一種針葉植被冠層反射率計算方法技術

本發明專利技術公開了一種針葉植被冠層反射率計算方法，包括以下步驟：S1：參數識別；輸入模型參數，并將輸入的參數初步分為三大類：葉片參數、土壤參數和冠層參數；S2：將步驟S1中的葉片參數輸入LIBERTY模型進行單片葉光譜信息模擬，得出針葉葉片的反射率和透射率；S3：根據步驟S1中的土壤參數和冠層參數、步驟S2得到的單個葉片的光譜反射率及透射率，計算消光系數及散射系數，并進一步計算得到SAIL模型的參數；S4：將步驟S3計算得到的參數輸入SAIL模型，計算冠層的相關反射因子和反射率；S5：根據S4的反射因子和反射率計算冠層反射率。本發明專利技術能適用于連續針葉冠層參數反演。

A method and model for calculating canopy reflectance of foliage vegetation

The invention discloses a needle leaf vegetation canopy reflectance calculation method, which comprises the following steps: S1: parameter identification; input parameters of the model, and the input parameters are initially divided into three categories: leaf parameters, soil parameters and canopy parameters; S2: Blade Parameters in S1 LIBERTY model for single input the leaf information simulation of light spectrum, the reflectance and transmittance of conifer leaves; S3: according to the soil parameters and canopy parameters, obtained from step S2 spectral reflectance and transmittance of single blade in step S1, calculate the extinction coefficient and scattering coefficient, and further calculate the parameters of the SAIL model; S4: input parameters of SAIL model are obtained step S3, and the related calculation of canopy reflectance reflection factor; S5: Calculation of canopy reflectance and reflectance of S4 according to the reflection factor. The present invention can be applied to parameter inversion of continuous conifer canopy.

【技術實現步驟摘要】
一種針葉植被冠層反射率計算方法及模型
本專利技術涉及植被參數反演的方法，具體涉及一種利用物理輻射模型反演針葉植被參數的方法。
技術介紹
