NASA首创的花卉追踪器利用太空成像技术观察鲜花

美国宇航局的科学家正在利用太空成像技术来揭开花卉的隐秘世界。通过使用先进的光谱仪跟踪加州自然保护区的野花盛开情况，研究人员正在揭示花朵的颜色和时间如何反映更广泛的环境变化。这种新方法可以彻底改变我们监测生态系统、预测超级盛开以及支持农民和传粉者的方式——所有这些都是通过从天空中探测花瓣的光谱“指纹”来实现的。

在这幅图中，研究飞机上的成像光谱仪测量了加州沿海灌木丛反射的阳光。在下面的数据立方体中，顶部面板显示了该区域的真彩色视图。下方面板描绘了图像中每个点的光谱指纹，捕捉了可见光范围（蓝色、绿色和红色波长）到近红外 (NIR) 及更远的光谱。空间分辨率约为 16 英尺（5 米）。来源：NASA

美国宇航局发现，花朵能告诉我们的信息比我们肉眼看到的还要多。最近对加州野花的一项研究表明，飞机和卫星仪器可以通过检测颜色的变化来追踪花朵的绽放。这种方法可以为农民和土地管理者提供一种新方法来监测对生态系统和农业至关重要的开花植物。

在这项研究中，科学家使用了美国宇航局南加州喷气推进实验室（ JPL ）开发的高科技成像光谱仪。该设备捕捉了数千英亩自然保护区的详细图像，记录了几个月内野花出现、盛开和凋零过程中数百种波长的光。

这是该仪器首次用于连续监测整个生长季的植被。喷气推进实验室的科学家戴维·希梅尔 (David Schimel) 表示，这使得这项研究成为“首创研究”。

对于许多植物物种而言，从农作物到沙漠灌木，开花与温度、日照和降雨的季节性模式密切相关。科学家正在研究这种被称为植被物候学的时序，以更好地了解气温升高和降雨模式变化如何改变全球生态系统。

2022 年，研究员 Ann Raiho 在加利福尼亚州圣巴巴拉县 Jack and Laura Dangermond 保护区进行实地工作期间，测量了阳光与黄色巨花金鸡菊花朵的相互作用。图片来源：NASA/Yoseline Angel

通常，野花调查依靠实地观察和延时摄影等工具。但这些方法无法捕捉全球不同生态系统中可能发生的更广泛变化，该研究的主要作者、马里兰大学帕克分校和美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的科学家约瑟琳·安吉尔 (Yoseline Angel) 说。

“一个挑战是，与叶子或植物的其他部分相比，花朵的生命可能非常短暂，”她说。“它们可能只能存活几周。”为了大规模追踪花朵，安吉尔和美国宇航局的其他科学家正在研究花朵的标志性特征之一：颜色。

多年来，NASA 的 AVIRIS 传感器已用于研究野火、世贸中心残骸和关键矿物，以及众多空中任务。AVIRIS-3 正在巴拿马进行实地考察，它帮助分析了人眼无法看见的多种波长的植被。图片来源：NASA/Shawn Serbin

花卉色素主要分为三类：胡萝卜素和甜菜红素（与黄色、橙色和红色有关）以及花青素（与许多深红色、紫色和蓝色有关）。色素的不同化学结构以独特的模式反射和吸收光线。

光谱仪可让科学家分析植物的化学“指纹”，并根据其化学“指纹”对植物种类进行分类。由于所有分子都会反射和吸收独特的光模式，因此光谱仪可以识别各种生物物质、矿物质和气体。

手持设备用于在现场或实验室分析样本。为了勘测卫星和行星（包括地球），NASA在过去 45 年中开发了功能越来越强大的成像光谱仪。

其中一种仪器名为AVIRIS-NG（机载可见光/红外成像光谱仪-下一代的缩写），由 JPL 制造，可安装在飞机上。2022 年，它被用于一项大型生态实地活动，以调查位于圣巴巴拉县的杰克和劳拉·丹格蒙德保护区和塞奇威克保护区的植被。从 2 月到 6 月，观察到的植物包括两种本地灌木物种——巨金鸡菊和加州蒿。

科学家们开发了一种方法，可以从挤满图像像素的其他景观特征中找出花朵的光谱指纹。事实上，他们能够捕捉到花朵、叶子和背景覆盖物（土壤和阴影）之间 97% 的细微光谱差异，并以 80% 的确定性识别不同的开花阶段。

研究结果为开展更多基于空中和太空的开花植物研究打开了大门，开花植物约占陆地上所有植物种类的 90%。安吉尔说，最终目标之一是支持依赖这些物种以及昆虫和其他传粉媒介的农民和自然资源管理者。水果、坚果、许多药物和棉花是开花植物生产的几种商品。

Angel 正在研究 AVIRIS 姊妹光谱仪收集的新数据，该光谱仪在国际空间站上运行。它被称为EMIT（地球表面矿物尘埃源调查），旨在绘制地球干旱地区周围的矿物图。将其数据与其他环境观测相结合可以帮助科学家研究超级花期，这是一种大雨过后大片沙漠花朵盛开的现象。

安吉尔说，研究花卉的乐趣之一就是公民科学家的热情。“我的手机上有社交媒体提醒，”她补充说，这是她了解世界各地野花活动的一种方式。

编译自/ScitechDaily