本發(fā)明涉及一光與葉片相互作用的認(rèn)知與色素葉片光譜特征的模擬方法。
背景技術(shù)：
：隨著遙感技術(shù)的逐步發(fā)展，植被遙感為植物體生理生態(tài)特征監(jiān)測或檢測提供了一種實(shí)時(shí)、便捷、大面積信息獲取的有效手段。在植被遙感監(jiān)測或檢測的視場角中，植物葉片組分占據(jù)了視場角的大部分區(qū)域，尤其是在植被光學(xué)遙感中，葉片的光學(xué)屬性(光譜特征)決定了植被的光學(xué)屬性；另外，植物葉片群體的生理生態(tài)特性可直接反映植被的生理生態(tài)特征。因此，光與植物葉片相互作用的認(rèn)知是利用植被光學(xué)遙感監(jiān)測植物生理生態(tài)信息的基礎(chǔ)。當(dāng)一束光照射在植物葉片上，光與葉片的光學(xué)作用方式有三種：反射、吸收和透射，其中，反射和透射為遙感可探測光學(xué)行為，即葉片光學(xué)屬性(葉片反射光譜和透射光譜)，并且葉片反射光譜和透射光譜呈鏡面關(guān)系，都可認(rèn)為是葉片生化組分吸收特征的特定函數(shù)關(guān)系。因此，光與植物葉片作用定量實(shí)質(zhì)為各種葉片生化組分吸收特征的函數(shù)化。進(jìn)而，利用植被光學(xué)遙感監(jiān)測或檢查植物生理生態(tài)信息本質(zhì)上是基于植物葉片光譜特征利用能反映植物生理生態(tài)的葉片生化組分物質(zhì)吸收特征的光譜響應(yīng)函數(shù)獲取其組分和含量的過程。葉片的色素種類和含量與植被生理生態(tài)特性直接相關(guān)。葉綠素aChla是光化學(xué)反應(yīng)過程中必須的色素分子，是光合化學(xué)反應(yīng)的執(zhí)行者；葉綠素bChlb是光化學(xué)反應(yīng)中穩(wěn)定集光色素蛋白復(fù)合體必須的色素分子，也是光化學(xué)反應(yīng)過程中電子傳遞的天線分子；類胡蘿卜素Cars與光合反應(yīng)中心色素復(fù)合物能夠吸收太陽輻射能，并將能量傳遞到光合作用系統(tǒng)，當(dāng)輻射能超過光合作用所需時(shí)，類胡蘿卜素組分葉黃素循環(huán)會耗散過剩能量，從而保護(hù)光合反應(yīng)中心；花青素Ants能夠修復(fù)葉片的光環(huán)境，具有潛在地調(diào)節(jié)光合作用和限制光抑制與光漂白作用的能力和光破壞的防御能力，可提高植物抗冰凍與抗干旱脅迫的能力；不同植物在不同生育期和不同逆境條件下，葉片色素含量具有不同生理生態(tài)比例。因此。正確認(rèn)知各種色素在光與葉片相互作用中的吸收特征函數(shù)關(guān)系，可建立準(zhǔn)確監(jiān)測植物葉片生理生態(tài)信息的光學(xué)輻射傳輸模型。現(xiàn)今多數(shù)葉片色素光學(xué)輻射傳輸模型仍然以總?cè)~綠素Chls或總?cè)~綠素+類胡蘿卜素Chls+Cars吸收特征函數(shù)關(guān)系認(rèn)知光與葉片相互作，來模擬植物葉片生理生態(tài)信息提取的光譜特征。如LEAFBRDF模型(Chls)、PROSPECT-5模型(Chls+Cars)和FluorMOD(Chls)模型等。很顯然，利用植物葉片Chls或Chls+Cars對不同理生態(tài)的條件下葉片光學(xué)屬性的模擬是不全面，尤其是逆境條件下的植物體，如多數(shù)植物在低溫脅迫誘因條件下花青素含量升高的葉片；植物體受脅迫下，Chla/b異常的葉片。