一种针叶植被冠层反射率计算方法技术

本发明专利技术公开了一种针叶植被冠层反射率计算方法，包括以下步骤：S1：参数识别；输入模型参数，并将输入的参数初步分为三大类：叶片参数、土壤参数和冠层参数；S2：将步骤S1中的叶片参数输入LIBERTY模型进行单片叶光谱信息模拟，得出针叶叶片的反射率和透射率；S3：根据步骤S1中的土壤参数和冠层参数、步骤S2得到的单个叶片的光谱反射率及透射率，计算消光系数及散射系数，并进一步计算得到SAIL模型的参数；S4：将步骤S3计算得到的参数输入SAIL模型，计算冠层的相关反射因子和反射率；S5：根据S4的反射因子和反射率计算冠层反射率。本发明专利技术能适用于连续针叶冠层参数反演。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种针叶植被冠层反射率计算方法及模型
本专利技术涉及植被参数反演的方法，具体涉及一种利用物理辐射模型反演针叶植被参数的方法。
技术介绍
定量遥感在植被反演中越来越广泛的应用，对高效管理植被生理化参数信息、森林火灾预警、农作物培养等方面具有重要意义。近年来物理反演模型以其稳定性和可移植性强的特点成为了国内外热点研究的植被参数反演模型。其中利用叶片模型和冠层模型的物理耦合模型来反演整个冠层的生化组分含量的方法是个热点思路。叶片物理模型考虑光与叶片相互作用的物理机制及叶片的结构，详细描述了光线在叶片内部的传输过程；冠层物理模型解释了电磁波与冠层、叶片、土壤等的相互作用过程，利用冠层模型可以模拟大量的不同种类的冠层光谱样本，而要通过实验方法获取这样的数据是很难的。将叶片模型耦合到冠层模型中可以反演出冠层的生化组分含量，相较经验或者半经验方法意义更加明确，在模型假设范围内，可以任意时间地点应用，不过存在耗时和依赖模型参数精准性的缺点。近年来对植被参数反演研究较多的模型中阔叶模型比例偏多，针叶植被反演相对较少，针叶植被参数反演还亟待发展。针叶具有自己特殊的结构:没有明显的栅栏组织，其剖面内几乎都是球形细胞。如何表征和模拟针叶叶片的元素存在着很多问题。而且，针叶叶片的形状和尺寸使得光谱特性测量也很困难，即是在实验室内，也很难测定单叶的反射透过率。LIBERTY模型是针对针叶没有明显栅栏组织、大部分为球形细胞的特点发展起来的，用来模拟针叶簇叶或单片针叶的光谱特性。LIBERTY模型视针叶叶片的细胞为标准圆形细胞，认为针叶是由无数叶细胞堆叠在空气中形成，通过若干层细胞的反射率和透过率的迭代过程求得单个针叶的反射率和透过率。冠层辐射传输模型的代表模型为SAIL，它考虑了多次散射的因素，假设冠层具有如下性质：冠层水平且无限延伸；冠层组分只考虑叶片；冠层分布是各向同性的。叶片模型的输出，即叶片的反射率和透射率，可以作为SAIL模型的输入参数，再结合土壤反射率、叶面积指数、叶倾角分布、太阳天顶角和方位角，观测天顶角和方位角等相关参数，就可以模拟植被冠层400nm到2500nm的反射率。现有的针叶植被参数反演耦合模型是LIBERTY和5-SCALE模型的耦合，不能适用于连续针叶冠层反演。因此，有必要设计一种适用于连续针叶冠层反演的方法。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是，针对反演连续大区域针叶植被参数的问题和简化模型参数和计算过程的问题，本专利技术提出了一种利用针叶叶片LIBERTY模型与冠层辐射传输模型SAIL模型的耦合模型，该模型将针叶单叶片的反射率与透射率模拟出来并作为针叶冠层模型的输入参数，最后模拟出连续针叶冠层的反射率。本专利技术的技术方案为：一种针叶植被冠层反射率计算方法，包括以下步骤：S1：参数识别输入模型参数，并将输入的参数初步分为三大类：叶片参数、土壤参数和冠层参数；其中叶片参数包括针叶结构参数、吸收参数以及生化组分含量；土壤参数包括土壤的光谱反射率；冠层参数包括环境参数和冠层结构参数；S2：将步骤S1中的叶片参数输入LIBERTY模型进行单片叶光谱信息模拟，得出针叶叶片的反射率和透射率；S3：根据步骤S1中的土壤参数和冠层参数、步骤S2得到的单个叶片的光谱反射率及透射率，计算消光系数及散射系数，并进一步计算得到SAIL模型的参数；S4：将步骤S3计算得到的参数输入SAIL模型，计算冠层的相关反射因子和反射率，包括太阳直射方向半球反射率、观测方向半球反射率和双直射反射率；S5：计算冠层反射率。