Development of an automated ground-based hyperspectral field spectroscopy system that integrates two geometric observation configurations

Abstract

Hyperspectral remote sensing is becoming a powerful tool for monitoring vegetation structure and functions. Especially, Sun-Induced chlorophyll fluorescence (SIF) and canopy reflectance monitoring have been widely used to understand physiological and structural changes in plants, and field spectroscopy has become established as an important technique for providing high spectral-, temporal resolution in-situ data as well as providing a means of scaling-up measurements from small areas to large areas. Recently, several tower-based remote sensing systems have been developed. However, in-situ studies have only monitored either BRF or BHR and there is still a lack of understanding of the geometric and optical differences in remote sensing observations, particularly between hemispheric-conical and bi-hemispheric configurations. Here, we developed an automated ground-based field spectroscopy system measuring far-red SIF and canopy hyperspectral reflectance (400–900 nm) with hemispherical-conical as well as bi-hemispherical configuration. To measure both bi-hemispherical and hemispherical-conical reflectance, we adopted a rotating prism by using a servo motor to face three types of ports that measure incoming-, outgoing irradiance and outgoing radiance. A white diffuse glass and collimating lens were used to measure the irradiance, and a collimating lens was used to measure the radiance with a field of view of 20 degrees. Additionally, we developed data management protocol that includes radiometric-, and wavelength calibrations. Finally, we report how BRF and BHR data differ in this system and investigated SIF and vegetation index from both hemispherical-conical and bi-hemispherical observation configurations for their ability to track GPP in the growing seasons of a deciduous broad-leaved forests.

초 분광 원격 감지는 식생 구조와 기능을 모니터링하는 강력한 도구가 되고 있다. 특히, 식물의 생리적, 구조적 변화를 이해하기 위해 태양광 유도 엽록소 형광 (SIF)과 캐노피 반사율 모니터링이 널리 이용되고 있다. 현장 분광법은 높은 스펙트럼, 시간 분해능 현장 데이터를 제공하고 작은 영역에서 큰 영역으로 측정을 확장하는 수단을 제공하기 위한 중요한 기술로 확립되었다. 그러나, 수많은 연구가 현장 분광 시스템을 개발했지만, 반구-원추형 및 양 반구 구성 간의 원격 감지 관찰의 기하학적 및 광학적 차이에 대한 이해가 부족할 뿐만 아니라 초 분광 데이터를 지속적으로 수집하는 것은 여전히 어렵다. 우리는 반구형-원추형 및 이중 반구형 구성으로 원적외선 태양광 유도 엽록소 형광 및 캐노피 초 분광 반사율(400–900nm)을 측정하는 자동화된 지상 기반 필드 분광 시스템을 개발했다. 양방향 반사율과 반구형 원추형 반사율을 모두 측정하기 위해 서보 모터를 사용하여 프리즘을 회전하여 세가지 타입의 포트를 측정한다. 각 포트는 들어오는 복사 조도, 나가는 복사 조도 및 나가는 복사를 측정하는 세 가지 유형의 포트다. 조사조도는 백색확산유리와 굴절 렌즈를 사용하였고, 굴절 렌즈를 이용하여 조도를 측정하였다. 또한, 우리는 방사 측정 및 파장 교정을 포함하는 데이터 관리 프로토콜을 개발했다. 마지막으로, 우리는 낙엽 활엽수림의 성장기에 이 시스템에서 측정된 BRF와 BHR 데이터가 어떻게 다른지 보고하였다.