一种改进的植物叶片干物质含量高光谱遥感反演方法技术

本发明专利技术提供了一种更准确地利用高光谱遥感数据结合辐射传输模型反演植被叶片干物质含量的方法。在现有应用最广泛的叶片辐射传输模型的基础上，在其叶片内部散射的计算过程中加入一个散射调整因子；并将散射调整因子作为反演过程中的中间变量用其它参数表示，避免加重模型病态反演出现的可能性，实现了不增加反演过程中的参数而达到对单层透过率作校正的目的，校正模型在模拟内部散射方面存在的偏差；进而利用改进模型(PROSPECT‑fs)，由高光谱遥感数据寻优反演从而得到叶片干物质含量。利用实地测量的叶片高光谱遥感数据和生化参数数据对本方法进行了验证，结果表明干物质含量反演精度有了较大的提高，证明了本方法的可靠性和实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种改进的植物叶片干物质含量高光谱遥感反演方法一、
本专利技术涉及一种利用改进的植物叶片辐射传输模型(PROSPECT-5模型)针对高光谱遥感数据反演叶片生物化学参数(干物质含量)的方法。具体地说，是考虑叶片内部结构特征的多样性，在PROSPECT-5模型输入参数中的结构参数N的基础上更进一步考虑叶片内部结构对叶片光谱的影响，使模型能更好地捕捉到叶片光学属性对叶片内部生化参数含量及结构特征的响应，从而降低由于叶片结构特征估算的不确定性对叶片生化参数估算的影响，进而能更好地反演叶片干物质含量的方法，属于遥感定量反演植被生物化学参数方法的研究领域。二、
技术介绍
植物叶片生物化学参数(以下简称生化参数)如叶绿素、类胡萝卜素、水分、纤维素以及木质素和蛋白质(三者常统称为干物质)等，是影响植物生长的关键生理因素。这些生化参数为植物光合作用提供原材料，影响叶片内部光化学反应的环境，是决定植物光合作用能力的重要因素，在陆地生态系统碳循环中起到了至关重要的作用。这些生化参数也能较准确地反映植物的生长状态和发育阶段，对于监测植被对环境胁迫的生理响应与适应有重要意义。随着遥感技术的飞速发展，诸如MODIS、MERIS、TM/ETM+、Sentinel-2MSI及Hyperion等多光谱及高光谱卫星传感器为植被生化参数的遥感反演提供了可靠的数据基础，推动了大范围长时间序列的植被生化参数的遥感监测研究与应用。如何准确地获取大区域尺度上的、多时间序列的植被生化参数含量是研究全球陆地生态系统碳循环亟需解决的问题。冠层和叶片尺度辐射传输模型能够模拟冠层或叶片内部光的辐射传输过程，具有较强的物理基础且具有普适性，将冠层尺度与叶片尺度的辐射传输模型耦合，是大区域范围内针对多种物种植被生化参数反演的较稳定可行的方法，且已有大量应用。在这种耦合冠层与叶片模型的方法中，叶片尺度的辐射传输模型直接将叶片生化参数和叶片光谱联系起来，是研究叶片生化参数对冠层光谱影响的基础，其模型精度直接影响了从冠层到叶片生化参数遥感反演的结果。Jacquemoud和Baret在“RemoteSensingOfEnvironment”1990年第34卷“PROSPECT：Amodelofleafopticalpropertiesspectra”一文中提出PROSPECT模型，后经多个版本的改进，该模型可根据叶片叶绿素、类胡萝卜素、水分和干物质这几个生化参数及一个结构参数来模拟400-2500纳米叶片的半球反射率和透射率，通过其模型反演可由叶片反射率和透射率估算叶片生化参数的含量。它以较少的模型输入参数能达到较好的模拟结果，简单易用，成为目前叶片尺度应用最广泛的辐射传输模型，已成功应用于生长于不同地区和不同物种的冠层和叶片尺度植被生化参数的遥感反演并取得到较好的结果。在不同的生态系统中，由于物种、生长阶段和外部环境等的差异会带来诸如叶片厚度、叶肉组织密度、气泡大小及分布等不同，导致叶片内部结构复杂多样。叶片内部结构直接影响了进入叶片内部光的散射过程，进而影响叶片的反射率和透射率。叶片内部结构的差异也可能会体现在叶片各生化参数的含量和比例上。在PROSPECT-5模型中叶片被假设为由多层同质的基本层叠加而成，每个基本层的结构是固定的，其折射率也不随样本变化，因此PROSPECT-5模拟的不同叶片内部结构的变化主要受层数(即结构参数N)的影响。PROSPECT-5中的结构参数与叶片内部生化参数的含量有一定的相关性，也能在一定程度上体现生化参数变化带来的部分结构变化。然而，尽管PROSPECT-5能较好地模拟大部分样本，但对于部分样本也存在较大偏差。应用PROSPECT-5反演叶片干物质含量时，由于水分对吸收的主导作用以及模型在内部散射方面可能存在的偏差，导致PROSPECT-5在反演叶片(尤其是新鲜叶片)干物质含量方面结果并不太理想。造成这些样本模拟结果误差大的原因可能是由于光谱对内部结构特征的响应与模型假设有一定的差别所造成；另外PROSPECT中仅用一个结构参数来显式表达不同样本之间结构的差异，这可能也不足以表达结构差异对光谱的影响。在近红外波段(700-1300纳米)由于各生化参数的吸收较低，叶片光学属性主要受叶片内部多次散射的影响，取决于叶片内部结构特征及组织之间光学属性差异。Feret等人在“PROSPECT-4and5：Advancesintheleafopticalpropertiesmodelseparatingphotosyntheticpigments”一文中指出，将PROSPECT-5应用到某些数据集时在近红外波段模拟的叶片光谱与实测相差较大。在短波红外波段由于水分吸收占主导地位，干物质吸收对光谱的贡献较小；而在近红外波段虽然所有生化参数的吸收均较弱，但干物质的吸收相对其它生化参数来说对光谱的贡献最大，因此近红外波段反射率和透射率的模拟除了受散射的影响外，主要受干物质的影响，故近红外波段散射模拟的准确性也会影响干物质反演的精度，这也从侧面说明了PROSPECT-5在散射模拟方面需要进一步的改进。另外，干物质是叶片内部细胞壁等重要的组成成分，其含量也与叶片内部结构有一定的关系。相对于叶片内部复杂的情况来说，仅用一个结构参数可能无法较准确地表达不同叶片结构上的差异，进而使得模型无法较好地捕捉到叶片内部生化参数及结构参数变化对叶片光学属性的影响，从而给生化参数的反演带来了一些误差。因此，需要更进一步地考虑叶片内部结构特征对反射率和透射率的影响。因此，为了满足生态系统碳循环模拟等方面对植被生化参数遥感反演的需求，通过耦合冠层到叶片辐射传输模型方法来较准确地反演大区域范围叶片生化参数，迫切需要更进一步地考虑叶片结构特性来改进叶片尺度叶片生化参数与光学属性之间关系的模拟，进而提高叶片乃至冠层尺度生化参数反演的精度。三、
技术实现思路
本专利技术的目的是：基于实测的高光谱和生化参数含量数据，在原PROSPECT-5模型的基础上，更进地一步地考虑叶片内部结构对光的散射的影响，增加一个散射调整因子，校正PROSPECT-5模型在反演过程中模拟内部散射方面可能存在的偏差，提高模型反演干物质含量的精度。利用实地测量的叶片高光谱和生化参数数据对算法进行验证。本专利技术的原理如下：针对PROSPECT-5模型在模拟内部散射方面可能存在的偏差，加入一个散射调整因子fs对叶片单层透过率θ进行校正，以改进近红外波段反射率和透射率的模拟，并提高干物质的反演精度。为了避免在模型中增加参数从而导致反演时可能带来的病态反演问题，将fs作为模型反演的中间参数用其它参数表示出来，而不作为独立的模型输入参数。本专利技术的技术方案主要包括以下步骤：首先是数据采集与处理：(1)采集植物叶片样本，测量叶片高光谱和生化参数。在植物叶片采摘下后立即进行叶片光谱(包括反射率和透射率)测量，采用高光谱测量仪器FieldSpec3(美国ASD公司)与积分球(RTS3ZC，美国ASD公司)结合的方法。随后利用打孔器对叶片进行采样，打孔器所取的圆片的面积是固定且已知的，将采好的样装入密封袋放入冰箱保存，并尽快带回实验室。每个样本分为两份，一份用于叶绿素和类胡萝卜素测量，另一份用于水分和干物质的测量。首先取一份采用实验本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的植物叶片干物质含量高光谱遥感反演方法，其主要包括以下步骤：首先是数据采集与处理：(1)采集叶片样本，测量叶片高光谱和生化参数：利用积分球和ASD光谱仪观测叶片样本的反射率Rmes和透射率Tmes；并测量叶绿素含量Cab、类胡萝卜素含量Cxc、花青素含量Cb、叶片含水量EWT和干物质含量LMA。(2)计算结构参数N。利用近红外波段吸收最小、反射最大和透射率最大的三个波段λ1，λ2和λ3，通过寻优使得下面的代价函数最小，求得模型结构参数N：

