本發(fā)明涉及一種基于FOLIUM模型使用葉片光譜特征進(jìn)行光合色素(葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素)和/或非光合色素(花青素)含量反演的方法，并通過LOPEX_ZJU和LOPEX 93數(shù)據(jù)集中的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)色素含量反演的應(yīng)用驗(yàn)證。FOLIUM模型通過對光合色素和非光合色素多種葉片色素含量的有效反演，有利于更加準(zhǔn)確地監(jiān)測植物體的生理生態(tài)特性。

背景技術(shù)：

葉片的色素含量與植被生理生態(tài)特性直接相關(guān)。不同植物在不同生育期和不同逆境條件下，葉片色素具有不同生理生態(tài)比例，如，在成熟葉片中，綠色葉片的葉綠素a(Chla)/葉綠素b(Chlb)比值4-2，而在衰老葉片則在2-1之間；植物受到脅迫時(shí)，葉片中的Chla含量下降的速度快于Chlb，與類胡蘿卜素(Cars)下降相似。另外，植物處于低溫或缺鉀脅迫條件下，葉片花青素(Ants)含量會上升。使用遙感技術(shù)準(zhǔn)確檢測葉片光合色素(Chla、Chlb和Cars)和非光合色素(花青素)，既發(fā)揮了遙感檢測的優(yōu)勢，也可以實(shí)時(shí)獲取與植物生理生態(tài)相關(guān)的多種色素含量指標(biāo)特征。

葉片色素的遙感反演模型，通常包括半經(jīng)驗(yàn)的指數(shù)模型和光學(xué)輻射傳輸模型。其中，指數(shù)模型是基于各種色素吸收的單一波段特征或少數(shù)波段特征積極與色素含量建立的統(tǒng)計(jì)模型。在光合色素指數(shù)模型中，葉綠素指數(shù)模型相對較多，Chla和Chlb指數(shù)模型有少量出現(xiàn)；Cars指數(shù)模型相對較少；而非光合色素指數(shù)模型(Ants指數(shù)模型)則是更少，其原因是Ants的吸收波段特征受到Chla和Chlb的影響。相對半經(jīng)驗(yàn)色素反演模型，光學(xué)輻射傳輸模型利用各種色素吸收的全部波 段特征，為此，光學(xué)輻射傳輸模型比半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头€(wěn)定、適用范圍更廣。但是，現(xiàn)今多數(shù)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)為色素反演對象，來衡量評估植物的生理生態(tài)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對其生理生態(tài)的評價(jià)衡量是不全面，尤其是逆境條件下的植物體，如花青素含量升高是多數(shù)植物地溫脅迫誘因；Chla/b的變化，也是植物體受脅迫的有力的表征。為了更好的監(jiān)測和評價(jià)植物生理生態(tài)特征，多色素遙感反演模型成為一個(gè)色素反演模型發(fā)展的趨勢和需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要克服現(xiàn)有通過葉片單一或少數(shù)色素含量反演評價(jià)植物體生理生態(tài)特性的缺點(diǎn)，提供一種通過FOLIUM葉片光學(xué)輻射傳輸模型，實(shí)現(xiàn)光合色素和非光合色素含量反演來評價(jià)植物體生理生態(tài)特性多色素遙感反演模型方法。

本發(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模型葉片色素遙感反演方法，包括以下步驟：

S1基于FOLIUM模型，利用LOPEX93(綠色葉片)/LOPEX_ZJU(彩色葉片)數(shù)據(jù)集中的半球反射透射光譜數(shù)據(jù)、FOLIUM模型各種參數(shù)、最小距離光譜擬合方法和最小二乘法優(yōu)化方法，反演綠色/彩色葉片對應(yīng)的各種色素含量的方法；

S2利用各種色素實(shí)測值和反演值構(gòu)建散點(diǎn)圖闡述FOLIUM模型對各種色素反演功能，并與PROSPECT-5進(jìn)行比較；

S3.利用精度評價(jià)函數(shù)均方根誤差(RMSE)、偏差(BIAS)、校正標(biāo)準(zhǔn)差(SEC)和變異系數(shù)(VC)對FOLIUM和PROSPECT-5在LOPEX_ZJU和LOPEX93數(shù)據(jù)集中反演精度的比較評價(jià)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：能夠利用綠色/彩色葉片半球反射和透射光譜反演其光合色 素(葉綠素a、葉綠素b、和類胡蘿卜素)或非光合色素(花青素)含量，相對PROSPECT-5模型能夠提高總?cè)~綠素和類胡蘿卜素反演精度。有利于更加準(zhǔn)確地監(jiān)測植物體的生理生態(tài)特性。

