Τηλεπισκόπηση της Φυτικής Χημείας

Από RemoteSensing Wiki

---

Αναθεώρηση της 16:58, 2 Ιανουαρίου 2018

Αντικείμενο Εφαρμογής: Τηλεπισκόπηση της Φυτικής Χημείας

Πρωτότυπος Τίτλος: Remote Sensing of Foliar Chemistry

Συγγραφείς: Paul J. Curran

[1]

Περίληψη

Χρησιμοποιούνται δεδομένα από απόσταση για την εκτίμηση της φυλλώδης χημικής ουσία ως αποτέλεσμα της ανάγκης για πληροφόρηση, την αυξανόμενη ικανότητα κατανόησης και την μέτρηση των φασματικών φύλλων. Αυτή η μελέτη σχολιάζει τον τρόπο με τον οποίο αυξάνονται βαθμιαία η πολλαπλή παλινδρόμηση και η αποσύνθεση που έχει χρησιμοποιηθεί για την εκχύλιση χημικών ουσιών ςαπό τα φάσματα των φυλλωμάτων. Και οι δύο μέθοδοι είναι χρήσιμες, αλλά δεν είναι ιδανικές. Η έρευνα επικεντρώνεται μακροπρόθεσμα στην προσομοίωση και βραχυπρόθεσμα στον πειραματισμό. Η μακροπρόθεσμη έρευνα θα πρέπει να μας αυξήσει κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ ακτινοβολίας και χημεία φύλλων, έτσι ώστε το επίκεντρο της έρευνας να μπορεί να μετακινηθεί από μοντέλα φύλλων σε μοντέλο κουβούκλιου σε πεδίο πείραμα. Η βραχυπρόθεσμη έρευνα θα πρέπει να στοχεύει στο σχεδιασμό πειραμάτων στα οποία βρίσκονται τα δεδομέν.

Εισαγωγή

Οι πληροφορίες για τη βλάστηση που μπορούν να εξαχθούν από τα δεδομένα που ανιχνεύονται από απόσταση εξαρτάται από το την εκλέπτυνση των αισθητήρων , την κατανόησή για το πώς αλληλεπιδρά η ακτινοβολία με ένα θόλο βλάστησης, και στις μεθοδολογίες. Δεδομένα τηλεχειρισμού χρησιμοποιήθηκαν πρώτα για να ταξινομήσουν τη βλάστηση και στη συνέχεια για την εκτίμηση του φυσικού περιεχομένου των τζαμιών. Σήμερα υπάρχουν αποδείξεις ότι μπορούμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε εξ αποστάσεως για την εκτίμηση των χημικών περιεχομένων των τέντες. Τα δύο ερωτήματα που διερευνώνται σε αυτή τη μελέτη είναι, καταρχάς, γιατί και, δεύτερον, πώς τα δεδομένα από απόσταση ανιχνεύθηκαν και πως θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της περιεκτικότητας σε χημικά φυλλώματα. Η εργασία ολοκληρώνεται με συστάσεις για μελλοντικές μακροπρόθεσμες και βραχυπρόθεσμες ερευνητικές στρατηγικές.

Γιατί να χρησιμοποιήσετε ανιχνευμένα στοιχεία εκτιμώντας το χημικό περιεχόμενο;

Οι κινητήριες δυνάμεις πίσω από την τηλεπισκόπηση της φυλλώδη χημική ουσία είναι η ανάγκη για πληροφορίες στη χημεία των φυλλωμάτων και στην αυξημένη κατανόηση μας και της ικανότητας μέτρησης των φασματικών καταλοίπων.

