[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

本發明公開了一種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。現有植物冠層光學輻射傳輸模型PROSAIL僅以天底方向的光源為入射角。本發明如下：1、葉片內部單元層的BRDF和BTDF特征構建。2、頂層葉片單元層BRDF和BTDF構建。3、N層單元層葉片的BRDF構建。4、模型參數的率定。5、對被測葉片進行多光源入射角的葉綠素濃度反演。發明構建了使用BRDF和BTDF描述的葉片輻射傳輸光學模型，并提供了一個入射光源角度的變量，使得本發明可以用不同方向入射的光線對葉片的葉綠素進行反演。

技術領域

本發明屬于農業生態大數據智能感知與探測技術領域，具體涉及一種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。

背景技術

綠色植物光合作用是地球上最為普遍、規模最大的生物地球化學過程，也是農業生產的基礎。綠色植物的葉片在植物的光合作用中起著至關重要的作用，而光合作用過程中最關鍵的就是葉片內部的各種色素，尤其是葉綠素，它對植物的各種生理生態過程有著密切的聯系。而且葉片葉綠素所吸收的波段為400-700nm，而太陽光到達地面的高能波段為200-1100nm，吸收波段占據了高能光譜的大部分區域。因此，我們運用高光譜遙感數據對植物葉片進行定量遙感，檢測監測植物的生理生化狀態，研究植物的各種生化組分具有一定的現實意義。

葉片光學輻射傳輸模型是通過定量描述影響葉片光學屬性的影響因子，模擬光線在葉片中傳輸的過程和反演植物葉片的生化組分，如LEAFMOD(Leaf ExperimentalAbsorptivity Feasibility)模型、FluorMOD(Chlorophyll Fluorescence Model)模型、PROSPECT(A Model of Leaf Optical Properties Spectra)模型(Jacquemoud and Baret1990)、SLOP(Stochastic Model for Leaf Optical Properties)模型等，但是這些葉片的光學輻射傳輸模型都存在著幾個問題。由于這些模型所用的光譜數據都是用積分球獲取的，而積分球通常都只有一個入射角度，所以這些模型中的光源的入射角度都是一個固定值。而在實際的自然場景中，植被所受的以太陽光為光源的輻射是以多個角度射向葉片的，很少是以一個固定的角度入射。目前最常用的植物冠層光學輻射傳輸模型PROSAIL(PROSPECT+SAIL)仍是以天底方向的光源為入射角。另外，上述的模型在對葉片表面粗糙度的描述采用了“V”形結構，并用一個最大入射角來描述這個粗糙度，這個最大入射角在模型計算中并不能完全定量表面粗糙度。因此急需開發一種能夠考慮入射光方向和定量粗糙度的多光源角度的植物葉片光學輻射傳輸模型(PROSPECT-MA模型)以提高輻射傳輸模型的適應范圍。

發明內容

本發明的目的在于提供一種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。

本發明的具體步驟如下：

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