附圖說明

圖1為FOLIUM與PROSPECT-5模型對綠色葉片色素含量的反演值與實(shí)測含量的二維散點(diǎn)圖(單位：μg/cm²)，其中，圖1a與圖1e、圖1b、圖1c、圖1d與圖1f分別代表對總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素反演特征(選擇的葉片樣本個(gè)數(shù)n＝28)，“Vacancy”表示不能反演對應(yīng)的色素種類；圖1a、圖1b、圖1c和圖1d的反演值來源于FOLIUM模型；圖1e和圖1f的反演值來源于PROSPECT-5；

圖2為FOLIUM與PROSPECT-5模型對彩色葉片色素含量的反演值與實(shí)測含量的二維散點(diǎn)圖(單位：μg/cm²)，其中，圖2a與圖2f、圖2b、圖2c、圖2d與圖2g、圖2e分別代表對總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、花青素反演特征(選擇的葉片樣本個(gè)數(shù)n＝32)“Vacancy”表示不能反演對應(yīng)的色素種類；圖2a、圖2b、圖2c、圖2d和圖2e的反演值來源于FOLIUM模型；圖2f和圖2g的反演值來源于PROSPECT-5；

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模型葉片色素遙感反演方法，包括以下步驟：

S1基于FOLIUM模型，利用綠色葉片LOPEX93/彩色葉片LOPEX_ZJU數(shù)據(jù)集中的半球反射透射光譜數(shù)據(jù)、FOLIUM模型各種參數(shù)、最小距離光譜擬合方法和最小二乘法優(yōu)化方法，反演綠色/彩色葉片對應(yīng)的各種色素含量的方法；

S2利用各種色素實(shí)測值和反演值構(gòu)建散點(diǎn)圖闡述FOLIUM模型對各種色素反演功能，并與PROSPECT-5進(jìn)行比較；

S3.利用精度評價(jià)函數(shù)均方根誤差RMSE、偏差BIAS、校正標(biāo)準(zhǔn)差SEC和 變異系數(shù)VC對FOLIUM和PROSPECT-5在LOPEX_ZJU和LOPEX93數(shù)據(jù)集中反演精度的比較評價(jià)。

所述的步驟S1中基于FOLIUM模型葉片色素遙感反演方法，包括以下：

(21)FOLIUM模型；

FOLIUM模型是利用葉片的各種色素吸收特性的光學(xué)屬性在400-800nm的光譜區(qū)域，建立的光與植物葉片相互作用的光學(xué)輻射傳輸模型。其光學(xué)方程表達(dá)為：

其中，光學(xué)因子R_N,out→1st和T_N,out→1st為N層葉片在400-800nm的光譜區(qū)域總的半球反射和透射光譜；和為第一層葉片單元層半球反射和透射光譜；和為N-1層葉片單元層的半球反射和透射光譜；和為葉片內(nèi)部葉片單元層的半球反射和透射光譜；上述的各種光學(xué)因子可用模型參數(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)葉片吸收系數(shù)τ和葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)N定量表達(dá)。

綠色葉片，

彩色葉片，

k(λ)為葉片吸收系數(shù)可代表；K_Chla、K_Chlb、K_Cars和K_Ants為Chla、Chlb、Cars和Ants在活體葉片中的特定吸收系數(shù)；C_Chla、C_Chlb、C_Cars和C_Ants為Chla、Chlb、Cars和Ants在葉片中的含量；K₀為葉片基準(zhǔn)吸收系數(shù)。e為自然常數(shù)；λ為波長；

(22)光譜數(shù)據(jù)在FOLIUM模型光學(xué)輻射傳輸方程中的輸入；

根據(jù)FOLIUM模型光學(xué)輻射傳輸方程的特征，可以根據(jù)葉片的色素種類改變?nèi)~片吸收系數(shù)中的色素函數(shù)項(xiàng)，不僅對只含有光合色素(葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素)的綠色葉片的光學(xué)屬性進(jìn)行定量計(jì)算，也可以對含有光合色素(葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素)和非光合色素(花青素)的彩色葉片的光學(xué)屬性進(jìn)行定量計(jì)算。因此，可以通過相應(yīng)不同色素種類葉片的光學(xué)屬性的定量計(jì)算，進(jìn)行相應(yīng)色素含量的反演。

采用的LOPEX93數(shù)據(jù)集中葉片樣本為綠色葉片樣本(含有葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素)；而LOPEX_ZJU數(shù)據(jù)集中的葉片含有彩色葉片樣本(有葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和花青素種類)，因此，本發(fā)明通過綠色和彩色兩種葉片數(shù)據(jù)集中的葉片光學(xué)屬性在FOLIUM模型光學(xué)輻射傳輸方程中的輸入(即成為綠色葉片色素反演系統(tǒng)和彩色葉片色素反演系統(tǒng))，闡述FOLIUM模型葉片多色素遙感反演方法。