Η ανάγκη για πληροφορίες σχετικά με τη χημεία των φυλλωμάτων

Μέτρα του χημικού περιεχομένου του φυλλώματος μας παρέχουν με δείκτες παραγωγικότητας των φυτών (π.χ. χλωροφύλλη); ποσοστό αποικοδόμησης των απορριμμάτων (π.χ. επίπεδα λιγνίνης). και τη διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών (π.χ., άζωτο) στο διάστημα και στο χρόνο. Κάνοντας τέτοιες εκτιμήσεις από μακριά μπορούμε να μελετήσουμε την ποιότητα της βλάστησης και ένα μέρος πολλών θρεπτικών κύκλων σε τοπικό και παγκόσμιο επίπεδο. Ορισμένες οργανώσεις των ΗΠΑ και κυβέρνηση οι οργανισμοί δήλωσαν ότι οι ερευνητικοί τους στόχοι η δεκαετία του 1990 περιλαμβάνει τη μελέτη της παγκόσμιας βιογεωχημικής ποδηλασία και ότι η τηλεανίχνευση είναι ένα εργαλείο για την επίτευξη αυτού του στόχου . "Νέα ανίχνευση τηλεπισκόπησης υψηλής φασματικής ανάλυσης δείχνει την υπόσχεση της εκτίμησης του θόλου της παραμέτρους της χημικής σύνθεσης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διασαφηνιστούν οι ιδιότητες του οικοσυστήματος.

Αυξημένη κατανόηση των φαινομένων φύλλων

Τα φάσματα ανάκλασης όλων των τύπων βλάστησης στη φασματική περιοχή 0,4-2,4- / μm είναι αξιοσημείωτη παρόμοιος. Στα μήκη κύματος κοντά στην υπέρυθρη ακτινοβολία υπάρχει μεγάλη ένταση ανακλαστικότητα ως αποτέλεσμα της σκέδασης των φύλλων και σε περίπου ίσες αποστάσεις σε όλο το φάσμα υπάρχουν πέντε κύρια χαρακτηριστικά απορρόφησης. Αυτά τα χαρακτηριστικά απορρόφησης είναι το αποτέλεσμα του ηλεκτρονίου μεταβάσεις σε χλωροφύλλη (0,4-0,7 / μm) και η κάμψη και η τάνυση του δεσμού Ο - Η στο νερό και άλλα χημικά (0.97, 1.20, 1.40, 1.94/ μm). Λεπτομερείς φασματοσκοπικές μετρήσεις των αποξηραμένων και τα αλεσμένα φύλλα έγιναν στη δεκαετία του 1960 και την δεκαετία του 1970 από ερευνητές του Υπουργείου των ΗΠΑ Γεωργία (USDA). Οι μετρήσεις αυτές αποκάλυψαν ότι υπάρχουν περίπου 42 μικρές απορρόφηση (πίνακας 1) που, σε φρέσκα φύλλα, θα ήταν πιθανώς έχουν βρεθεί από τους πέντε μεγάλους χαρακτηριστικά απορρόφησης. Από τη δεκαετία του 1970 οι ερευνητές με το USDA είχαν συσχετίζει αυτά τα δευτερεύοντα χαρακτηριστικά απορρόφησης με η συγκέντρωση οργανικών ενώσεων (π.χ. κυτταρίνη, λιγνίνη, πρωτεΐνη, έλαιο, ζάχαρη, άμυλο) σε ξηρό φύλλα. Αυτές οι οργανικές ενώσεις απορροφούν ακτινοβολία στο υπεριώδες (<0,4- / μm) και μεσαίες υπέρυθρες (> 2,4- / μm).

Έχουν χρησιμοποιήσει οι ερευνητές στο USDA βαθμονομήσεις μεταξύ παραγώγων ανάκλασης σε αρκετά στενά τις ζώνες κυμάτων και τις χημικές συγκεντρώσεις με ακρίβεια για τη χημική σύνθεση των αποξηραμένων χόρτων και άλλων ειδών αποξηραμένης βλάστησης. Η φασματοσκοπική ανάκλασης είναι τώρα μια διαδικασία ρουτίνας στο USDA, όπου η ακρίβεια και επαναληψιμότητα των εκτιμήσεων ανακλαστικότητας πρωτεϊνών, λιγνίνη και συγκεντρώσεις αμύλου σε αποξηραμένα φυτά τα υλικά είναι συγκρίσιμα με εκείνα που λαμβάνονται από το υγρό εργαστηριακές μεθόδους. Ως αποτέλεσμα, η τεχνική έχει πιστοποιηθεί ως επίσημη μέθοδος του Συλλόγου των γεωργικών χημικών και χρησιμοποιείται σε όλη την έκταση η αμερικανική γεωργική βιομηχανία. Οι διαδικασίες που αναπτύχθηκαν από το USDA έχουν διευρύνθηκε με. Παράλληλα με αυτές τις εξελίξεις είναι η χρήση της θέσης του τοπικού μέγιστου του πρώτου παράγωγου των φάσεων των φύλλων, σε μήκος κύματος περίπου 0,7> m, ως εκτίμηση της περιεκτικότητας σε χλωροφύλλη.