因此，為了更好的監(jiān)測和評價(jià)植物生理生態(tài)特征，光與多色素葉片相互作用的模擬模型成為利用植被光學(xué)遙感監(jiān)測植物生理生態(tài)信息的趨勢和需求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種光與葉片相互作用的模擬(FrameworkofOpticalLeafInteractionsforUnderstandingandModeling；FOLIUM)模型，實(shí)現(xiàn)能夠利用可反映植物生理生態(tài)的光合色素和非光合色素模擬葉片光譜特征方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：FOLIUM模型與多色素葉片光譜模擬方法是基于光與植物葉片相互作用的認(rèn)知與模擬(FOLIUM)模型與多色素葉片光譜特征模擬方法，包括以下步驟：S1.利用純色素在有機(jī)溶液的光譜特征，通過微分分析方法確定每種色素的吸收峰個(gè)數(shù)，同時(shí)引入一個(gè)相對有機(jī)溶液中吸收峰位移參數(shù)，并利用G-L函數(shù)構(gòu)建葉片吸收系數(shù)函數(shù)；S2.基于S1中新的葉片吸收系數(shù)函數(shù)、平板模型和N層葉片光學(xué)輻射框架構(gòu)建FOLIUM模型；S3.利用LOPEX_ZJU數(shù)據(jù)集、最小距離光譜擬合和最小二乘法獲取S2中構(gòu)建的FOLIUM模型的各種色素特定吸收系數(shù)和葉片平均折射系數(shù)等參數(shù)；S4.利用LOPEX_ZJU數(shù)據(jù)集，結(jié)合S3中獲取的模型參數(shù)進(jìn)行方向半球反射率和方向半球透射率進(jìn)行模擬和精度驗(yàn)證，并與PROSPECT-5進(jìn)行比較與分析。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)合植物葉片色素吸收特征函數(shù)表達(dá)光與植物相互作用構(gòu)建多色素光學(xué)輻射傳輸(FOLIUM)模型，并通過FOLIUM模型利用葉片光合色素(葉綠素a、葉綠素b、和類胡蘿卜素)和非光合色素(花青素)多種色素含量能夠模擬其葉片方向半球反射和透射光譜，進(jìn)而補(bǔ)充完善了PROSPECT-5對多種色素葉片光譜模擬能力。附圖說明圖1各種色素標(biāo)準(zhǔn)樣品在混合有機(jī)溶液(乙腈/甲醇/乙酸乙酯；60:20:20；v/v/v)吸收光譜特征。其中，圖1a和圖1b分別表示濃度為0.2mg/ml的色素(Lu,An和Ze)與(Vi,β-car和Ne)色素的吸收光譜；而Chla,Chlb和Ants的吸收光譜特征為(c)，它們的濃度分別是0.01mg/ml、0.01mg/ml、和0.05mg/ml；圖2為FOLIUM與PROSPECT-5模型對不同葉綠素濃度葉片光譜模擬(灰色線)與實(shí)測光譜(黑色線)的比較，其中，圖2a與圖2d、圖2b與圖2e、圖2c與圖2f分別代表低、中、高葉綠素濃度的葉片；圖3為對不同花青素濃度葉片光譜模擬(灰色線)與實(shí)測光譜(黑色線)的比較，其中，圖3a與圖3d、圖3b與圖3e、圖3c與圖3f分別代表低、中、高花青素濃度的葉片；圖4FOLIUM與PROSPECT-5模型對含有光合色素(葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素)和非光合色素(花青素)葉片方向半球反射和透射光譜模(DHR和DHT)擬局部驗(yàn)證；圖5是本發(fā)明的方法流程示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明。發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于FOLIUM模型與多色素葉片光譜模擬方法，包括以下步驟：S1.利用純色素在有機(jī)溶液的光譜特征，通過微分分析方法確定每種色素的吸收峰個(gè)數(shù)，同時(shí)引入一個(gè)相對有機(jī)溶液中吸收峰位移參數(shù)，并利用G-L函數(shù)構(gòu)建葉片吸收系數(shù)函數(shù)；S2.基于S1中新的葉片吸收系數(shù)函數(shù)、平板模型和N層葉片光學(xué)輻射框架構(gòu)建FOLIUM模型；S3.