所述步骤S2具体包括以下步骤：S2.1：计算叶片细胞介质总吸收系数k：k＝d×(Cb+fhCh+fwCw+faCa+flCl+fnCn)其中，d为平均细胞直径；Cb为基吸收；Ch为叶绿素含量，fh为叶绿素含量吸收系数；Cw为等效水含量，fw为水分含量吸收系数；Ca为白化吸收，fa为白化吸收系数；Cl为木质素加纤维素的含量，fl为木质素加纤维素的含量吸收系数；Cn为蛋白质含量，fn为蛋白质吸收系数；S2.2：计算单个叶片细胞的透射率；为解出单个叶片细胞的透射率和吸收率以及辐射与叶片细胞的相互作用过程，LIBERTY模型假设叶片内部细胞为球形粒子，细胞球体间是由空气间隔隔开的，细胞的表面根据朗伯余弦定律散射入射光。(1)假设叶片内部细胞表面为理想漫射体并且服从朗伯余弦定律，反射特性呈现明显的各向异性，即从方向θ出来的反射辐射与cosθ成正比。因此，对于非极化辐射的镜面反射，某个方向θ的反射系数m(θ)由菲涅耳方程确定。外部入射辐射的平均反射系数为me，指当光线从低折射指数的介质进入高折射指数的介质，为：内部入射辐射的平均反射系数mi，指当光线从高折射指数介质进入低折射指数介质，为：其中，θc为临界角；(2)假设有单位辐射通量进入细胞，因前面假设了细胞壁为漫射体，那么方向θ上每单位立体角的辐射通量为(1/π)cosθ，单位辐射经过一次内部传播，到达表面的所有辐射M为：首次从细胞内反射的辐射将为miM，而有M-miM＝M(1-mi)的辐射将透出细胞，miM第二次在细胞内部传播到达表面的辐射为miMM，其中miM2mi被散射，miM2(1-mi)被透射出来，反复多次内部传播到表面以及散射和透出，如图4所示。则单位辐射中被透出的辐射分量为：τ′＝M(1-mi)/(1-miM)而吸收的辐射分量为：1-τ′＝(1-M)/(1-miM)即单个叶片细胞的透射率为τ′，吸收率为1‐τ′；S2.3：根据单个叶片细胞的透射率为τ′求出无限厚叶片反射率R；针叶叶片细胞没有明显的栅栏组织，几乎都是球形细胞。针叶叶片是将细胞紧密的聚合起来，即会得到准无限厚的介质。假设细胞表面是水平的并按层排列，那么除了表层的细胞，所有的细胞都将被反射率为R的物质包围。根据单个叶片细胞的透射率为τ′求出无限厚叶片反射率R。(1)定义参数xu，xa和xd，分别表示细胞内部辐射向上、向相邻和向下散射的分量，它们将分别被上层的，同层相邻的和下层的细胞截住，如图5所示。通过把侧行辐射xa分解成上行和下行的辐射的分量，用概率系数x表示从细胞内部出射辐射上行辐射的分量，为：x＝xu/(1-xaτ′)当吸收系数较低时，kd＜1，并且有xu+xd+xa＝1(2)入射光一部分在表层细胞壁散射，另一部分进入细胞，进入细胞的辐射中又有一部分从细胞内再次透射出来，光线在细胞内反复进行着这样的过程。经过无限次的相互作用后，最后所有贡献到反射率R的辐射可以分为两部分：一部分(P1)是原始单位辐射经过无限次的反射、再被反射后对R的贡献；另一部分(P2)是经过二次、三次…无限次的反射后又进入表层细胞内部的辐射从表层细胞内下行透过后再被反射再进入再上行透过…如此反复而对反射率R的贡献。无限厚叶片反射率：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即可得出无限厚叶片反射率R。S2.4：迭代计算叶片的反射率和透射率；叶片的反射率ρ和透过率τ是通过若干层细胞的反射率和透过率的迭代过程求的。假设叶片是由若干层细胞组成的，每层的光学性质相同。根据无限厚叶片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针叶植被冠层反射率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：参数识别输入模型参数，并将输入的参数初步分为三大类：叶片参数、土壤参数和冠层参数；S2：将步骤S1中的叶片参数输入LIBERTY模型进行单片叶光谱信息模拟，得出针叶叶片的反射率和透射率；S3：根据步骤S1中的土壤参数和冠层参数、步骤S2得到的单个叶片的光谱反射率及透射率，计算消光系数及散射系数，并进一步计算得到SAIL模型的参数；S4：将步骤S3计算得到的参数输入SAIL模型，计算冠层的相关反射因子和反射率；S5：计算冠层反射率。

【技术特征摘要】
