Что такое солнечно-индуцированная флуоресценция хлорофилла (SIF)?

Когда вы смотрите на зеленый лист, вы видите только его цвет. Однако под солнечным светом растение также тихо излучает чрезвычайно слабый оптический сигнал: солнечно-индуцированную хлорофиллную флуоресценцию (SIF).

В отличие от традиционных индикаторов дистанционного зондирования, которые в первую очередь говорят нам как растение выглядит — содержание хлорофилла, NDVI и другие структурные показатели — SIF показывает как растение на самом деле функционирует, анализируя, каким образом световая энергия распределяется внутри листа.

В первой статье нашей серии о SIF мы разбираем, что такое SIF на самом деле, как он связан с фотосинтезом и как гиперспектральные приборы умудряются выделять такой слабый сигнал на фоне чрезвычайно яркого солнечного излучения.

Что такое солнечно-индуцированная хлорофиллная флуоресценция?

Когда хлорофилл поглощает солнечный свет, поглощенная энергия используется не полностью для фотосинтеза. Вместо этого она динамически распределяется между тремя конкурирующими путями:

Фотохимия — обеспечивает фиксацию углерода и остальную часть фотосинтетического механизма.
Рассеивание тепла (нефотохимическое тушение, NPQ) — высвобождает избыточную энергию в виде тепла, защищая фотосистемы от фотоповреждений.
Флуоресценция — повторно излучает небольшую долю поглощенной энергии в виде фотонов в красной и дальне-красной области спектра (≈650–800 нм).

Слабый красный и дальне-красный свет, повторно излучаемый молекулами хлорофилла, — флуоресценция — это то, что мы называем хлорофиллной флуоресценцией.

Определение “Солнечно-индуцированная” важно: SIF — это хлорофиллная флуоресценция, которая возбуждается естественным солнечным светом и наблюдается при пассивном освещении, в отличие от активной хлорофиллной флуоресценции, измеряемой флуорометрами с импульсно-амплитудной модуляцией (PAM) с собственным источником света.

В то время как традиционное гиперспектральное отражение говорит нам, как растение выглядит (содержание хлорофилла, NDVI, структура полога), SIF напрямую сообщает о том, как растение живет.

Он составляет лишь 1–2% световой энергии, поглощаемой листом, что делает его чрезвычайно слабым, но при этом уникально информативным.

1 Почему большинство листьев растений зеленые?

Хлорофилл сильно поглощает синий и красный свет, но относительно слабо — зеленый, поэтому свет, отраженный к нашим глазам, выглядит зеленым.

Энергия, захваченная хлорофиллом, переводит электрон в возбужденное состояние, и эта энергия возбуждения затем высвобождается или используется через три описанных выше пути: фотохимию, рассеивание тепла и флуоресценцию.

Рисунок 1. Распределение энергии после поглощения хлорофиллом фотона: фотохимия, рассеивание тепла и флуоресценция имеют общее происхождение из возбужденного состояния.

2 Что такое хлорофиллная флуоресценция?

Хлорофиллная флуоресценция (ChlF) — это оптический сигнал, возникающий, когда хлорофилл высвобождает часть поглощенной энергии возбуждения в виде фотона.

Спектр излучения обычно охватывает 650–800 нм с двумя характерными особенностями вблизи 690 нм (красный пик) и 740 нм (дальне-красный пик).

3 Что означает “солнечно-индуцированная”?

SIF = Sолнечно-Iндуцированная Cлорофиллная Fлуоресценция.

Этот термин подчеркивает, что источником возбуждения является Солнце.

Хлорофилльная флуоресценция — это более широкое понятие; SIF — это конкретный компонент, который возбуждается естественной солнечной радиацией и может наблюдаться на расстоянии.

4 Насколько слабым на самом деле является SIF?

SIF составляет лишь около 1–2% поглощенной растением световой энергии.

То, что спектрометр фактически регистрирует, представляет собой смесь:

чрезвычайно сильного фона отраженного солнечного света,
отражательной способности листьев и рассеяния,
очень слабого вклада SIF, и
шума прибора.

Выделение SIF из этой смеси — это, по сути, задача разделения слабого сигнала.

Как SIF связан с фотосинтезом?

Хлорофилльная флуоресценция, фотохимия и рассеивание тепла (NPQ) имеют общую точку входа энергии.

Поскольку они конкурируют за одни и те же поглощенные фотоны, они неразрывно связаны: когда один путь подавляется, больше энергии перетекает в другие.

Когда растение подвергается воздействию засухи, жары или вредителей, в первую очередь нарушается фотосинтетическая способность.