利用LOPEX_ZJU數(shù)據(jù)集、最小距離光譜擬合和最小二乘法獲取S2中構(gòu)建的FOLIUM模型的各種色素特定吸收系數(shù)和葉片平均折射系數(shù)等參數(shù)；S4.利用LOPEX_ZJU數(shù)據(jù)集，結(jié)合S3中獲取的模型參數(shù)進(jìn)行方向半球反射率和方向半球透射率進(jìn)行模擬和精度驗(yàn)證，并與PROSPECT-5進(jìn)行比較與分析。所述的步驟S1中重新構(gòu)建葉片吸收系數(shù)函數(shù)，包括以下：(1)純色素在有機(jī)溶液的光譜特征：利用島津UV-VIS分光光度計(jì)對混合有機(jī)溶液中特定濃度的純色素(Chla、Chlb、Cars(β-胡蘿卜素(β-Car),紫黃質(zhì)(Vi),花藥黃質(zhì)(An),玉米黃質(zhì)(Ze),新黃質(zhì)(Ne),葉黃質(zhì)(Lu)和Ants)分別進(jìn)行350-800nm區(qū)間的吸收光譜采樣，其結(jié)果見說明書圖1。(2)每種色素的吸收峰個(gè)數(shù)：利用純色素在有機(jī)溶液中的光譜曲線，結(jié)合一階微分或二階微分的方法，獲取每種純色素在有機(jī)溶液中的明顯的吸收峰的個(gè)數(shù)與峰位。為了保證FOLIM模型中各種色素特定吸收系數(shù)分離的精度，Cars中各種細(xì)分色素相應(yīng)吸收峰合并(其原因Cars中各種細(xì)分色素相應(yīng)吸收峰之間距離小于10nm)，選擇Chla、Chlb、Cars和Ants，為FOLIUM模型的目標(biāo)色素反演對象。其結(jié)果見下表1。表1各種葉片色素標(biāo)準(zhǔn)樣品在有機(jī)混合液中吸收光譜對應(yīng)的吸收峰峰位(3)G-L函數(shù)：該函數(shù)是高斯(G)和洛倫茨函數(shù)(L)的聯(lián)合函數(shù)，常用于吸收光譜的吸收峰分離中，該函數(shù)在吸收峰分離過程中不受各種物質(zhì)吸收特征的波段重疊特性影響，也不受各物質(zhì)濃度之間高的線性相關(guān)性的影響，并且該函數(shù)能夠客觀的反映物質(zhì)吸收光譜形成物理機(jī)制，因此，引入G-L函數(shù)表達(dá)FOLIUM模型的各種目標(biāo)色素特定吸收系數(shù)，有助于FOLIUM模型的各種目標(biāo)色素特定吸收系數(shù)分離過程中，消除各種色素之間的光譜重疊特征引起的各種色素光譜信息之間的“疊掩”現(xiàn)象，F(xiàn)OLIUM模型的各種目標(biāo)色素特定吸收系數(shù)表達(dá)形式為：Ai,i`,p(λ)=Ai,i`,vAi,i`,he-4ln2(Ai,i`,p-λAi,i`,w)2+(1-Ai,i`,v)Ai,i`,h1+4(Ai,i`,p-λ)2Ai,i`,w-2---(1)]]>其中，Ai,i`(λ)、Ai,i`,v、Ai,i`,h,Ai,i`,p和Ai,i`,w分別表示有機(jī)溶液中第i種色素、第i`個(gè)吸收峰函數(shù)、高斯比重、峰高、峰位和半高波寬；i可為Chla、Chlb、Cars或Ants；i`可為1、2、3或4。λ表示波長；e為自然常數(shù)。(4)純色素在有機(jī)溶液和活體葉片中吸收特征的關(guān)系在可見光和紫外線光區(qū)域，光敏物質(zhì)的吸收光譜特征是來源于這些物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中生色團(tuán)分子的電子躍遷的光譜特性。不同介質(zhì)中電子躍遷的介電常數(shù)不同，其中介電常數(shù)的大小與介質(zhì)極性相關(guān)，介質(zhì)的極性越強(qiáng)介電子躍遷能力越弱，為此，所處介質(zhì)的極性越強(qiáng)光敏物質(zhì)在該介質(zhì)中光譜特性越弱，吸收光譜中可使用導(dǎo)數(shù)方法獲取的吸收峰個(gè)數(shù)會減少。而植物鮮葉(活體葉片)通常其含水量超過鮮重50％，因此，活體葉片介質(zhì)可以被認(rèn)為是水分環(huán)境極性介質(zhì)。