Αυξημένη ικανότητα μέτρησης φάσματος φύλλων

Υπάρχει ένα ευρύ φάσμα εργαστηριακών αισθητήρων που είναι ικανά να καταγράφουν το φάσμα ενός φύλλου ή ενός δείγματος ξηρού και αλεσμένου φύλλωματος. Επιπλέον, υψηλής ποιότητας αισθητήρες πεδίου και αερομεταφοράς έχουν αναπτυχθεί και μπορούν να καταγράψουν τη βλάστηση σε φάσματα θόλων. Τρεις αισθητήρες που αναπτύχθηκαν από το Jet Propulsion Laboratory ενθάρρυναν την απομακρυσμένη αίσθηση της κοινότητας να χρησιμοποιήσει ανακλαστικότητα φάσματα για την εκτίμηση της χημείας των φύλλων.

Μια κατάλληλη συσκευή ανίχνευσης για την εκτίμηση της φύλλωσης του χημικόυ περιεχόμενου θα καταγράψει ένα φάσμα μεταξύ 0,4 και 2,4 μm με φασματική ανάλυση 0,01 μm ή λιγότερο και ένα επίπεδο θορύβου για μεγέθος μικρότερου από το βάθος απορρόφησης. Η λεπτή φασματική ανάλυση επιτυγχάνεται με τη χρήση γραμμικών συστοιχιών και μακρών χρόνων παραμονής. Η αναλογία σήματος προς θόρυβο (SNR) είναι πιο δύσκολη και επιτυγχάνεται καθώς αναπτύσσονται περαιτέρω τα φασματόμετρα από τη χρήση τους στο πεδίο για τη χρήση τους αεροσκάφη και δορυφόρους. Τα SNR για το AVIRIS ήταν επίσης χαμηλά, αλλά, και πάλι, τα χημικά αναμενόμενα χαρακτηριστικά φαίνονται σαφώς στα φάσματα

Χρησιμοποιώντας με ακρίβεια δεδομένα για την εκτίμηση του φιλικού χημικού περιεχομένου

