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Estimation of chlorophyll fluorescence under natural illumination from hyperspectral data

2001; Elsevier BV; Volume: 3; Issue: 4 Linguagem: Inglês

10.1016/s0303-2434(01)85039-x

1872-826X

Pablo J. Zarco‐Tejada, John R. Miller, Gina H. Mohammed, Thomas L. Noland, P. H. Sampson,

Land Use and Ecosystem Services

This paper reports a series of laboratory and field measurements of spectral reflectance under artificial and natural light conditions which demonstrate that effects of natural chlorophyll fluorescence are observable in the reflectance red edge spectral region. These are results from the progress made to link physiologically-based indicators to optical indices from hyperspectral remote sensing in the Bioindicators of Forest Sustainability Project. This study is carried out on twelve sites of Acer saccharum M. in the Algoma Region, Ontario (Canada), where field measurements, laboratory-simulation experiments, and hyperspectral CASI imagery have been carried out in 1997, 1998, 1999 and 2000 campaigns. Leaf samples from the study sites have been used for reflectance and transmittance measurements with the Li-Cor Model 1800 integrating sphere apparatus coupled to an Ocean Optics Model ST1000 fibre spectrometer in which the same leaves are illuminated alternatively with and without fluorescence-exciting radiation. A study of the diurnal change in leaf reflectance spectra, combined with fluorescence measurements with the PAM-2000 Fluorometer show that the difference spectra are consistent with observed diurnal changes in steady-state fluorescence. Small canopies of Acer saccharum M. have been used for laboratory measurements with the CASI hyperspectral sensor, and under natural light conditions with a fibre spectrometer in diurnal trials, in which the variation of measured reflectance is shown experimentally to be consistent with a fluorescence signature imposed on the inherent leaf reflectance signature. Such reflectance changes due to CF are measurable under natural illumination conditions, although airborne experiments with the CASI hyperspectral sensor produced promising but less convincing results in two diurnal experiments carried out in 1999 and 2000, where small variations of reflectance due to the effect of CF were observed. Cet article rend compte d'une série de mesures de réflectance spectrale en laboratoire et sur le terrain dans des conditions de lumière artificielle et naturelle qui démontrent que des effets de fluorescence de chlorophylle naturelle sont observables dans la réflectance spectrale à la limite du rouge. Ce sont là des résultats des progrès réalisés pour relier des indicateurs physiologiques à des indices optiques à partir de télédétection hyperspectrale dans le Projet de Bioindicateurs de Durabilité de Forêt. Cette étude est réalisée sur douze sites d' Acer Saccharum M. dans la région Algoma, Ontario (Canada), où des mesures de terrain, des expériences de simulation en laboratoire et des images hyperspectrales CASI ont été exécutées au cours de campagnes de 1997, 1998, 1999 et 2000. Des échantillons de feuilles des sites d'étude ont été utilisés pour des mesures de réflectance et de transmittance avec le Li-Cor Modèle 1800 coupléà un fibre spectromètre Modèle Ocean Optics ST1000 dans lequel les mêmes feuilles sont illuminées alternativement avec et sans radiation d'excitation fluorescente. Une étude du changement diurne dans les spectres de réflectance des feuilles, combinée avec des mesures de fluorescence à l'aide du PAM-2000 Fluoromètre montre que les spectres de différence sont conformes aux changements diurnes observés dans la fluorescence à l'état stationnaire. Des petites canopées d'Acer Saccharum M. ont été utilisées pour des mesures de laboratoire avec le capteur hyperspectral CASI, et sous des conditions de lumière naturelle avec un fibre spectromètre au cours d'essais diurnes et pour lesquels la variation de la réflectance mesurée est montrée expérimentalement pour être conforme à une signature de fluorescence imposée dans la signature de la réflectance inhérente à la feuille. De tels changements de réflectance dûs au CF sont mesurables sous de conditions d'illumination naturelle, bien que des expériences aéroportées avec le capteur hyperspectral CASI ont produit des résultats prometteurs mais moins convaincants dans deux expériences diurnes exécutées en 1999 et 2000, où de faibles variations de réflectance dues à l'effet de CF ont été observées. Este artículo reporta una serie de mediciones de reflectancia espectral obtenidas en laboratorio y campo bajo condiciones de luz artificial y natural, las cuales demuestran que se pueden observar los efectos de la fluorescencia natural de la clorofila en la región espectral de reflectancia de borde rojo. Estos resultados derivan del progreso realizado en el marco del proyecto sobre Bio-indicadores de la sostenibilidad de bosques, con fines de relacionar indicadores de base fisiológica con índices ópticos a partir de la teledetección hiperespectral. Este estudio se desarrolla en doce sitios de Acer saccharum M. en la Región de Algoma, Ontario (Canadá), donde se realizaron mediciones de campo, experimentos de simulación en laboratorio, e imágenes hiperespectrales CASI en 1997, 1998 y 2000. Se utilizaron muestras de hojas de los sitios bajo estudio para realizar mediciones de reflectancia y transmisión con el aparato esférico de integración Li-Cor Modelo 1800, acoplado a un espectrómetro de fibras de tipo Ocean Optics Modelo ST1000, en el cual las mismas hojas se iluminan alternativamente con y sin radiaciones de estimulación de la fluorescencia. Un estudio del cambio diurno en los espectros de reflectancia foliar, combinado con mediciones de fluorescencia usando el fluorómetro PAM-2000, muestra que los espectros de diferencia son consistentes con los cambios diurnos observados en fluorescencia básica. Se usaron pequeños doseles de Acer saccharum M. para realizar mediciones en laboratorio con el sensor hiperespectral CASI, y bajo condiciones de luz natural con un espectrómetro de fibras en ensayos diurnos, en los cuales se muestra experimentalmente que la variación en reflectancia medida es consistente con una firma de fluorescencia impuesta sobre la firma de reflectancia inherente a la hoja. Estos cambios de reflectancia debidos a CF pueden medirse en condiciones de iluminación natural, aunque experimentos aeroportados con el sensor hiperespectral CASI han producido resultados prometedores pero menos convincentes en dos ensayos diurnos realizados en 1999 y 2000, en los cuales se observaron pequeñas variaciones de reflectancia debidas al afecto de CF.