1.一种针叶植被冠层反射率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：参数识别输入模型参数，并将输入的参数初步分为三大类：叶片参数、土壤参数和冠层参数；S2：将步骤S1中的叶片参数输入LIBERTY模型进行单片叶光谱信息模拟，得出针叶叶片的反射率和透射率；S3：根据步骤S1中的土壤参数和冠层参数、步骤S2得到的单个叶片的光谱反射率及透射率，计算消光系数及散射系数，并进一步计算得到SAIL模型的参数；S4：将步骤S3计算得到的参数输入SAIL模型，计算冠层的相关反射因子和反射率；S5：计算冠层反射率。2.根据权利要求1所述的针叶植被冠层反射率计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：S2.1：计算叶片细胞介质总吸收系数k，计算公式为：k＝d×(Cb+fhCh+fwCw+faCa+flCl+fnCn)其中，d为平均细胞直径；Cb为基吸收；Ch为叶绿素含量，fh为叶绿素含量吸收系数；Cw为等效水含量，fw为水分含量吸收系数；Ca为白化吸收，fa为白化吸收系数；Cl为木质素加纤维素的含量，fl为木质素加纤维素的含量吸收系数；Cn为蛋白质含量，fn为蛋白质吸收系数；S2.2：计算单个叶片细胞的透射率τ′，计算公式为：τ′＝M(1-mi)/(1-miM)其中，θc为临界角，m(θ)表示方向θ的反射系数，由菲涅耳方程确定；S2.3：根据单个叶片细胞的透射率为τ′求出无限厚叶片反射率R，计算公式为：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分别表示细胞内部辐射向上、向相邻和向下散射的分量；S2.4：迭代计算针叶叶片的反射率ρ和透射率τ；迭代公式为：RN和TN分别表示具有N层细胞的针叶叶片的反射率RN和透射率，令ρ＝RN；τ＝TN。3.根据权利要求2所述的针叶植被冠层反射率计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：S3.1：求解一般叶倾角分布概率：采用Campbell椭球分布函数来求解针叶叶倾角密度函数：式中，α为叶倾角；g(α)表示叶倾角α的概率密度；χ为椭球水平半轴和垂直半轴的比值，0.1≤χ≤10；当χ＝1时，Λ＝2；当χ＜1时，有：ε＝(1-x2)1/2当χ＞1时，有：ε＝(1-χ-2)1/2；由此得到一般叶倾角分布概率F(θ)＝∫g(α)dα；S3.2：计算消光及散射系数：首先根据一般叶倾角分布概率加权并离散化，得到一组离散化的叶倾角θl(即水平面法线方向和叶片法线方向夹角)；之后，计算每个叶倾角对应的消光及散射系数；(1)求解消光系数根据以下公式求解太阳直射方向的消光系数：根据以下公式求解观测方向的消光系数：其中，θs为太阳天顶角，θo为观测天顶角；L′＝lai/h，lai为叶面积指数，h为冠层高度；βs和βo为临界角，计算公式为：当确定计算公式中分母不为0且cosβ的计算结果小于1时直接计算出两个临界角的值；当cosβ的计算结果等于1时，两个临介角均等于π；其中cosβ泛指βs和βo的余弦；(2)求解散射系数(2.1)根据以下公式计算漫辐射E‐和E+的后向散射系数：根据以下公式计算漫辐射E‐和E+的前向散射系数计算公式为：(2.2)根据以下公式计算太阳直射辐射ES的后向散射系数：根据以下公式计算太阳直射辐射ES的前向散射系数：(2.3)根据以下公式计算漫辐射E‐和E+的衰减系数：(2.4)根据以下公式计算观测方向E0的后向散射系数：(2.5)根据以下公式计算观测方向E0的前向散射系数：(2.6)根据以下公式计算双向散射系数W：其中，ρ、τ和θl分别表示叶片的反射率、透射率及此时相应的叶倾角；ψ为太阳方向与观测方向之间的相对方位角，即两个方向方位角之差；β1、β2和β3为辅助方位角，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计算SAIL模型的参数；首先，针对S3.2中离散化得到的每一个叶倾角，计算其对应的一般叶倾角分布概率；然后，将S3.2中离散化得到的各个叶倾角对应的一般叶倾角分布概率分别与步骤S3.2中得到的消光及散射系数相乘后再相加，得到SAIL模型的参数，计算公式为：Z＝ΣF(θl)Z(θl)其中，F(θl)为叶倾角θl对应的一般叶倾角分布概率，Z(θl)指代步骤S3.2中得到的k(θl)...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭云开，李丹娜，朱善宽，刘磊，刘宁，孙也盛，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43