1. Τα χαρακτηριστικά απορρόφησης πολλαπλασιάζονται και συχνά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Για παράδειγμα, οι πρώτες επικρίσεις του N - H και O - H εκτείνεται αλληλεπικαλύπτεται για το μεγαλύτερο μέρος του πλάτους τους. 2. Οι οργανικές ενώσεις απορροφούν σε παρόμοιες ζώνες κυμάτων, έτσι ώστε ένα μήκος κύματος να μην είναι ποτέ μοναδικό που σχετίζονται με μια χημική ουσία. Για παράδειγμα, οι ισχυροί Ο δεσμός Ο - Η είναι ένα συστατικό του φάσματα απορρόφησης νερού, κυτταρίνης, ζάχαρης, άμυλο και λιγνίνη. 3. Κάθε μήκος κύματος έχει τη δική του μέτρηση σφάλμα, το οποίο αυξάνεται τόσο προς απορρόφηση νερού ζώνες κυμάτων και μεγαλύτερα μήκη κύματος. Για παράδειγμα, πολλά από τα δευτερόλεπτα κρύβονται από τον θόρυβο του αισθητήρα όταν πεδία και αερομεταφερόμενοι αισθητήρες. Οι ερευνητές έχουν επομένως υιοθετήσει μια εμπειρική, πολυπαραγοντική προσέγγιση .Αυτό υποθέτει ότι ένα φάσμα φύλλων είναι το άθροισμα για τα χαρακτηριστικά απορρόφησης κάθε χημικού, σταθμισμένα από τη συγκέντρωσή της. Στην απλούστερη μορφή του, σταδιακά η παλινδρόμηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό κυματικών ζωνών στο φασματικά φάσματα στα οποία υπάρχει υψηλή συσχέτιση μεταξύ ανακλαστικότητας και χημικής συγκέντρωσης. Η αντανάκλαση σε αυτές τις ζώνες κυμάτων μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της χημικής συγκέντρωσης σε επιπλέον δείγματα. Στη πιο περίπλοκο μορφή, τα φάσματα των φυλλωμάτων μπορούν να διαχωριστούν για να δώσουν και τα δύο καθαρά φάσματα, τα οποία μπορούν να ταυτοποιηθούν χρησιμοποιώντας εργαστηριακές καμπύλες ανάκλασης και βάρους, οι οποίες σχετίζονται με τις χημικές συγκεντρώσεις. Παρόλο που είναι χρήσιμα, κανένα από αυτές τις δύο μεθόδους είναι ιδανικές. Η αποσυγκέντρωση έχει μόλις πρόσφατα εφαρμόστηκε στη μελέτη των φυλλωμάτων φάσματα (π.χ., κάρτα, επικείμενη), έτσι ώστε η έκταση του οι περιορισμοί του είναι άγνωστοι. Η σταδιακή παλινδρόμηση είναι ανοικτή σε κριτική σε τρεις κατηγορίες. 1. Υπερθέρμανση των κυματικών ζωνών στη βαθμονόμηση εξίσωση. Μπορούν να παραχθούν ψευδώς υψηλοί συσχετισμοί όταν ο αριθμός των δειγμάτων είναι μικρότερος από τον αριθμό των κυματικών ζωνών που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση. Αυτό συμβαίνει όταν οι τιμές ανακλαστικότητας σε ζώνες κυμάτων που δεν έχουν αιτιώδη συνάφεια με το τα χημικά που ενδιαφέρουν επιλέγονται επειδή έχουν τα μοντέλα θορύβου ταιριάζουν με τα δεδομένα σχετικά με τη συγκέντρωση τους. Ο κίνδυνος αυτός αυξάνεται σαφώς με τον αριθμό των κυμάτων που χρησιμοποιούνται. Δεύτερος, και ίσως πιο σημαντικό, η υπερφόρτωση είναι σαφής να εντοπιστεί κατά τη διάρκεια της εκτίμησης και μπορεί να διορθωθεί. 2. Διασύνδεση χημικών ουσιών. Η υψηλή συσχέτιση μεταξύ ανακλαστικότητας και χημικής συγκέντρωσης σε μερικές κυματοθραύστες μπορεί να μην είναι εξηγήσιμες από πλευράς χημικών δεσμών. Είναι συνήθως το αποτέλεσμα μιας ισχυρής διασύνδεσης μεταξύ αρκετές χημικές ουσίες.

3Παράλειψη κυματομορφής. Αν και μπορεί να είναι δυνατόν να εξηγηθεί γιατί η ανάκλαση σε μια συγκεκριμένη η ζώνη συχνοτήτων επιλέχθηκε για να εισέλθει στο πολλαπλό, δεν είναι δυνατόν να εξηγεί με βεβαιότητα γιατί παραλείφθηκε η ανακλαστικότητα σε μια εξίσου κατάλληλη ζώνη κυμάτων. Η αιτία είναι πιθανότατα παρεμβολή μεταξύ φασματικά στενής απορρόφησης χαρακτηριστικά; Ωστόσο, αυτό είναι δύσκολο να αποδειχθεί χρησιμοποιώντας δεδομένα από τρέχοντα φασματόμετρα πεδίου και αερομεταφοράς.

