考虑光照方向叶片辐射传输模型的叶绿素高光谱反演方法   0    0

本发明公开了一种考虑光照方向叶片辐射传输模型的叶绿素高光谱反演方法。现有植物冠层光学辐射传输模型PROSAIL仅以天底方向的光源为入射角。本发明如下：1、叶片内部单元层的BRDF和BTDF特征构建。2、顶层叶片单元层BRDF和BTDF构建。3、N层单元层叶片的BRDF构建。4、模型参数的率定。5、对被测叶片进行多光源入射角的叶绿素浓度反演。发明构建了使用BRDF和BTDF描述的叶片辐射传输光学模型，并提供了一个入射光源角度的变量，使得本发明可以用不同方向入射的光线对叶片的叶绿素进行反演。

1.考虑光照方向的植物叶片辐射传输模型构建与叶绿素高光谱反演方法，其特征在于：
步骤1、叶片内部单元层的BRDF和BTDF特征构建
叶片内部单元层的方向半球反射Re如式(1)所示，方向半球透射Te特性如式(2)所示：
式(1)和(2)中，a→l表示光照方向从空气介质到叶片介质；l→a则是光照方向从叶片到空气；Ra→l、Ta→l分别表示在空气和叶片介质界面上光从空气到叶片的方向半球反射、方向半球透射；Rl→a和Tl→a分别表示在空气和叶片介质界面上光从叶片到空气的方向半球反射和方向半球透射属性； 和τ分别表示叶片折射率和光在叶片单元层的吸收特征；Ra→l＝
1‑Ta→l、Rl→a＝1‑Tl→a和 Ta→l根据平板模型由 和τ参数确定；τ的表达式如式(3)所示
式(3)中，k为中间色素吸收系数，表达式如式(4)所示：
式(4)中，C为叶片叶绿素浓度，N为叶片结构参数，KChls为叶绿素吸收系数；
叶片内部单元层的双向反射分布函数BRDFinterior如式(5)所示，双向透射分布函数BTDFinterior如式(6)所示：
BRDFinterior＝Re/π                   (5)
BTDFinterior＝Te/π                   (6)
步骤2、顶层叶片单元层BRDF和BTDF构建
光从叶片表面到叶片顶层入射方向(out→in)上，顶层叶片单元层的方向半球反射(Rtop，out→in)如式(7)所示，方向半球透射(Ttop，out→in)如式(8)所示：
Rtop，out→in＝Ra→s+Rtop，diff               (7)
式(7)中，Rtop，diff由如下式(9)求得：
顶层单元层叶片在光从叶片内部空气介质向顶层单元层到叶片表层方向上的方向半球反射Rtop，in→out如式(10)所示，方向半球透射Ttop，in→out如式(11)所示Rtop，in→out＝Re                                      (10)
Ttop，in→out＝Te                                    (11)
在式(7)(8)(9)中，Ra→s表示叶片表皮层直接反射的半球方向上的积分，如式(12)所示：
Ra→s＝DHRFspec                                 (12)
式(12)中，DHRFspec为叶片镜面反射的半球方向的积分；DHRFspec的表达式如式(13)所示：
式(13)中， 为镜面方向的双向反射分布函数；θi表示入射光源天
顶角；θv和 分别表示反射光线的天顶角和方位角，σ为叶片表面粗糙度， 为叶片折射率；
顶层单元层叶片在光从叶片表面到叶片顶层入射方向的双向反射分布函数
BRDFtop，out→in如式(14)所示，双向透射分布函数BTDFtop，out→in如式(15)所示；顶层单元层叶片在光从叶片内部到叶片顶层入射方向的双向反射分布函数BRDFtop，in→out如式(16)所示，双向透射分布函BTDFtop，in→out如式(17)所示：
步骤3、N层单元层叶片的BRDF构建
叶片的方向半球反射RN，out→top如式(18)所示，方向半球透射TN，out→top如式(19)所示：
RN，out→top＝Rtop，out→in+RN‑1，out→in，diff              (18)