定量遙感在植被反演中越來越廣泛的應用，對高效管理植被生理化參數信息、森林火災預警、農作物培養等方面具有重要意義。近年來物理反演模型以其穩定性和可移植性強的特點成為了國內外熱點研究的植被參數反演模型。其中利用葉片模型和冠層模型的物理耦合模型來反演整個冠層的生化組分含量的方法是個熱點思路。葉片物理模型考慮光與葉片相互作用的物理機制及葉片的結構，詳細描述了光線在葉片內部的傳輸過程；冠層物理模型解釋了電磁波與冠層、葉片、土壤等的相互作用過程，利用冠層模型可以模擬大量的不同種類的冠層光譜樣本，而要通過實驗方法獲取這樣的數據是很難的。將葉片模型耦合到冠層模型中可以反演出冠層的生化組分含量，相較經驗或者半經驗方法意義更加明確，在模型假設范圍內，可以任意時間地點應用，不過存在耗時和依賴模型參數精準性的缺點。近年來對植被參數反演研究較多的模型中闊葉模型比例偏多，針葉植被反演相對較少，針葉植被參數反演還亟待發展。針葉具有自己特殊的結構:沒有明顯的柵欄組織，其剖面內幾乎都是球形細胞。如何表征和模擬針葉葉片的元素存在著很多問題。而且，針葉葉片的形狀和尺寸使得光譜特性測量也很困難，即是在實驗室內，也很難測定單葉的反射透過率。LIBERTY模型是針對針葉沒有明顯柵欄組織、大部分為球形細胞的特點發展起來的，用來模擬針葉簇葉或單片針葉的光譜特性。LIBERTY模型視針葉葉片的細胞為標準圓形細胞，認為針葉是由無數葉細胞堆疊在空氣中形成，通過若干層細胞的反射率和透過率的迭代過程求得單個針葉的反射率和透過率。冠層輻射傳輸模型的代表模型為SAIL，它考慮了多次散射的因素，假設冠層具有如下性質：冠層水平且無限延伸；冠層組分只考慮葉片；冠層分布是各向同性的。葉片模型的輸出，即葉片的反射率和透射率，可以作為SAIL模型的輸入參數，再結合土壤反射率、葉面積指數、葉傾角分布、太陽天頂角和方位角，觀測天頂角和方位角等相關參數，就可以模擬植被冠層400nm到2500nm的反射率。現有的針葉植被參數反演耦合模型是LIBERTY和5-SCALE模型的耦合，不能適用于連續針葉冠層反演。因此，有必要設計一種適用于連續針葉冠層反演的方法。
技術實現思路
本專利技術所解決的技術問題是，針對反演連續大區域針葉植被參數的問題和簡化模型參數和計算過程的問題，本專利技術提出了一種利用針葉葉片LIBERTY模型與冠層輻射傳輸模型SAIL模型的耦合模型，該模型將針葉單葉片的反射率與透射率模擬出來并作為針葉冠層模型的輸入參數，最后模擬出連續針葉冠層的反射率。本專利技術的技術方案為：一種針葉植被冠層反射率計算方法，包括以下步驟：S1：參數識別輸入模型參數，并將輸入的參數初步分為三大類：葉片參數、土壤參數和冠層參數；其中葉片參數包括針葉結構參數、吸收參數以及生化組分含量；土壤參數包括土壤的光譜反射率；冠層參數包括環境參數和冠層結構參數；S2：將步驟S1中的葉片參數輸入LIBERTY模型進行單片葉光譜信息模擬，得出針葉葉片的反射率和透射率；S3：根據步驟S1中的土壤參數和冠層參數、步驟S2得到的單個葉片的光譜反射率及透射率，計算消光系數及散射系數，并進一步計算得到SAIL模型的參數；S4：將步驟S3計算得到的參數輸入SAIL模型，計算冠層的相關反射因子和反射率，包括太陽直射方向半球反射率、觀測方向半球反射率和雙直射反射率；S5：計算冠層反射率。所述步驟S2具體包括以下步驟：S2.1：計算葉片細胞介質總吸收系數k：k＝d×(Cb+fhCh+fwCw+faCa+flCl+fnCn)其中，d為平均細胞直徑；Cb為基吸收；Ch為葉綠素含量，fh為葉綠素含量吸收系數；Cw為等效水含量，fw為水分含量吸收系數；Ca為白化吸收，fa為白化吸收系數；Cl為木質素加纖維素的含量，fl為木質素加纖維素的含量吸收系數；Cn為蛋白質含量，fn為蛋白質吸收系數；S2.2：計算單個葉片細胞的透射率；為解出單個葉片細胞的透射率和吸收率以及輻射與葉片細胞的相互作用過程，LIBERTY模型假設葉片內部細胞為球形粒子，細胞球體間是由空氣間隔隔開的，細胞的表面根據朗伯余弦定律散射入射光。(1)假設葉片內部細胞表面為理想漫射體并且服從朗伯余弦定律，反射特性呈現明顯的各向異性，即從方向θ出來的反射輻射與cosθ成正比。因此，對于非極化輻射的鏡面反射，某個方向θ的反射系數m(θ)由菲涅耳方程確定。