又因?yàn)樗陀袡C(jī)溶液介質(zhì)極性的關(guān)系是：水>乙腈>甲醇>乙酸乙酯，因此，活體葉片各種色素特定吸收系數(shù)的吸收峰個(gè)數(shù)小于或等于這些相應(yīng)色素標(biāo)準(zhǔn)樣品在混合有機(jī)溶液(乙腈/甲醇/乙酸乙酯)中的對應(yīng)的吸收系數(shù)的吸收峰個(gè)數(shù)；由于光敏物質(zhì)在不同極性介質(zhì)，其生色團(tuán)分子結(jié)構(gòu)會發(fā)生微型異構(gòu)，導(dǎo)致這些物質(zhì)在不同極性介質(zhì)中其吸收光譜中的吸收峰峰位會發(fā)生向長波方向或者短波方向漂移。而活體葉片與有機(jī)溶液(乙腈、甲醇和乙酸乙酯混合液)的極性之間存在著一定差異，因此，活體葉片色素特定吸收系數(shù)吸收峰峰位相對在乙腈、甲醇和乙酸乙酯混合液中相應(yīng)色素吸收峰峰位存在一定的差異(Ki,i`,Δλ)，為此，活體葉片中各種色素特定吸收系數(shù)的吸收峰峰位(Ki,i`,p)可以表達(dá)為：Ki,i`,p＝Ai,i`,p+Ki,i`,Δλ(2)(5)FOLIUM模型的葉片吸收系數(shù)函數(shù)結(jié)合S1中的(3)和(4)活體葉片中的各種色素的特定吸收系數(shù)的吸收峰函數(shù)(Ki,i`(λ))可以表達(dá)為：Ki,i`(λ)=Ki,i`,v·Ki,i`,h·e-4ln2·(Ki,i`,p-λKi,i`,w)2+(1-Ki,i`,v)Ki,i`,h1+4(Ki,i`,p-λ)2Ki,i`,w-2---(3)]]>其中，Ki,i`,v、Ki,i`,h,Ki,i`,p和Ki,i`,w分別活體葉片中的各種色素的特定吸收系數(shù)的吸收峰的高斯比重、峰高、峰位和半高波寬。由于各種色素的特定吸收系數(shù)(Ki(λ))是其各個(gè)吸收峰波普特征(Ki,i`(λ))的疊加，因此，色素的特定吸收系數(shù)函數(shù)可以表達(dá)為：Ki(λ)=Σi`=1i`Ki,i`(λ)---(4)]]>根據(jù)平板模型中的吸收系數(shù)原理，葉片的吸收系數(shù)與葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)、葉片各種生化組分的特定吸收系數(shù)和相應(yīng)生化組分含量存在特定的函數(shù)關(guān)系，為此，葉片吸收系數(shù)函數(shù)(τ)可以表達(dá)為：τ=(1-k(λ))e-k(λ)+k(λ)2∫k(λ)∞x-1e-xdx---(5)]]>其中i可代表Chla、Chlb、Cars或Ants；CChla、CChlb、CCars和CAnts為Chla、Chlb、Cars和Ants在葉片中的含量；K0(λ)為葉片基準(zhǔn)吸收系數(shù)，即在模型目標(biāo)光譜區(qū)間內(nèi)，除各種色素吸收特征之外的，為植物葉片所必須的物質(zhì)(蛋白質(zhì)、核酸和酚類物質(zhì)等)的吸收特性。所述步驟S2中，構(gòu)建葉片多色素光學(xué)輻射傳輸(FOLIUM)模型，有以下內(nèi)容：(1)FOLIUM模型構(gòu)建結(jié)合S1中構(gòu)建的葉片吸收系數(shù)函數(shù)，基于平板模型和N層葉片光學(xué)輻射傳輸框架構(gòu)建葉片多色素遙感反演模型(FOLIUM)，最終，F(xiàn)OLIUM模型的光學(xué)方程表達(dá)為：RN,out→1st=R1st,a→l(β,m‾la,τ)+T1st,a→l(β,m‾la,τ)RN-1(90,m‾la,τ,N)T(90,m‾la,τ)1-RN-1(90,m‾la,τ,N)R(90,m‾la,τ)---(7)]]>TN,out→1st=T1st,a→l(β,m‾la,τ)TN-1(90,m‾la,τ,N)1-RN-1(90,m‾la,τ,N)R(90,m‾la,τ)---(8)]]>其中RN,out