【技术特征摘要】
1.一种改进的植物叶片干物质含量高光谱遥感反演方法，其主要包括以下步骤：首先是数据采集与处理：(1)采集叶片样本，测量叶片高光谱和生化参数：利用积分球和ASD光谱仪观测叶片样本的反射率Rmes和透射率Tmes；并测量叶绿素含量Cab、类胡萝卜素含量Cxc、花青素含量Cb、叶片含水量EWT和干物质含量LMA。(2)计算结构参数N。利用近红外波段吸收最小、反射最大和透射率最大的三个波段λ1，λ2和λ3，通过寻优使得下面的代价函数最小，求得模型结构参数N：Rmod和Tmod是指PROSPECT-5模型模拟的反射率和透射率。(3)计算的校正后的单层透过率选取PROSPECT-5模拟的吸收系数最小的波段1073纳米作为散射作用最强的波段λ0，根据实测的反射率和透射率以及求得的结构参数N，通过寻优使得下面的代价函数最小，求吸收最小波段λ0的单层透过率将此单层透过率作为校正后的单层透过率。然后，修正PROSPECT-5模型，并由遥感获得的反射率Rmes和透射率Tmes反演生化参数含量：(4)首先给定五个生化参数含量Cab、Cxc、Cb、EWT和LMA的初始值；(5)根据给定的生化参数含量的值，计算模型模拟的散射作用最强的波段λ0的单层透过率根据PROSPECT-5模型中求单层透过率的方法，将模型模拟的最小吸收波段的单层透过率用干物质和水分含量表示出来：

【专利技术属性】
技术研发人员：邱凤，张乾，居为民，陈镜明，王军，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32