Institut für Bio- und Geowissenschaften (IBG)

Pflanzenwissenschaften (IBG-2)

FLOX Systeme

FLOX ermöglicht die Quantifizierung der hyperspektralen Reflexion von Kronendächern, sowie die Ableitung der sonnen-induzierten Fluoreszenz

Der FLOX wurde vom IBG-2: Pflanzenwissenschaften des Forschungszentrums Jülich und dem Remote Sensing of Environmental Dynamics Laboratory der Universität Mailand-Bicocca entwickelt. Im Jahr 2015 gründeten zwei Mitglieder der Partner das neue Start-up-Unternehmen JB Hyperspectral http://jb-hyperspectral.com/wordpress/. Die kommerziellen Versionen der FLOX-Boxen werden von diesem jungen Start-up-Unternehmen vertrieben.

FLOX misst die sonneninduzierte Chlorophyllfluoreszenz (SIF) von Pflanzendächern als Maß für die photosynthetische Kapazität von Pflanzen unter natürlichen Lichtverhältnissen. Ein QEPro-Spektrometer von Ocean Optics, das den Rot/Nahinfrarot-Bereich (650 - 800 nm) abdeckt, misst die Chlorophyllfluoreszenz von Pflanzendächern im Wellenlängenbereich der beiden atmosphärischen Sauerstoffabsorptionsbanden O2B und O2A (689 nm bzw. 760 nm) mit hoher spektraler Auflösung. Die SIF von Pflanzendächern kann durch den Vergleich von aufeinanderfolgenden Messungen des vom Pflanzendach reflektierten und emittierten Lichts mit einer nach unten gerichteten Faseroptik und der Sonneneinstrahlung mit einer nach oben gerichteten Referenzfaseroptik ständig überwacht werden. Die Spektrometer sind in ein temperaturgesteuertes Gehäuse eingebettet, um ein stabiles Niveau des Dunkelstroms der Spektrometer zu gewährleisten. Eine genaue automatische Optimierung der Messdauer beider Kanäle an die vorherrschenden Lichtverhältnisse wird angewandt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren und die Erfassungszeit zu minimieren. Dadurch kann FLOX zur ständigen Überwachung von SIF unter wechselnden Umweltbedingungen eingesetzt werden.

Die Shoot-Gruppe am IBG-2 verfügt derzeit über 5 FLox-Systeme, von denen einige als stationäre Systeme zur kontinuierlichen Aufzeichnung der solarinduzierten Fluoreszenz (SIF) und der hyperspektralen Reflexion an ausgewählten Untersuchungsstandorten eingesetzt werden und somit Zeitreihen über die Funktion der Vegetation im Laufe der Saison erstellen. Andere FLOX-Systeme sind in Sensorpositionierungsplattformen integriert und werden im Rahmen verschiedener Projekte zur Messung der SIF und der Vegetationsreflexion in experimentellen Feldsystemen eingesetzt. Ein FLOX-System wird derzeit in Zusammenarbeit mit dem Hersteller so modifiziert, dass es auf eine UAV-Plattform montiert werden kann, um SIF-Messungen von niedrig fliegenden Plattformen aus zu ermöglichen.

Darüber hinaus betreiben wir 2 ROX-Systeme, bei denen es sich um kleinere Versionen mit nur einem Spektrometer handelt. Die ROX-Systeme messen den Reflexionsgrad der Baumkronen, können aber nicht für die Messung der sonneninduzierten Fluoreszenz verwendet werden. Die ROX-Systeme werden als Feldspektrometer mit geringem Gewicht zur Erfassung der Kronen- und Blattreflexion eingesetzt.

FLOX und ROX können mit der Blattklammer FluoWAT kombiniert werden, einer speziell angefertigten Blattklammer zur Messung der Blattreflexion und -transmission sowie der auf- und absteigenden solarinduzierten Fluoreszenz von einzelnen Blättern im Feld.

Publikationen

Naethe P., Julitta T., Chang C.Y.-Y., Burkart A., Migliavacca M., Guanter L. & Rascher U. (2022) A precise method unaffected by atmospheric reabsorption for ground-based retrieval of red and far-red sun-induced chlorophyll fluorescence. Agricultural and Forest Meteorology, 325, article no. 109152, doi: 10.1016/j.agrformet.2022.109152.

§ Wieneke S., Burkart A., Cendrero-Mateo M.P., Julitta T., Rossini M., Schickling A., Schmidt M. & Rascher U. (2018) Linking photosynthesis and sun-induced fluorescence at sub-daily to seasonal scales. Remote Sensing of Environment, 219, 247-258, doi: 10.1016/j.rse.2018.10.019.

§ Buman B. Hueni A., Colombo R., Cogliati S., Celesti M., Julitta T., Burkhardt A., Siegmann B., Rascher U., Drusch M. & Damm A. (2022) Towards consistent uncertainty assessments of in situ radiometric measurements for the validation of fluorescence satellite missions. Remote Sensing of Environment, 274, article no. 112984, doi: 10.1016/j.rse.2022.112984.

Martini D., Sakowska K., Wohlfahrt G., Pacheco-Labrador J., van der Tol C., Porcar-Castell A., Magney T.S., Carrara A., Colombo R., El-Madanay T., González-Cascón R., Martin M.P., Julitta T., Moreno G., Rascher U., Reichstein M., Rossini M. & Migliavacca M. (2022) Heat-wave breaks down the linearity between sun-induced fluorescence and gross primary production. New Phytologist, 233, 2415-2428; doi: 10.1111/nph.17920.

§ Acebron K., Matsubara S., Jedmowski C., Emin D., Muller O. & Rascher U. (2021) Diurnal dynamics of non-photochemical quenching in Arabidopsis npq mutants assessed by solar-induced fluorescence and reflectance measurements in the field. New Phytologist, 229, 2104-2119, doi: 10.1111/nph.16984.

§ Quirós-Vargas J., Bendig J., Mac Arthur A., Burkart A., Julitta T., Maseyk K., Thomas R., Siegmann B., Rossini M., Celesti M., Schüttemeyer D., Kraska T., Muller O. & Rascher U. (2020) Unmanned Aerial Systems (UAS)-based methods for Solar Induced Chlorophyll Fluorescence (SIF) retrieval with non-imaging spectrometers: State of the art. Remote Sensing, 12, article no. 1624, doi: 10.3390/rs12101624.

Links

The FLOX systems were originally developed by Shoot Dynamic and are now produced and marketed by JB Hyperspectral, which is an established start-up company of former PhD students from IBG-2 and the University of Milano-Biccoca.

The FLOX system is nowadays used worldwide to record the dynamics of solar-induced fluorescence. Additionally, the FLOX systems will be used as reference stations for the upcoming FLEX satellite mission of the European Space Agency (ESA).