輔助現(xiàn)有遙感技術(shù)探討葉綠素?zé)晒獾挠行Х椒ā?/p>