→1st和TN,out→1st是光由空氣照射到葉片表面時(shí)，N層葉片的方向半球反射率和透射率；和是光由空氣照射到葉片表面時(shí)N層葉片結(jié)構(gòu)中第一層葉片單元層的方向半球反射率和透射率，并且可以由模型參數(shù)β(入射光立體角內(nèi)最大的入射光天頂角來表示，通常設(shè)為40°)、(葉片平均折射系數(shù))和τ(葉片吸收系數(shù)，見S1)定量表達(dá)；代表葉片內(nèi)部單元層葉片在散射光條件(在葉片內(nèi)部光的輻射傳輸方式，以散射的方式，為此，入射光立體角內(nèi)最大的入射光天頂角為90°)的方向半球反射率和透射率，同樣可以和τ定量表達(dá)；和為N-1層葉片單元層的方向半球反射率和透射率，并且可使用模型參數(shù)τ和N(葉片結(jié)構(gòu)參數(shù))進(jìn)行定量表達(dá)。因此，F(xiàn)OLIUM模型參數(shù)共有3個(gè)：τ和N(2)FOLIUM模型運(yùn)行與功能類似其他光學(xué)輻射傳輸模型，在FOLIUM模型運(yùn)行前，模型參數(shù)(τ和N)需要先獲取，其中τ可以由葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)、葉片各種生化組分的特定吸收系數(shù)、相應(yīng)生化組分含量和葉片基準(zhǔn)吸收系數(shù)表達(dá)。而葉片各種色素的特定吸收系數(shù)和基準(zhǔn)吸收系數(shù)是適用于含有色素和物質(zhì)的葉片，因此，F(xiàn)OLIUM模型運(yùn)行前，需要獲取的模型參數(shù)為N、KChla(λ)、KChlb(λ)、KCars(λ)、KAnts(λ)和K0(λ)。在獲取模型參數(shù)后，可以在FOLIUM模型的光學(xué)輻射傳輸方程中，通過輸入葉片Chla、Chlb、Cars和Ants含量對其葉片進(jìn)行方向半球反射和透射率光譜進(jìn)行模擬，也可通過輸入葉片的光譜變量(RN,out→1st和TN,out→1st)進(jìn)行葉片的Chla、Chlb、Cars和Ants多種色素含量反演。對綠色葉片或花青素含量很低的葉片在FOLIUM模型中可以通過去掉KAnts(λ)CAnts函數(shù)項(xiàng)，進(jìn)行葉片相應(yīng)色素含量反演和光譜模擬。在本發(fā)明中只提供FOLIUM模型在含有Chla、Chlb、Cars和Ants葉片的方向半球反射和透射光譜模擬方法的介紹。所述步驟S3中，F(xiàn)OLIUM模型參數(shù)獲取，內(nèi)容如下：(1)LOPEX_ZJU數(shù)據(jù)集LOPEX_ZJU數(shù)據(jù)集中包括來源木本植物和草本植物、常綠喬木、灌木植物和作物及園林植物等12種闊葉植物葉片；采樣于不同葉齡時(shí)期、含有葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和花青素濃度范圍較為廣泛的60個(gè)植物葉片樣本，其中，也包括一個(gè)含有痕量色素的白化葉片；并使用UV-36000+積分球采集了400-2400nm范圍內(nèi)的方向半球反射和透射光譜，同時(shí)，也包括用于FOLIUM模型構(gòu)建時(shí)用到的輔助數(shù)據(jù)葉片水分含量。(2)葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)是在光學(xué)輻射傳輸方程中定量表達(dá)葉片解剖結(jié)構(gòu)特征的特征參數(shù)，也定量光在葉片內(nèi)部輻射傳輸?shù)墓獬獭Ｊ褂萌~片光譜特征中受生化組分吸收特征最小的區(qū)域(近紅外區(qū)域)的反射率最大值、透射率最大值和吸收率最小值，使用最小光譜擬合法在FOLIUM模型中獲取葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體表達(dá)式如下：χ(N)=Σi=13(Rmea(λi)-Rmod(λi))2+(Tmea(λi)-Tmod(λi,βmax))2---(9)]]>其中，Rmea(λi)和Tmea(λi)分別表示在波段λi葉片實(shí)測的反射率和透射率；Rmod(λi)和Tmod(λi)分別表示使用FOLIUM模型在波段λi模擬的反射率和透射率；λi(i＝1,2,3)共有三個(gè)波段分別是反射率最大的波段、透射率最大的波段和吸收率最小的波段。