外部入射輻射的平均反射系數為me，指當光線從低折射指數的介質進入高折射指數的介質，為：內部入射輻射的平均反射系數mi，指當光線從高折射指數介質進入低折射指數介質，為：其中，θc為臨界角；(2)假設有單位輻射通量進入細胞，因前面假設了細胞壁為漫射體，那么方向θ上每單位立體角的輻射通量為(1/π)cosθ，單位輻射經過一次內部傳播，到達表面的所有輻射M為：首次從細胞內反射的輻射將為miM，而有M-miM＝M(1-mi)的輻射將透出細胞，miM第二次在細胞內部傳播到達表面的輻射為miMM，其中miM2mi被散射，miM2(1-mi)被透射出來，反復多次內部傳播到表面以及散射和透出，如圖4所示。則單位輻射中被透出的輻射分量為：τ′＝M(1-mi)/(1-miM)而吸收的輻射分量為：1-τ′＝(1-M)/(1-miM)即單個葉片細胞的透射率為τ′，吸收率為1‐τ′；S2.3：根據單個葉片細胞的透射率為τ′求出無限厚葉片反射率R；針葉葉片細胞沒有明顯的柵欄組織，幾乎都是球形細胞。針葉葉片是將細胞緊密的聚合起來，即會得到準無限厚的介質。假設細胞表面是水平的并按層排列，那么除了表層的細胞，所有的細胞都將被反射率為R的物質包圍。根據單個葉片細胞的透射率為τ′求出無限厚葉片反射率R。(1)定義參數xu，xa和xd，分別表示細胞內部輻射向上、向相鄰和向下散射的分量，它們將分別被上層的，同層相鄰的和下層的細胞截住，如圖5所示。通過把側行輻射xa分解成上行和下行的輻射的分量，用概率系數x表示從細胞內部出射輻射上行輻射的分量，為：x＝xu/(1-xaτ′)當吸收系數較低時，kd＜1，并且有xu+xd+xa＝1(2)入射光一部分在表層細胞壁散射，另一部分進入細胞，進入細胞的輻射中又有一部分從細胞內再次透射出來，光線在細胞內反復進行著這樣的過程。經過無限次的相互作用后，最后所有貢獻到反射率R的輻射可以分為兩部分：一部分(P1)是原始單位輻射經過無限次的反射、再被反射后對R的貢獻；另一部分(P2)是經過二次、三次…無限次的反射后又進入表層細胞內部的輻射從表層細胞內下行透過后再被反射再進入再上行透過…如此反復而對反射率R的貢獻。無限厚葉片反射率：R＝P1+P2整合上面三式，得：aR2+bR+c＝0其中a＝-me-τ′+τ′me+xτ′-τ′xmeb＝2xme2+3τ′xme-2xτ′me2-2x2τme+1c＝-2xme-τ′x+2x2τ′me即可得出無限厚葉片反射率R。S2.4：迭代計算葉片的反射率和透射率；葉片的反射率ρ和透過率τ是通過若干層細胞的反射率和透過率的迭代過程求的。假設葉片是由若干層細胞組成的，每層的光學性質相同。根據無限厚葉片本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種針葉植被冠層反射率計算方法，其特征在于，包括以下步驟：S1：參數識別輸入模型參數，并將輸入的參數初步分為三大類：葉片參數、土壤參數和冠層參數；S2：將步驟S1中的葉片參數輸入LIBERTY模型進行單片葉光譜信息模擬，得出針葉葉片的反射率和透射率；S3：根據步驟S1中的土壤參數和冠層參數、步驟S2得到的單個葉片的光譜反射率及透射率，計算消光系數及散射系數，并進一步計算得到SAIL模型的參數；S4：將步驟S3計算得到的參數輸入SAIL模型，計算冠層的相關反射因子和反射率；S5：計算冠層反射率。

【技術特征摘要】
1.一種針葉植被冠層反射率計算方法，其特征在于，包括以下步驟：S1：參數識別輸入模型參數，并將輸入的參數初步分為三大類：葉片參數、土壤參數和冠層參數；S2：將步驟S1中的葉片參數輸入LIBERTY模型進行單片葉光譜信息模擬，得出針葉葉片的反射率和透射率；S3：根據步驟S1中的土壤參數和冠層參數、步驟S2得到的單個葉片的光譜反射率及透射率，計算消光系數及散射系數，并進一步計算得到SAIL模型的參數；S4：將步驟S3計算得到的參數輸入SAIL模型，計算冠層的相關反射因子和反射率；S5：計算冠層反射率。2.