Чтобы предотвратить повреждение фотосистем избыточным светом, растение быстро усиливает рассеивание тепла и корректирует эмиссию флуоресценции для перебалансировки своего энергетического бюджета.

В отличие от пожелтения листьев, увядания или изменений структуры полога — которые могут занимать дни, прежде чем станут видны традиционной гиперспектральной отражательной способности — сигналы SIF могут изменяться за миллисекунды или секунды.

Таким образом, SIF — это не продукт фотосинтеза; это функциональное окно в то, как растение распределяет поглощенную световую энергию и как его физиология меняется в реальном времени.

Поскольку флуоресценция и фотохимия используют один и тот же пул энергии возбуждения, величина флуоресценции несет прямую информацию о распределении энергии внутри фотосинтетического аппарата.

Рисунок 2. Энергетическая диаграмма возбуждения хлорофилла: поглощенный свет преобразуется, частично теряется в виде тепла и частично переизлучается в виде флуоресценции на более длинных волнах.

Как мы на самом деле измеряем SIF?

Поскольку фон отраженного солнечного света чрезвычайно яркий, обычные спектрометры не могут напрямую “увидеть” SIF.

Измерение — это, по сути, задача отделения крошечного сигнала от огромного.

В физике Солнца поглощение солнечной атмосферой и атмосферой Земли — например, полоса O₂-B на ~687 нм и полоса O₂-A на ~760 нм — создает очень узкие “темные долины” в спектре, известные как линии Фраунгофера в солнечном спектре и теллурические линии поглощения кислорода в атмосферной передаче.

Слабый SIF, излучаемый растением, частично “заполняет” эти глубокие темные линии.

Это так называемый эффект заполнения линий Фраунгофера (FLF) явление.

Приборы с высоким спектральным разрешением — обычно с разрешением 0,1–0,5 нм — фиксируют детальную форму этих темных линий.

Путем одновременного измерения нисходящей солнечной облученности и восходящего излучения от объекта, а также применения алгоритмов восстановления, таких как FLD (метод дискриминации линий Фраунгофера), 3FLD, iFLD, или SFM (метод спектрального подбора), фоновое отражение солнечного света может быть вычтено, и получен чистый спектр SIF.

Мультиспектральная камера SIF для DJI Matrice 400

Рисунок 3. Сквозной рабочий процесс визуализации SIF. БПЛА-мультиспектральная камера SIF измеряет излучение полога, а синхронизированный нисходящий датчик измеряет падающую облученность; после калибровки алгоритмы FLD/3FLD/SFM отделяют слабую флуоресценцию от солнечного фона для создания карт SIF.

Для измерений на базе БПЛА требуется специальный Дрон SIF Мультиспектральная камера может объединять узкополосное измерение SIF, синхронизированное измерение облученности и пространственную съемку на одной воздушной платформе.

Другими словами, прибор SIF не “видит” флуоресценцию напрямую.

Он измеряет спектральную яркость растительного объекта, а затем извлекает сигнал флуоресценции из общей яркости — это классическая задача разделения слабого сигнала.

1 Что такое линии Фраунгофера?

Солнечный спектр не является идеально гладким.

Поглощение различными элементами в фотосфере Солнца создает большое количество узких линий поглощения — линии Фраунгофера.

2 Принцип заполнения линий Фраунгофера

Рассмотрим длину волны, где в солнечном спектре наблюдается четкая глубокая темная линия поглощения.

Когда солнечный свет попадает на лист, лист генерирует SIF — свет, излучаемый самим растением..

В диапазоне длин волн этой темной линии растение добавляет небольшое количество света, поэтому изначально глубокая линия слегка “заполняется”.”

Это и есть эффект заполнения линий Фраунгофера (FLF) эффект.

Помимо солнечных линий Фраунгофера, при извлечении SIF также активно используются полосы поглощения кислорода атмосферы, наиболее важными из которых являются:

полоса O₂-B на ~687 нм
полоса O₂-A на ~760 нм

Эти кислородные полосы создают аналогичные узкие структуры поглощения в спектре, достигающем поверхности и сенсора.

От солнечных линий Фраунгофера до атмосферных полос O₂ основная идея измерения SIF одинакова:

использовать узкие особенности поглощения на определенных длинах волн как высококонтрастное окно, в котором слабый сигнал флуоресценции становится легче обнаружить.

Рисунок 4. Заполнение линий Фраунгофера и основная концепция FLD: глубина темной линии в спектре полога по сравнению с солнечным эталоном кодирует “заполнение” флуоресценцией — чем больше заполнение, тем сильнее SIF. Методы извлечения, такие как FLD, 3FLD, iFLD и SFM, различаются тем, как они моделируют фоновое отражение.

