基于多角度光譜-偏振光譜的葉綠素熒光空間變化分布與模型建立

郝天一，韓 陽，劉自平，李姿瑩，趙云升，牛浩芳，姚海燕

東北師范大學地理科學學院，長白山地理過程與生態(tài)安全教育部重點實驗室，吉林 長春 130024

引 言

目前，葉綠素熒光是植物生理學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]。 熒光的探測方法主要分為主動和被動兩類，被動熒光探測是獲取日光誘導的葉綠素熒光信號，它適合在自然環(huán)境下對植被大面積無損觀測。 主動熒光探測方法包括熒光動力學技術和激光誘導熒光技術，主要是通過向植被發(fā)射光束，并探測其激發(fā)的植被熒光信號，其具有不受外界光照條件影響的優(yōu)點，廣泛用于植被生理學研究中[2-3]。 因此激光誘導葉綠素熒光技術(LIF)是一種非常有潛力的遙感手段，日益得到的重視。

近年來，研究人員通過LIF技術對植被的各項領域進行探索。 它在研究光合作用的基本機制、植物對環(huán)境變化的響應、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技術初步探索了其在檢測植被水分和營養(yǎng)不足以及植被分類的潛力[5]。 此外，許多研究者利用LIF技術進行了與植物脅迫相關因素的研究[6-7]。 2011年，Pandey等研究了不同濃度(50，100和200 ppm)的樂果對激光誘導的葉綠素熒光的影響[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熒光還受外界因素的影響，例如，多角度[9]、偏振、激光強度、溫度、濕度等因素。 近四十年來，許多研究者把多角度探測應用到有關葉綠素熒光的實驗當中。 同時，越來越多的科學研究表明，偏振測量可以為大氣的監(jiān)測、地表的表征[10]、材料分類和目標的探測[11]等方面提供大量有用的信息。 特別是隨著遙感技術的發(fā)展，偏振已經成為實現對植物、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。

根據以往文獻綜述，目前研究人員主要利用反射來研究它們的光譜特征。 激光誘導熒光(LIF)與角度信息和偏振信息的結合研究尚不多見。 因此，本文利用激光激發(fā)三種不同植物的葉綠素熒光強度信息，并結合它們的角度信息、波段信息和偏振信息，探討分析多角度LIF的影響因素及相應偏振度(Dop)的相關變化。

1 實驗部分

1.1 植被材料

本次實驗選擇三種比較常見的綠色植物作為研究對象，分別為吊蘭、綠蘿、金邊虎皮蘭，采樣地點為東北師范大學校園。 使用尼康相機拍攝其葉片內部結構，圖1(a，b和c)依次為它們的葉片內部結構。 它們的葉片結構差異較大，隨機選取50片處于成熟期階段的活體葉片作為樣品葉片，并做上標記。 所有實驗的測量，需在暗室條件下進行，且在實驗期間每天以固定時間澆灌相同的水量，接受相同的光照時間，以減少葉片本身各物質含量的變化。

圖1 吊蘭(a)、綠蘿(b)、金邊虎皮蘭(c)葉片內部結構

1.2 熒光光譜測量

實驗光譜測量平臺是一個大型的室內多角度熒光觀測平臺(MFOP)(圖2)。 本實驗中，光纖探測器探測范圍為0°～60°，間隔為20°。 光源與光纖探測器之間的探測范圍為0°～360°，間隔為45°。 該設備還配備了偏振鏡頭，可以通過觀測熒光光譜計算熒光偏振度。 利用AvaSpec-ULS2048儀器進行熒光光譜的采集，其在200～1 100 nm為穩(wěn)態(tài)光譜區(qū)間。 使用AvaSoft 8.9軟件進行光譜處理，數據傳輸速率為每100 ms刷新一次。 激光裝置作為激發(fā)葉綠素熒光的光源，該器件由中國長春新工業(yè)光電技術有限公司生產，其入射角設置為58.5°，激發(fā)波長為360 nm。 3種植物活體樣品的葉片固定在平臺的黑色載體上，測定了不同觀測天頂角(VZA)、相對方位角(RAA)、波段、偏振等相應的熒光光譜。 為了提高信噪比，避免激光能量波動對熒光強度的影響，對每個樣品的熒光光譜重復測量5次。 分析前，分別對這些熒光光譜進行平滑處理。

圖2 多角度熒光觀測平臺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)植物內部光系統(tǒng)產生葉綠素熒光信號，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，測量時忽略圓偏振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。

2 結果與討論

2.1 激光誘導葉綠素熒光光譜的多角度空間分布與模型建立

2.1.1 激光誘導葉綠素熒光強度的多角度空間分布

本實驗是在暗室條件下進行，測量三種植物(吊蘭、綠蘿、金邊虎皮蘭)激光誘導葉綠素熒光的多角度光譜。 圖3為三種植物在觀測天頂角和相對方位角均為0°(即垂直狀態(tài))的條件下測量得到的熒光強度光譜曲線。 不同植被的熒光光譜形狀各不相同。 根據過去的研究結果可知，在室溫下綠色植物的LIF光譜通常在680～690 nm處有一個明顯的熒光峰，在730～740 nm處有一個熒光峰[13-15]。 從圖3中可以明顯看出，有兩個明顯的峰值，分別對應的波段為685與740 nm，這與文獻[15]結論中的波段范圍基本符合。 因此本實驗中確定685與740 nm兩個峰值作為這三種植物的熒光光譜特征點。