Η προσέγγιση πολλαπλών μεταβλητών είναι σχετικά εύκολη να εφαρμοστεί και είναι η βάση των πολύ ακριβών διαδικασιών που αναπτύχθηκε από το USDA. Η πρώτη είναι η παραδοχή ότι οι σχέσεις μεταξύ ανακλαστικότητας και χημική συγκέντρωση είναι σχεδόν γραμμική. Το δεύτερο είναι η υπόθεση ότι μπορούμε να εξαγάγουμε το φάσματα βλάστησης ενδιαφέροντος από τη φασματομετρία δεδομένα. Η τρίτη είναι η υπόθεση ότι η σχέση μεταξύ των φασμάτων και της χημικής σύνθεσης είναι ότι δεν συγχέεται από άλλους παράγοντες όπως η φαινολογία ή γεωμετρία του περιβλήματος. Η τέταρτη είναι η ακρίβεια στη μέτρηση των χημικών συγκεντρώσεων. Η πρώτη παραδοχή είναι λογική και η δεύτερη παραδοχή είναι εύλογη εάν είναι συνεχής βλάστηση που μελετώνται.. Η τρίτη παραδοχή είναι λογικό εάν οι βιότοποι είναι η μόνη ποικιλίας που μελετώνται. Αν όχι, τότε μπορεί να είναι δύσκολο και να δείχνουν ανεξάρτητη σχέση χημικού φάσματος-χημικού της σχέσης φάσματος-ειδών. Από τις τέσσερις, η παραβίαση της τελευταίας παραδοχής φαίνεται να προκαλεί τις περισσότερες δυσκολίες. Το πρόβλημα εδώ είναι διπλό. Πρώτα, η χημική σύνθεση ενός θόλου είναι μεταβλητή εντός ενός δεδομένου τόμου. Χρησιμοποιώντας ένα δείγμα για να αντιπροσωπεύσει ολόκληρο το θόλο απαιτεί το ευφάνταστο χρήση τρισδιάστατων χωρικών στατιστικών, δίνοντας το μεγαλύτερο βάρος στα ανώτερα στρώματα του αντί για απλή τυχαία δειγματοληψία. Το δεύτερο πρόβλημα είναι ότι η συγκέντρωση ενός μιας χημικής ένωσης που μετράται στο εργαστήριο μπορεί να διαφέρει σημαντικά από τη συγκέντρωσή του στο πεδίο. Υπάρχουν τρεις λόγοι για αυτό.

1.Τα χημικά μετασχηματίζονται κατά τη διάρκεια της απομόνωσης με επεξεργασία οξείδωσης, υδρόλυσης και μετουσίωσης. 2. Κάθε χημικό προϊόν έχει πολλές μορφές. για παράδειγμα,ένα "μέσο" μόριο λιγνίνης είναι δύσκολο και οι πρωτεΐνες στους χλωροπλάστες δεν είναι απαραιτήτως το ίδιο με την πρωτεΐνη στο κυτταρόπλασμα. 3.Υπάρχουν πολλές μέθοδοι χημικής εξαγωγής (π.χ., πέψη με θειικό οξύ, διχρωμικό εκχύλιση και επεξεργασία με ακετυλοβρωμίδιο), που το καθένα δίνει ένα διαφορετικό αποτέλεσμα. Η εμπειρία από μερικές εργαστηριακές μελέτες, ωστόσο, υποδηλώνουν ότι τα μέτρα χημικής συγκέντρωσης στο εργαστήριο μπορεί να είναι ακριβής, και μπορεί να χρησιμεύσουν ως έγκυρα.

Η ανάπτυξη ενός νέου μοντέλου ανάκλασης φύλλων είναι πιθανόν να αποδειχθεί δύσκολη. Ωστόσο, πρέπει να είναι δυνατόν να συνδυαστούν τουλάχιστον τα τρέχοντα μοντέλα και να παράγουν μια σύνθετη εικόνα της σκέδασης, της απορρόφησης, της ανατομία των φύλλων και της δυναμικής και της κατάστασης της χημεία των φύλλων. Τα μοντέλα αντανάκλασης του θόλου είναι καλύτερα αναπτυγμένα από τα μοντέλα ανάκλασης των φύλλων, αν και κανένα δεν περιέχει ένα βιοχημικό συστατικό. Μακροπρόθεσμα, αυτά τα μοντέλα θα πρέπει να βοηθήσουν και να αποτελέσουν οδηγό πειραματισμού, βελτίωση μεθοδολογίας, και να αυξήσουμε την κατανόησή μας για τον τρόπο αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας με τα φύλλα.