Рисунок 5. Спектры восходящего и нисходящего излучения: полоса O₂-A на 760 нм выделяется как резкий пик на фоне красного края растительности — именно та спектральная особенность, которую используют алгоритмы семейства FLD для извлечения SIF.

Рисунок 6. Полевое развертывание спектрального сенсора на подвесе на промышленном БПЛА — рабочий процесс, который был перенесен на новейшие корпоративные платформы.

3 От спектральных измерений к извлечению SIF

FLD — Fраунгофер Lиния Dискриминация — это семейство методов, которые извлекают SIF из спектральной информации внутри и вне темной линии.

Основная идея: выбрать две длины волны, λin внутри темной линии Фраунгофера и λout вне ее.

Поскольку солнечная облученность сильно различается между ними, но SIF приблизительно непрерывен в этом узком диапазоне, контраст яркости внутри и вне линии можно использовать для разделения отраженного фона и вклада флуоресценции.

Простейшая форма FLD предполагает, что отражательная способность и флуоресценция могут быть аппроксимированы как постоянные в узком диапазоне длин волн вокруг темной линии.

Однако реальные спектры растительности не так хорошо себя ведут — особенно в красной области, где:

отражательная способность листа быстро меняется,
сам спектр флуоресценции изменяется с длиной волны, и
одна линейная зависимость может недостаточно точно описывать поведение внутри и вне линии.

Для решения этих реальных сложностей сообщество разработало улучшенные алгоритмы: 3FLD, iFLD, и SFM, среди прочих.

От FLD до этих продвинутых вариантов все они решают один и тот же основной вопрос:

как наиболее точно смоделировать фоновый спектр “без флуоресценции”, чтобы слабый сигнал SIF, находящийся поверх него, можно было чисто отделить?

От теории FLD к полевой готовой UAV SIF-визуализации

Преобразование извлечения линий Фраунгофера из исследовательского алгоритма в готовое решение для БПЛА требует строгого контроля трех вещей одновременно: сверхузкополосной спектральной фильтрации (FWHM менее 1 нм вокруг 760 нм), синхронизированного измерения нисходящей облученности и форматного визуализирующего сенсора, сохраняющего пространственные детали.

Наша Мультиспектральная камера SIF-визуализации для DJI M400 была разработана именно под эту задачу — выделенный основной канал SIF на 760,8 нм с FWHM ≤ 1,5 нм, два вспомогательных канала SIF для атмосферной коррекции и коррекции отражательной способности, а также пять мультиспектральных каналов 1,3 МП, совмещенных в одном кадре, все интегрировано по принципу plug-and-play с DJI Matrice 400. Для исследователей и операторов, которым нужна SIF-визуализация на уровне растений и листьев без затрат и сложности гиперспектральных систем, это практический аналог теории FLD/3FLD/SFM, описанной выше.

Для исследователей и операторов, которым необходима визуализация SIF на уровне растений и листьев без затрат и сложности гиперспектральных систем, это практичная альтернатива описанной выше теории FLD/3FLD/SFM.

Заключительные мысли

От поглощения света хлорофиллом, через распределение энергии возбуждения между фотохимическими процессами, рассеиванием тепла и флуоресценцией, и вплоть до извлечения слабого сигнала SIF из сложного спектрального фона с использованием линий Фраунгофера и полос поглощения атмосферного кислорода — на самом деле мы имеем дело не просто с еще одной спектральной кривой, а с окном в то, как растение использует свет и управляет собственной физиологией.

Когда мы расширяем视角 от отдельного листа до полога и далее до целых экосистем, значение SIF становится еще более содержательным.

Как ведет себя сигнал SIF на этих масштабах?

Как он может служить мониторингу растительности, экологическим исследованиям и изучению глобальных изменений?

Это вопросы, которые мы рассмотрим в следующей части серии статей о SIF.

Ключевые выводы

SIF слабый, но информативный — всего 1–2% поглощенного света, но прямой индикатор распределения фотосинтетической энергии в реальном времени.
Он извлекается, а не наблюдается напрямую — алгоритмы семейства FLD (FLD, 3FLD, iFLD, SFM) отделяют вклад SIF от фона солнечного отражения, используя линии Фраунгофера и полосы поглощения O₂.
Высокое спектральное разрешение обязательно — требуется субнанометровое разрешение вблизи 687 нм и 760 нм для разрешения структуры темных линий.
БПЛА-визуализация SIF теперь готова к полевым работам — кадровые SIF-камеры на промышленных дронах, таких как Дрон SIF Мультиспектральная камера для DJI M400, делают флуоресценцию на уровне растений и листьев доступной для оперативных программ точного земледелия и фенотипирования.