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27 - 荧光成像

植物吸收的光有一小部分以叶绿素荧光的形式重新发出，波段在 650–850 nm，峰值约在 687 nm 和 740 nm。日光诱导叶绿素荧光（SIF）与光合作用密切相关。荧光成像分两步：

  1. 计算每片叶子发出多少荧光，称为荧光源项；
  2. 用 SIFImager 观测，荧光在冠层中传播、被叶片和土壤散射和吸收后到达传感器。

本章使用固定的荧光量子产额。荧光随光合作用变化的情形见第 33 章。

场景

叶片必须使用 FLUSPECT（第 10 章），它给出叶片的反射、透射、吸收和荧光光谱，fqe 是荧光量子产额：

import less

scene = less.Scene()
scene.size = 6.0
scene.terrain = less.Terrain(property=less.Lambertian(reflectance=0.15))
scene.illumination = less.Illumination(
    source=less.Sun(zenith=30, azimuth=150), atmosphere=less.NoAtmosphere())

plant = less.Object("plant")
plant.add_component("leaves", less.Mesh(less.asset_path("tutorial_tree.obj"), group="leaves"))
plant.set_property("leaves", less.Fluspect(N=1.5, cab=45, car=10, cw=0.012, cm=0.006, fqe=0.012))
scene.add(plant, positions=[(3, 3, 0)])

荧光源项与影像

source = scene.simulate(less.SIFProcess(mode="static", quality="high"))

image = scene.simulate(less.SIFImager(
    less.Orthographic(image_size=64),
    bands=[687.0, 740.0, 760.0],
    quality=32,
    sif_result=source,
))
image.save("sif.tif")
print(image.data.mean(axis=(0, 1)))      # W m⁻² sr⁻¹ nm⁻¹

SIFProcess(mode="static") 用 Fluspect.fqe 计算荧光源项，不需要温度和光合作用参数。结果是传感器观测到的荧光辐亮度，单位 W m⁻² sr⁻¹ nm⁻¹，不包括反射的太阳光。

受光叶片和阴影叶片

每片叶子有两份荧光源：阴影部分只由天空光和多次散射激发，受光部分还加上太阳直射的激发。成像时，观测光线落在叶面上的那一点能否看到太阳，决定它发出哪一份荧光。因此同一片叶子上的光斑和阴影会保留在影像中，叶片网格不需要为此细分。

两个光系统

给出两个光系统各自的量子产额，可以分别得到光系统 I 和光系统 II 的荧光影像，两者相加等于总荧光：

plant.set_property("leaves", less.Fluspect(N=1.5, cab=45, car=10, cw=0.012, cm=0.006,
                                           fqe=(0.002, 0.01)))       # （PSI, PSII）
split = scene.simulate(less.SIFProcess(mode="static", quality="high"))

psii = scene.simulate(less.SIFImager(
    less.Orthographic(image_size=64), bands=[687.0, 740.0],
    sif_result=split, photosystem="PSII"))
psi = scene.simulate(less.SIFImager(
    less.Orthographic(image_size=64), bands=[687.0, 740.0],
    sif_result=split, photosystem="PSI"))

只给出一个产额时，两个光系统的荧光合在一起，不能再分开。

大气与观测高度

使用 less.Atmosphere 时，可以给出大气层顶或某一高度的荧光辐亮度，荧光沿观测路径的大气透过率会被计入：

scene.illumination = less.Illumination(
    source=less.Sun(zenith=30, azimuth=150),
    atmosphere=less.Atmosphere.standard("us76", aot550=0.1))
airborne_source = scene.simulate(less.SIFProcess(mode="static", quality="high"))
airborne = scene.simulate(less.SIFImager(
    less.Orthographic(image_size=64), bands=[687.0, 740.0], quality=32,
    sif_result=airborne_source, observation_altitude_km=3.0))

光照或场景改变后要重新计算荧光源项，旧的源项不能用于新的场景状态。

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