根據權利要求1所述的針葉植被冠層反射率計算方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括以下步驟：S2.1：計算葉片細胞介質總吸收系數k，計算公式為：k＝d×(Cb+fhCh+fwCw+faCa+flCl+fnCn)其中，d為平均細胞直徑；Cb為基吸收；Ch為葉綠素含量，fh為葉綠素含量吸收系數；Cw為等效水含量，fw為水分含量吸收系數；Ca為白化吸收，fa為白化吸收系數；Cl為木質素加纖維素的含量，fl為木質素加纖維素的含量吸收系數；Cn為蛋白質含量，fn為蛋白質吸收系數；S2.2：計算單個葉片細胞的透射率τ′，計算公式為：τ′＝M(1-mi)/(1-miM)其中，θc為臨界角，m(θ)表示方向θ的反射系數，由菲涅耳方程確定；S2.3：根據單個葉片細胞的透射率為τ′求出無限厚葉片反射率R，計算公式為：aR2+bR+c＝0其中，a＝-me-τ′+τ′me+xτ′-τ′xmeb＝2xme2+3τ′xme-2xτ′me2-2x2τme+1c＝-2xme-τ′x+2x2τ′mex＝xu/(1-xaτ′)；xu、xa和xd分別表示細胞內部輻射向上、向相鄰和向下散射的分量；S2.4：迭代計算針葉葉片的反射率ρ和透射率τ；迭代公式為：RN和TN分別表示具有N層細胞的針葉葉片的反射率RN和透射率，令ρ＝RN；τ＝TN。3.根據權利要求2所述的針葉植被冠層反射率計算方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括以下步驟：S3.1：求解一般葉傾角分布概率：采用Campbell橢球分布函數來求解針葉葉傾角密度函數：式中，α為葉傾角；g(α)表示葉傾角α的概率密度；χ為橢球水平半軸和垂直半軸的比值，0.1≤χ≤10；當χ＝1時，Λ＝2；當χ＜1時，有：ε＝(1-x2)1/2當χ＞1時，有：ε＝(1-χ-2)1/2；由此得到一般葉傾角分布概率F(θ)＝∫g(α)dα；S3.2：計算消光及散射系數：首先根據一般葉傾角分布概率加權并離散化，得到一組離散化的葉傾角θl(即水平面法線方向和葉片法線方向夾角)；之后，計算每個葉傾角對應的消光及散射系數；(1)求解消光系數根據以下公式求解太陽直射方向的消光系數：根據以下公式求解觀測方向的消光系數：其中，θs為太陽天頂角，θo為觀測天頂角；L′＝lai/h，lai為葉面積指數，h為冠層高度；βs和βo為臨界角，計算公式為：當確定計算公式中分母不為0且cosβ的計算結果小于1時直接計算出兩個臨界角的值；當cosβ的計算結果等于1時，兩個臨介角均等于π；其中cosβ泛指βs和βo的余弦；(2)求解散射系數(2.1)根據以下公式計算漫輻射E‐和E+的后向散射系數：根據以下公式計算漫輻射E‐和E+的前向散射系數計算公式為：(2.2)根據以下公式計算太陽直射輻射ES的后向散射系數：根據以下公式計算太陽直射輻射ES的前向散射系數：(2.3)根據以下公式計算漫輻射E‐和E+的衰減系數：(2.4)根據以下公式計算觀測方向E0的后向散射系數：(2.5)根據以下公式計算觀測方向E0的前向散射系數：(2.6)根據以下公式計算雙向散射系數W：其中，ρ、τ和θl分別表示葉片的反射率、透射率及此時相應的葉傾角；ψ為太陽方向與觀測方向之間的相對方位角，即兩個方向方位角之差；β1、β2和β3為輔助方位角，其取值方法如下：If：β1β2β3ψ≤|βs-βo|ψ|βs-βo|2π-βs-βo|βs-βo|＜ψ＜2π-βs-βo|βs-βo|ψ2π-βs-βoψ≥2π-βs-βo|βs-βo|2π-βs-βoψS3.3計算SAIL模型的參數；首先，針對S3.2中離散化得到的每一個葉傾角，計算其對應的一般葉傾角分布概率；然后，將S3.2中離散化得到的各個葉傾角對應的一般葉傾角分布概率分別與步驟S3.2中得到的消光及散射系數相乘后再相加，得到SAIL模型的參數，計算公式為：Z＝ΣF(θl)Z(θl)其中，F(θl)為葉傾角θl對應的一般葉傾角分布概率，Z(θl)指代步驟S3.2中得到的k(θl)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：郭云開，李丹娜，朱善寬，劉磊，劉寧，孫也盛，
申請(專利權)人：長沙理工大學，
類型：發明
國別省市：湖南,43