(23)FOLIUM模型參數(shù)的輸入；

FOLIUM模型參數(shù)包括兩部分：各種色素特定吸收系數(shù)、基準(zhǔn)吸收系數(shù)和葉片平均折射系數(shù)；葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)。

a色素特定吸收系數(shù)、基準(zhǔn)吸收系數(shù)和葉片平均折射系數(shù)：是能夠代表葉片整體光學(xué)屬性的參數(shù)，與葉片樣本個(gè)體無關(guān)的，也是FOLIUM模型參數(shù)自帶參數(shù)，可作為在FOLIUM模型光學(xué)輻射傳輸方程中直接輸入。因此，在在綠色葉片色素反演系統(tǒng)中，需要輸入的與葉片樣本個(gè)體無關(guān)的模型參數(shù)：葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素特定吸收系數(shù)、基準(zhǔn)吸收系數(shù)和葉片平均折射系數(shù)，而在彩色葉片色素反演系統(tǒng)中，需要輸入的與葉片樣本個(gè)體無關(guān)的模型參數(shù)：葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和花青素特定吸收系數(shù)、基準(zhǔn)吸收系數(shù)和葉片平均折射系數(shù)，

b葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)：是與葉片樣本個(gè)體有關(guān)的代表葉片個(gè)體光學(xué)屬性的參數(shù)，針對每一個(gè)葉片樣本需要葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)計(jì)算，為此，在兩個(gè)不同葉片數(shù)據(jù)集(LOPEX93和LOPEX_ZJU)中，葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算方法為：

其中，R_mea(λ_i)和T_mea(λ_i)分別表示在波段λ_i葉片實(shí)測的反射率和透射率；R_mod(λ_i)和T_mod(λ_i)分別表示使用FOLIUM模型在波段λ_i模擬的反射率和透射率；λ_i(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。計(jì)算后的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)分別輸入對應(yīng)的綠色或彩色葉片色素反演系統(tǒng)中。

(24)基于FOLIUM模型葉片多種色素反演算法；

在綠色葉片多色素反演系統(tǒng)中，F(xiàn)OLIUM模型利用模型參數(shù)(N、K₀、K_i(λ)(K_Chla(λ)、K_Chlb(λ)、K_Cars(λ))和)，在彩色葉片多色素反演系統(tǒng)中，F(xiàn)OLIUM模型利用模型參數(shù)(N、K₀、K_i(λ)(K_Chla(λ)、K_Chlb(λ)、K_Cars(λ)、K_Ants(λ))和)，通過輸入葉片在400-800nm之間的半球反射和透射光譜(R_mea(λ)和T_mea(λ))，并利用最小二乘法的優(yōu)化方法迭代，獲取葉片色素，在在綠色葉片多色素反演系統(tǒng)中，獲取葉片Chla、Chlb和Cars色素含量；在彩色葉片多色素反演系統(tǒng)中，獲取葉片Chla、Chlb、Cars和Ants色素含量，其具體算法的表達(dá)式為：

所述步驟S2中，各種色素實(shí)測值和FOLIUM模型的反演值構(gòu)建二維空間散點(diǎn)圖，并與PROSPECT-5進(jìn)行比較，有以下內(nèi)容：

(31)綠色葉片多種色素反演及與PROSPECT-5比較；

在植物葉片總?cè)~綠素含量通常是由葉綠素a和葉綠素b組成，因此可以通 過反演的葉綠素a含量和葉綠素b含量之和獲得反演的總?cè)~綠素含量，因此，F(xiàn)OLIUM模型也能夠通過的葉綠素a和葉綠素b含量的反演獲得總?cè)~綠素含量。

選用LOPEX93數(shù)據(jù)集中的32個(gè)葉片樣本，進(jìn)行FOLIUM模型對綠色葉片各種色素反演方法的闡述。同時(shí)，為了說明FOLIUM模型對色素反演的可行性，選用葉片光學(xué)輻射傳輸模型中使用較為廣泛的模型：PROSPECT-5進(jìn)行同源數(shù)據(jù)對色素含量反演特征進(jìn)行比較。從32個(gè)葉片各種色素實(shí)測值和FOLIUM模型相應(yīng)色素反演值構(gòu)建的二維散點(diǎn)圖中(見說明書附圖1)，能夠得知：1)FOLIUM模型在綠色葉片半球反射和透射光譜，能夠反演的色素種類為：總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素；而PROSPECT-5模型利用相同綠色葉片半球反射和透射光譜，能夠反演的色素種類：總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量，對葉綠素a和葉綠素b不能反演。2)總?cè)~綠素實(shí)測值與FOLIUM模型反演值所組成二維空間點(diǎn)距1:1線靠近程度與PROSPECT-5的特征相似，而類胡蘿卜素方面，F(xiàn)OLIUM模型較PROSPECT-5模型距1:1線靠近程度有所提高。