(3)葉片基準(zhǔn)吸收系數(shù)獲取由于葉片基準(zhǔn)吸收系數(shù)(K0)是代表除色素物質(zhì)之外在目標(biāo)光譜區(qū)間范圍內(nèi)，其他光敏物質(zhì)的吸收特征系數(shù)，白化葉片含有痕量色素可以忽略，因此，使用白化葉片獲取活體葉片中的基準(zhǔn)吸收系數(shù)，具體表達(dá)公式如下：χ(K0(λ))=Σλ=400800(Rmea,0(λ)-Rmod(λ,N0))2+(Tmea,0(λ)-Tmod(λ,N0))2---(10)]]>其中，Rmea,0(λ)和Tmea,0(λ)分別表示在波段λ白化葉片實(shí)測的反射率和透射率；Rmod(λ)和Tmod(λ)分別表示使用FOLIUM模型在波段λ模擬的白化葉片反射率和透射率；N0代表白化葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)；λ的波段范圍為：400-800nm，并使用最小二乘法優(yōu)化迭代獲取K0。(4)葉片單一色素特定吸收系數(shù)和平均折射系數(shù)獲取FOLIUM模型可反演的色素種類包括Chla、Chlb、Cars和Ants，進(jìn)而，需要獲取的色素的特定吸收系數(shù)為：KChla(λ)、KCars(λ)、KCars(λ)、KAnts(λ)，因此，獲取這些色素特定吸收系數(shù)需要相應(yīng)色素含量及具有這些色素特征的葉片的方向半球反射和透射光譜，在FOLIUM模型色素特定吸收系數(shù)獲取過程中，采用LOPEX_ZJU數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)獲，具體表達(dá)式如下：χ(m‾la,Ki)=Σλ=400800(Rmea(λ)-Rmod(λ,N,Ai,i`,p,Ci,K0))2(Tmea(λ)-Tmodλ,N,Ai,i`,p,Ci,K02---(11)]]>其中，Rmea(λ)和Tmea(λ)分別表示參試葉片實(shí)測的方向半球反射率和透射率；Rmod(λ,N,Ai,i`,p,Ci,K0)和Tmod(λ,N,Ai,i`,p,Ci,K0)代表使用FOLIUM模型參數(shù)(N,K0)輸入Ai,i`,p(各種色素在有機(jī)溶液中的吸收峰峰位)、參試葉片的各種色素含量(Ci)和相應(yīng)葉片的實(shí)測的光譜數(shù)據(jù)(Rmea(λ)和Tmea(λ))在400-800nm光譜區(qū)間的方向半球反射和透射光譜的模擬值。通過使用最小二乘法的優(yōu)化方法迭代，獲取葉片各種色素特定吸收系數(shù)(Ki)同時(shí)也可獲取葉片的葉片平均折射系數(shù)所述步驟S4中，F(xiàn)OLIUM模型對多種色素葉片方向半球反射和透射光譜的模擬與精度驗(yàn)證，內(nèi)容如下：(1)FOLIUM模型對多種色素葉片方向半球反射和透射光譜模擬在葉片光學(xué)輻射傳輸模型中，利用模型參數(shù)，通過輸入葉片生化組分含量直接計(jì)算葉片光學(xué)屬性(光譜特征)稱為光學(xué)輻射傳輸模型的正向功能，同樣FOLIUM模型的正向光譜模擬功能就是利用模型參數(shù)(N、K0、KChla(λ)、KChlb(λ)、KCars(λ)、KAnts(λ)和)，通過輸入葉片色素(Chla、Chlb、Cars和Ants)含量直接計(jì)算葉片的方向半球反射和透射光譜，并與PROSPECT-5進(jìn)行比較，其結(jié)果可見說明書圖2與圖3。