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科研进展

2023年05月24日
中国科大揭示植物叶片热红外特征形成机理

近日,中国科学技术大学工程科学学院叶宏教授课题组在国际上首次构建了植物叶片在热红外波段的辐射传输模型,据此揭示了植物叶片热红外反射特征与含水量关系的形成机制。相关研究成果以“Thermal infrared reflectance characteristics of natural leaves in 8-14μm region: Mechanistic modeling and relationships with leaf water content”为题于5月份在遥感领域国际知名期刊《Remote Sensing of Environment》(RSE)在线发表。

地球大气对8-14μm之间的热红外(Thermal infrared,TIR)辐射吸收很少,植物叶片发出的TIR辐射能够穿过大气被传感器探测到,因此TIR遥感是监测植被环境胁迫状态的重要手段。植物叶片含水量是反映植被生长状况的重要生理参数,现有实验研究表明,在TIR波段内植物叶片的光谱特征与水分胁迫条件密切相关,然而TIR反射率与叶片结构及含水量之间关系的形成机制尚未明确。

叶宏教授团队根据植物叶片的表皮结构(图1)构建了热红外辐射传输模型(Leaf-TIR model)(图2),探讨了叶片TIR光谱特征的形成机理。结果表明,随着角质层厚度减小,叶片与角质层反射率的相似性减弱(图3)。这是因为薄角质层在8-14μm范围内具有较弱的吸收特性,导致对叶片反射特征的影响较弱。当角质层足够薄时,叶片的TIR反射率随含水量的减少而提高,这是由于角质层与含水量较少的细胞壁的折射率之差增大所致(图4)。

图1植物叶片表皮结构示意

图2植物叶片热红外反射率模型

图3热红外反射率与角质层厚度的关系

图4热红外反射率与含水量的关系

上述结果表明,利用Leaf-TIRmodel可解析热红外光谱特征与植物叶片结构及含水量的关系。该工作揭示了植被水分胁迫状况热红外遥感监测的基本原理,为解释叶片的TIR光谱行为提供了重要的理论依据,有助于促进TIR遥感技术的发展。

该研究论文的创新性得到了RSE副主编、国际知名植被遥感科学家Christiaan van der Tol教授和多位审稿人的积极评价和肯定:“…I believe this work is exciting and a good contribution to the remote sensing community…I feel this paper is addressing an important knowledge gap…These are novel results and this increasing interest in thermal-band reflectance of foliage is long-overdue. The authors nicely explain, I think, why there may have previously been mixed reports in the literature regarding relationships between thermal band reflectance and leaf water content.…The uniqueness of many spectral signatures may also open up new avenues for applications including species mapping.”

该论文第一作者为工程科学学院博士后许凯,第二作者为工程科学学院博士研究生杨威,通讯作者为叶宏教授。研究受到国家自然科学基金项目和中央高校基本科研业务费的资助。

《Remote Sensing of Environment》是遥感领域知名的学术期刊,涉及地球科学、环境科学、遥感机理与方法等领域。

文章链接:https://authors.elsevier.com/a/1h7nu7qzS-PlZ


(工程科学学院、科研部)


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