圖3 三種植物的激光誘導葉綠素熒光光譜曲線Fig.3 Laser-induced chlorophyll fluorescencespectra of three plants

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

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

圖4 在0°, 20°, 40° and 60 °的觀測天頂角(VZA)下三種植物的熒光強度變化(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方位角(RAA)下685 nm (a)和740 nm (b)兩波段的熒光強度變化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，本文結合不同觀測天頂角與相對方位角，以極坐標的方式對激光誘導葉綠素熒光強度的多角度光譜空間分布進行繪制，如圖6所示。 從中可以清晰地看出，三種植被在2π空間內685與740 nm兩個波段的熒光強度整體分布變化與上文論述一致。

2.1.2 激光誘導葉綠素熒光強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方位角條件下激發(fā)的F685/F740值與觀測天頂角的回歸直線如圖7所示。 其中運用的方法為熒光強度比值法[16]，目前大多數研究者將其運用到水分等脅迫實驗中，而本實驗將其應用到探究角度因素對熒光強度影響的實驗中。 根據圖7可知，三種植物F685/F740比值的總體趨勢基本一致。 在相對方位角為0°時，隨著觀測天頂角的增大，其比值隨之增大； 而在其他相對方位角時，隨著觀測天頂角的增大，其比值隨之減小。 由此可知，F685/F740值與觀測天頂角之間具有良好的相關關系。

圖7 在不同相對方位角下，三種植物(a，b，c)F685/F740比值隨觀測天頂角的變化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值與觀測天頂角具有良好的相關關系，因此均可以建立良好線性回歸模型，A為觀測天頂角度數

(5)

如表1所示，共計24個線性回歸模型，僅將模型的R2與RMSE列出。 表1顯示，三種植被在不同相對方位角的條件下，模型中回歸系數較顯著，模型可靠性良好，能夠準確的反映F685/F740值與觀測天頂角之間的關系。 然而，植被不同，最合適的模型所對應的相對方位角也不相同。 在相對方位角為270°時，植被吊蘭的數學回歸模型的R2最高，RMSE最小，模型效果最顯著，225°次之； 在相對方位角為225°時，綠蘿與金邊虎皮蘭的數學回歸模型的R2最高，RMSE最小，模型效果最顯著。 綜合來看，相對方位角為225°是同時研究這三種植被F685/F740值與觀測天頂角關系的最佳方位角。

表1 不同相對方位角F685/F740與觀測天頂角的線性回歸模型相應的R2和RMSE

2.2 激光誘導葉綠素熒光偏振光譜空間分布與模型建立

在本實驗中，激光誘導葉綠素熒光偏振信息是用熒光偏振度表示。 圖8為三種植物在兩個波段上熒光偏振度的相關分析圖，表明二者有很強的相關關系。 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。 說明模型的回歸系數較顯著，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性。 因此下面對每種植物兩個波段熒光偏振度的多角度空間分布進行對比分析與探究。

圖9是以極坐標的方式對激光誘導葉綠素熒光偏振光譜的多角度空間分布進行繪制。 (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。 據圖9可知，激光激發(fā)的葉綠素熒光具有顯著的偏振性。 隨著觀測天頂角的變化，熒光偏振度隨之改變； 隨著相對方位角的變化，熒光偏振度也隨之變化。 在同一方位上，隨著觀測天頂角的增大，熒光偏振度的絕對值呈逐漸增大趨勢，這與前人的研究結論一致。 三種植物685與740 nm波段的熒光偏振度變化趨勢基本一致，但其偏振度的整體波動性程度各不相同，其中三者波動性程度大小比較為： 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，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與觀測天頂角的線性回歸模型相應的R2和RMSE

3 結 論

利用光譜儀、室內多角度熒光觀測平臺以及偏振測量裝置在室內暗環(huán)境條件下測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天頂角、相對方位角、波段及偏振的影響，可得以下具體結論。

研究結果表明，激光誘導葉綠素熒光強度變化不僅與觀測天頂角有關，也與其相對方位角有關。 隨著觀測天頂角的增大，熒光強度隨之降低，且角度越大，熒光強度降低的速率越快。 并且隨著相對方位角變化，不同植物的熒光強度也相應改變且各不相同。 此外，經檢驗，模型回歸系數顯著，F685/F740值也與觀測天頂角有很強的相關關系。 相對方位角為225°是同時研究這三種植被F685/F740值與觀測天頂角關系的最佳方位角。

其次，研究發(fā)現，激光誘導葉綠素熒光具有顯著的偏振性。 在685與740 nm波段上對應的熒光偏振度具有較好的相關性。 隨著觀測天頂角的變化，熒光偏振度隨之改變； 隨著相對方位角的變化，熒光偏振度也隨之變化。 三種植物在2π空間內685與740 nm波段的熒光偏振度變化趨勢基本一致，但其熒光偏振度的整體波動性程度各不相同，其中三者波動性程度大小比較為： 吊蘭<綠蘿<金邊虎皮蘭。

以上結論可以作為研究激光誘導葉綠素熒光的多角度信息與熒光偏振信息結合的一個初步結論。 后續(xù)將考慮含水量及其他相關因素對激光誘導葉綠素熒光強度的影響。 此外，基于多角度光譜——偏振光譜的葉綠素熒光空間變化分布的研究，可以作為輔助現有遙感技術探討葉綠素熒光的有效方法。