從圖2和圖3可以獲得：與PROSPECT-5模型的光譜模擬進(jìn)行對比，F(xiàn)OLIUM模型不僅能夠像PROSPECT-5準(zhǔn)確地模擬綠色葉片的反射透射光譜，而且也能夠相對PROSPECT-5更加準(zhǔn)確的模擬花青素含量較為明顯彩色葉片的光譜特征；(2)FOLIUM模型光譜模擬的精度驗(yàn)證(21)FOLIUM模型光譜模擬精度驗(yàn)證的評價(jià)函數(shù)對FOLIUM模型光譜模擬的精度評價(jià)函數(shù)有：均方根誤差(RMSE)、偏差(BIAS)和校正標(biāo)準(zhǔn)差(SEC)，具體的函數(shù)表達(dá)式為：RMSE=Σj=1n(yj′-yj)2n;---(12)]]>BIAS=Σj=1n(yj′-yj)n;---(13)]]>SEC=Σj=1n(yj′-yj-BIAS)2n;---(14)]]>其中，y′j為測試葉片樣本光譜的實(shí)測值,是測試葉片樣本光譜的平均值；yj是測試葉片樣本光譜的模擬值；n為葉片樣本的數(shù)量；j為測試葉片樣本的數(shù)量。(22)FOLIUM模型光譜模擬精度驗(yàn)證的評價(jià)在FOLIUM模型光譜模擬精度驗(yàn)證的評價(jià)中，分為全局評價(jià)和局部評價(jià)。其中，全局評價(jià)是使用參試葉片光譜模擬評價(jià)函數(shù)在400-800nm全波段的平均值；局部評價(jià)即在400-800nm逐波段的函數(shù)(RMSE、BIAS和SEC)的特征。同時(shí)，利用同源數(shù)據(jù)進(jìn)行與PROSPECT-5模型對光譜模擬精度的比較分析。FOLIUM模型光譜模擬精度驗(yàn)證的全局精度評價(jià)FOLIUM對LOPEX_ZJU中的葉片光譜模擬精度DHR_RMSE＝0.027<0.03；DHT_RMES＝0.021<0.03；DHR_BIAS＝0.004<0.01；|DHT_BIAS|＝0.001<0.01；DHR_SEC＝0.026<0.03；DHT_SEC＝0.027<0.03；因此，F(xiàn)OLIUM模型能夠精確的模擬葉片光譜特征。而PROSPECT-5DHR_RMSE＝0.045>0.03；DHT_RMES＝0.027<0.03；DHR_BIAS＝0.011>0.01；DHT_BIAS＝0.001<0.01；DHR_SEC＝0.04>0.03；DHT_SEC＝0.027<0.03，因此，在PROSPECT-5在LOPEX-ZJU數(shù)據(jù)集葉片的光譜：對方向半球反射率模擬效果較差，而對方向半球透射率模擬相對較好的。在兩個(gè)模型比較中，PROSPECT-5在LOPEX-ZJU數(shù)據(jù)集中對葉片光譜模擬精度總體上低于FOLIUM模型。表2使用LOPEX_ZJU中相同參試葉片對FOLIUM和PROSPECT-5模型葉片光譜模擬精度的對比分析FOLIUM模型光譜模擬精度驗(yàn)證的局部精度評價(jià)FOLIUM模型對LOPEX_ZJU數(shù)據(jù)集中葉片的光譜模擬精度(詳見說明書圖4)：在400-800nm范圍內(nèi)，DHR和DHT的RMSE、BIAS和SEC均小于0.05；而PROSPECT-5的光譜模擬精度：在500-600nm范圍內(nèi)DHR和DHT的RMSE和SEC均有大于0.05的波段存在，其原因?yàn)椋谠摬ǘ握脼榛ㄇ嗨氐奈仗卣鞑ǘ嗡诘姆秶?，對于PROSPECT-5，在葉片吸收系數(shù)光學(xué)輻射傳輸方程中，不包括花青素函數(shù)項(xiàng)，為此，PROSPECT-5不能準(zhǔn)確的模擬含有花青素葉片的光譜特征。而FLOIUM模型能夠準(zhǔn)確模擬含有葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和花青素的多種色素信息的葉片的方向半球反射和透射光譜特征。本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。當(dāng)前第1頁1 2 3