式(18)中，RN‑1，out→in，diff表示叶片内部N‑1层单元层散射对总反射率的贡献，表达式如式(20)所示；
式(19)和(20)中，RN‑1和TN‑1分别表示叶片内部N‑1层单元层叶片的方向半球反射和方向半球透射；RN‑1和TN‑1由叶片结构参数N和叶片内部单元层的方向半球反射Re定量表达；
叶片内部N‑1层的双向反射分布函数BRDFN‑1，layer如式(21)所示，叶片内部N‑1层的双向透射分布函数BTDFN‑1，layer如式(22)所示，叶片内部N‑1层的双向反射分布函数的散射分量BRDFN‑1，layer，out→in，diff如式(23)所示：
BRDFN‑1，layer，out→in，diff＝RN‑1，out→in，diff/π          (23)叶片双向反射分布函数模拟值BRDFmod如式(24)所示，方向半球反射系数模拟值DHRFmod如式(25)所示，方向半球透射系数模拟值DHTFmod如式(26)所示：
DHRFmod＝DHRFspec+Rtop，diff+RN‑1，out→in，diff      (25)
DHTFmod＝TN，out→top                         (26)
BRDFmod、DHRFmod、DHTFmod均由叶绿素浓度C、入射光源天顶角θi、叶片折射率 叶绿素吸收系数KChls、表面粗糙度σ和叶结构参数N来确定；
步骤4、模型参数的率定
4‑
1.测定样本叶片在400～1400nm范围内的方向半球反射系数测量值DHRFmea和方向半球透射系数测量值DHTFmea；测量时的光源角度θ作为步骤1至3所述模型中的入射光源天顶角θi；测量样本叶片的叶绿素浓度C′；
4‑
2.参数率定；本模型参数包括：叶片折射率 叶绿素吸收系数KChls、表面粗糙度σ和叶结构参数N；
在波长范围400～1000nm内的3个最值波段进行计算；3个最值波段分别记为λ1、λ2、λ3；
λ1、λ2、λ3分别为最大反射率、最大透射率、最小吸收率对应的波长；将N、σ、 作为待求量，i＝1，2，3； 为波长为λi时的中间色素吸收系数； 设为定值1.45；建立式(27)；当式(27)的右式达到最小时，对应的N、σ、 即为求取结果；仅保留N、σ；
式(27)中，DHRFmea(λi)、DHTFmea(λi)分别为波长λi时的方向半球反射系数测量值、方向半球透射系数测量值；DHRFmod(λi)、DHTFmod(λi)分别为波长λi时的方向半球反射系数模拟值、方向半球透射系数模拟值；
与光谱波段有关模型参数获取：
使用步骤4‑1中测到的样本叶片的叶绿素浓度C′和已获取的叶片结构参数N及叶片表面粗糙度σ作为模型的输入变量； KChls，λ作为待求量，λ＝300，301，...，800； 表示λ波长下的叶片折射率 KChls，λ表示λ波长下的叶绿素吸收系数KChls；建立式(28)；
当式(28)的右式达到最小时，对应的 KChls，λ即为求取结果；
步骤5、对被测叶片进行多光源入射角的叶绿素浓度反演
5‑
1.测定被测叶片在400～1400nm范围内的方向半球反射系数测量值DHRFmea和方向半球透射系数测量值DHTFmea；测量时的光源角度θ作为入射光源天顶角；
5‑
2.将步骤4中求出或确定的叶结构参数N，叶表面粗糙度σ，叶片折射率 叶绿素吸收系数KChls，λ、入射光源天顶角θi、步骤5‑1测得的DHRFmea和DHTFmea作为输入量，建立式(29)；当式(29)的右式达到最小时，对应的叶绿素浓度C即为求取结果；

2.根据权利要求1所述的考虑光照方向的植物叶片辐射传输模型构建与叶绿素高光谱反演方法，其特征在于：步骤4‑1中，样本叶片的方向半球反射系数测量值DHRFmea和方向半球透射系数测量值DHTFmea通过UV‑3600分光光度计+积分球进行测定。

3.根据权利要求1所述的考虑光照方向的植物叶片辐射传输模型构建与叶绿素高光谱反演方法，其特征在于：步骤4‑1中，样本叶片的叶绿素浓度C′通过7500可见光分光光度计测量得到。