(32)彩色葉片多種色素反演及與PROSPECT-5比較；

選用LOPEX_ZJU數(shù)據(jù)集中的28個(gè)葉片樣本，進(jìn)行FOLIUM模型對彩色葉片各種色素反演方法的闡述。從28個(gè)葉片各種色素實(shí)測值和FOLIUM模型相應(yīng)色素反演值構(gòu)建的二維散點(diǎn)圖中(見說明書附圖2)，能夠得知：1)FOLIUM模型使用彩色葉片半球反射和透射光譜，能夠反演的色素種類為：總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和花旗參；而PROSPECT-5模型利用相同綠色葉片半球反射和透射光譜，能夠反演的色素種類：總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量，對葉綠素a和葉綠素b不能反演。2)在總?cè)~綠素方面FOLIUM與PROSPECT-5模型反演特征相似，而類胡蘿卜素方面， FOLIUM模型較PROSPECT-5模型距1:1線靠近程度有所提高。

所述步驟S3中，F(xiàn)OLIUM模型對各種色素反演精度評價(jià)，內(nèi)容如下：

(41)色素反演精度評價(jià)函數(shù)

對FOLIUM模型各種色素反演精度評價(jià)函數(shù)有：均方根誤差RMSE、偏差BIAS、校正標(biāo)準(zhǔn)差SEC和變異系數(shù)VC，具體的函數(shù)表達(dá)式為：

其中，y′_j為測試葉片樣本中各種色素的實(shí)測值,是測試葉片樣本中相應(yīng)色素種類的平均值；y_j是測試葉片樣本中相應(yīng)色素種類的反演值；n為葉片樣本的數(shù)量；j為測試葉片樣本的數(shù)量；

(42)FOLIUM與PROSPECT-5模型對綠色葉片色素反演的精度評價(jià)與比較利用步驟(41)中的精度評價(jià)函數(shù)，對FOLIUM與PROSPECT-5模型在綠色葉片中各種色素反演的精度進(jìn)行評價(jià)，其結(jié)果見表1。相對PROSPECT-5，F(xiàn)OLIUM模型對相同的綠色葉片不僅能夠反演總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含水量，還能反演葉綠素a和葉綠素b的含量，并且反演的總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量就評價(jià)函數(shù)RMSE(FOLIUM-Chls-RMSE-15.51<PROSPECT-5-Chls-RMSE-18.25)、BIAS、SEC和VC方面均有提高；而FOLIUM模型對綠色葉片反演的葉綠素a和葉綠素b含量具有合理的反演精度評價(jià)函數(shù)值。因此，F(xiàn)OLIUM模型對綠色葉片色素含量反演不僅能夠增加色素反演的種類，也能夠提高色素反演的精度。

表1基于RMSE、BIAS、SEC和VC對FOLIUM與PROSPECT-5模型在綠色葉片色素反演的精度評價(jià)

(43)FOLIUM與PROSPECT-5模型對彩色葉片色素反演的精度評價(jià)與比較FOLIUM與PROSPECT-5模型對相同數(shù)據(jù)的彩色葉片(來源于LOPEX_ZJU)中各種色素含量的反演利用步驟(41)中的評價(jià)函數(shù)進(jìn)行精度評價(jià)，其結(jié)果見表2。相對PROSPECT-5，F(xiàn)OLIUM模型對相同的綠色葉片不僅能夠反演總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含水量，還能反演葉綠素a和葉綠素b和花青素的含量，并且反演的總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量就評價(jià)函數(shù)RMSE(FOLIUM-Chls-RMSE-12.51<PROSPECT-5-Chls-RMSE-13.7)、SEC和VC方面均有提高；而FOLIUM模型對綠色葉片反演的葉綠素a、葉綠素b和花青素的含量具有可信的反演精度評價(jià)函數(shù)值。因此，F(xiàn)OLIUM模型對彩色葉片不僅能夠反演光合色素(總?cè)~綠素和類胡蘿卜素)，也能夠反演光合色素的細(xì)分色素(葉綠素a和葉綠素b)及非光合色素(花青素)也能夠提高總?cè)~綠素和類胡蘿卜素反演的精度。

表2基于RMSE、BIAS、SEC和VC對FOLIUM與PROSPECT-5模型在彩色葉片色素反演精度評價(jià)

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。