[發明專利]考慮光照方向葉片輻射傳輸模型的葉綠素高光譜反演方法

有效

• 申請號: 202010043919.4
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111220552B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 王鋮杰;張垚;王晨冬;張競成;吳開華
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/31
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 黃前澤

1.考慮光照方向的植物葉片輻射傳輸模型構建與葉綠素高光譜反演方法，其特征在于：

步驟1、葉片內部單元層的BRDF和BTDF特征構建

葉片內部單元層的方向半球反射R_e如式(1)所示，方向半球透射T_e特性如式(2)所示：

式(1)和(2)中，a→l表示光照方向從空氣介質到葉片介質；l→a則是光照方向從葉片到空氣；R_a→l、T_a→l分別表示在空氣和葉片介質界面上光從空氣到葉片的方向半球反射、方向半球透射；R_l→a和T_l→a分別表示在空氣和葉片介質界面上光從葉片到空氣的方向半球反射和方向半球透射屬性；和τ分別表示葉片折射率和光在葉片單元層的吸收特征；R_a→l＝1-T_a→l、R_l→a＝1-T_l→a和T_a→l根據平板模型由和τ參數確定；τ的表達式如式(3)所示

式(3)中，k為中間色素吸收系數，表達式如式(4)所示：

式(4)中，C為葉片葉綠素濃度，N為葉片結構參數，K_Chls為葉綠素吸收系數；

葉片內部單元層的雙向反射分布函數BRDF_interior如式(5)所示，雙向透射分布函數BTDF_interior如式(6)所示：

BRDF_interior＝R_e/π (5)

BTDF_interior＝T_e/π (6)

步驟2、頂層葉片單元層BRDF和BTDF構建

光從葉片表面到葉片頂層入射方向(out→in)上，頂層葉片單元層的方向半球反射(R_{top，out→in})如式(7)所示，方向半球透射(T_{top，out→in})如式(8)所示：

R_{top，out→in}＝R_a→s+R_top，diff (7)

式(7)中，R_top，diff由如下式(9)求得：

頂層單元層葉片在光從葉片內部空氣介質向頂層單元層到葉片表層方向上的方向半球反射R_{top，in→out}如式(10)所示，方向半球透射T_{top，in→out}如式(11)所示

R_{top，in→out}＝R_e (10)

T_{top，in→out}＝T_e (11)

在式(7)(8)(9)中，R_a→s表示葉片表皮層直接反射的半球方向上的積分，如式(12)所示：

R_a→s＝DHRF_spec (12)

式(12)中，DHRF_spec為葉片鏡面反射的半球方向的積分；DHRF_spec的表達式如式(13)所示：

式(13)中，為鏡面方向的雙向反射分布函數；θ_i表示入射光源天頂角；θ_v和分別表示反射光線的天頂角和方位角，σ為葉片表面粗糙度，為葉片折射率；

頂層單元層葉片在光從葉片表面到葉片頂層入射方向的雙向反射分布函數BRDF_{top，out→in}如式(14)所示，雙向透射分布函數BTDF_{top，out→in}如式(15)所示；頂層單元層葉片在光從葉片內部到葉片頂層入射方向的雙向反射分布函數BRDF_{top，in→out}如式(16)所示，雙向透射分布函BTDF_{top，in→out}如式(17)所示：

步驟3、N層單元層葉片的BRDF構建

葉片的方向半球反射R_{N，out→top}如式(18)所示，方向半球透射T_{N，out→top}如式(19)所示：

R_{N，out→top}＝R_{top，out→in}+R_{N-1，out→in，diff} (18)

式(18)中，R_{N-1，out→in，diff}表示葉片內部N-1層單元層散射對總反射率的貢獻，表達式如式(20)所示；

式(19)和(20)中，R_N-1和T_N-1分別表示葉片內部N-1層單元層葉片的方向半球反射和方向半球透射；R_N-1和T_N-1由葉片結構參數N和葉片內部單元層的方向半球反射R_e定量表達；

葉片內部N-1層的雙向反射分布函數BRDF_N-1，layer如式(21)所示，葉片內部N-1層的雙向透射分布函數BTDF_{N-1，layer}如式(22)所示，葉片內部N-1層的雙向反射分布函數的散射分量BRDF_{N-1，layer，out→in，diff}如式(23)所示：

BRDF_{N-1，layer，out→in，diff}＝R_{N-1，out→in，diff}/π (23)

葉片雙向反射分布函數模擬值BRDF_mod如式(24)所示，方向半球反射系數模擬值DHRF_mod如式(25)所示，方向半球透射系數模擬值DHTF_mod如式(26)所示：

DHRF_mod＝DHRF_spec+R_top，diff+R_{N-1，out→in，diff} (25)

DHTF_mod＝T_{N，out→top} (26)

BRDF_mod、DHRF_mod、DHTF_mod均由葉綠素濃度C、入射光源天頂角θ_i、葉片折射率葉綠素吸收系數K_Chls、表面粗糙度σ和葉結構參數N來確定；

步驟4、模型參數的率定

4-1.測定樣本葉片在400～1400nm范圍內的方向半球反射系數測量值DHRF_mea和方向半球透射系數測量值DHTF_mea；測量時的光源角度θ作為步驟1至3所述模型中的入射光源天頂角θ_i；測量樣本葉片的葉綠素濃度C′；

4-2.參數率定；本模型參數包括：葉片折射率葉綠素吸收系數K_Chls、表面粗糙度σ和葉結構參數N；

在波長范圍400～1000nm內的3個最值波段進行計算；3個最值波段分別記為λ₁、λ₂、λ₃；λ₁、λ₂、λ₃分別為最大反射率、最大透射率、最小吸收率對應的波長；將N、σ、作為待求量，i＝1，2，3；為波長為λ_i時的中間色素吸收系數；設為定值1.45；建立式(27)；當式(27)的右式達到最小時，對應的N、σ、即為求取結果；僅保留N、σ；

式(27)中，DHRF_mea(λ_i)、DHTF_mea(λ_i)分別為波長λ_i時的方向半球反射系數測量值、方向半球透射系數測量值；DHRF_mod(λ_i)、DHTF_mod(λ_i)分別為波長λ_i時的方向半球反射系數模擬值、方向半球透射系數模擬值；

與光譜波段有關模型參數獲?。?/p>

使用步驟4-1中測到的樣本葉片的葉綠素濃度C′和已獲取的葉片結構參數N及葉片表面粗糙度σ作為模型的輸入變量；K_{Chls，λ}作為待求量，λ＝300，301，...，800；表示λ波長下的葉片折射率K_Chls，λ表示λ波長下的葉綠素吸收系數K_Chls；建立式(28)；

當式(28)的右式達到最小時，對應的K_Chls，λ即為求取結果；

步驟5、對被測葉片進行多光源入射角的葉綠素濃度反演

5-1.測定被測葉片在400～1400nm范圍內的方向半球反射系數測量值DHRF_mea和方向半球透射系數測量值DHTF_mea；測量時的光源角度θ作為入射光源天頂角；

5-2.將步驟4中求出或確定的葉結構參數N，葉表面粗糙度σ，葉片折射率葉綠素吸收系數K_Chls，λ、入射光源天頂角θ_i、步驟5-1測得的DHRF_mea和DHTF_mea作為輸入量，建立式(29)；當式(29)的右式達到最小時，對應的葉綠素濃度C即為求取結果；