一种阔叶植被冠层反射率的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种阔叶植被冠层反射率的计算方法及模型，计算方法包括以下步骤：S1：输入参数将输入的参数识别并分类，分为叶片参数、冠层参数及土壤参数；S2：根据叶片参数计算单个叶片的反射率及透射率；S3：根据冠层参数及S2中的叶片参数求得冠层的消光系数及散射系数；S4：根据所求的冠层消光和散射参数求得冠层的相关反射因子和反射率；S5根据冠层的相关反射因子和反射率求得冠层反射率。本发明专利技术将PROSPECT模型与SAIL模型耦合，在充分利用可获取参数的情况下取消植被冠层反射率模拟过程中叶片反射率及透射率输入的过程，本发明专利技术有效简化植被冠层光谱信息模拟过程上参数获取问题并优化算法，加速计算过程，同时耦合模型有利于植被参数反演。

A method and model for estimating canopy reflectance of broad-leaved vegetation

The invention discloses a method and a model of calculating broad-leaved vegetation canopy reflectance. The calculation method comprises the following steps: S1: input parameters input parameter identification and classification, divided into leaf parameters, canopy and soil parameters; S2: Calculation of reflection and transmission of a single leaf blade according to the parameters of S3: according to the extinction coefficient; and the scattering coefficient of leaf canopy parameters and parameters in S2 S4: according to the obtained canopy; reflectance factor and related reflection for canopy extinction and scattering parameters of canopy; S5 according to the related factors and the reflection of canopy reflectance of canopy reflectance. The coupling of PROSPECT model and SAIL model, in the full use of the vegetation canopy reflectance simulation process input in the process of leaf reflectance and transmittance cancel parameters can be obtained under the condition of the invention can effectively simplify the vegetation canopy spectral information on the simulation process parameter acquisition and optimization algorithm, accelerate the calculation process, at the same time, the coupling model is conducive to vegetation parameters inversion.

【技术实现步骤摘要】
一种阔叶植被冠层反射率的计算方法及模型
本专利技术涉及高等级公路路域植被健康状况评价，具体涉及一种阔叶植被冠层反射率的计算方法及模型。
技术介绍
植被信息反演一直以来都是定量遥感最具前景的研究领域，为开展植被生态环境监测与评价研究提供了有利基础。国内外学者提出了众多植被参数反演模型，主要可分为统计模型和物理模型两大类，其中物理模型以其优秀的广泛适用性及稳定性备受青睐。植被信息的物理反演模型具有相当强的物理基础，不依赖于植被的具体类型和背景环境的变化。然而物理模型在大范围的植被信息反演中存在精度仍然较差且计算量大导致无法满足实际生产应用需求的问题，主要是由于两个原因：一是物理模型对定量遥感的要求很高，需要通过遥感影像反演出地表反射率，同时需要多个难以获得的精确参数作为物理模型的输入参数；另一方面，当前遥感物理模型大多在冠层尺度上，而冠层光谱受到叶片光谱信息，土壤背景反射率及冠层结构等因素的影响，限制了生化参数反演的精度也加大了反演的难度。近年来研究和应用最多的模型有适用于阔叶的PROSPECT模型、适用于针叶的LIBERTY模型及冠层SAIL模型。PROSPECT模型将阔叶叶片看作是由N层含有叶片生化物质的粗糙平板和N-1层空气构成的复合平板模型，通过输入各色素浓度、等效水厚度、白物质浓度及叶片结构参数得到这个复合平板模型的反射率和透射率。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，通过求得单个细胞的光学特性进一步求得无限细胞的光谱信息。冠层SAIL模型是在辐射传输理论的基础上对辐射传输方程的四流近似，模型通过输入太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角、LAI、土壤反射率、热点及单叶片的反射率与透射率等参数来模拟冠层400nm到2500nm的反射率。显而易见的是可以将阔叶与针叶模型的输出参数作为SAIL模型的输入参数来实现模型的耦合，进一步实现植被冠层信息的模拟。因此，国内外学者先后开展了模型耦合及其应用的研究，当前应用较多的是利用PROSPECT叶片模型与SAIL冠层反射模型耦合，该耦合模型利用修正后的叶片模型与冠层模型模拟植被冠层反射率，具有较高的反演精度和较快的反演速度。然而，当前所用多为发展较为完善的初期模型耦合而成的PROSAIL模型，在未能考虑植被叶片上下表面不对称性及热点效应等问题的情况下对PROSPECT模型与SAIL模型进行耦合，尽管适应性及精度有一定的保证，但在实际应用过程中仍然暴露出了植被参数反演不足等问题，使得耦合模型在实际应用过程中受到一定程序的限制。因此有必要设计一种新的阔叶植被冠层反射率的计算方法及模型。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是，针对物理模型在实际应用过程中受限的问题，也为了解决植被物理模型在应用过程中参数获取及反演精度问题，提出一种阔叶植被冠层反射率的计算方法及模型，将单叶片模型利用所获取参数得到的单叶片反射率与透射率作为冠层模型的输入参数，协同冠层模型的其他输入参数模拟植被冠层反射率，耦合后的植被冠层模型可省略部分复杂参数的获取过程，同时耦合后的模型为一体化模型，更加有利于植被参数的反演。本专利技术的技术方案为：一种阔叶植被冠层反射率的计算方法，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；其中叶片参数包括色素含量、干物质含量、等效水厚度及叶片结构参数；土壤参数为土壤的光谱反射率；冠层参数为剩余其他参数；S2：根据步骤S1中的叶片参数输入PROSPECT模型进行单片叶光谱模拟，计算单个叶片的光谱反射率及透射率；S3：根据步骤S1中的土壤参数和冠层参数计算消光系数及散射系数；S4：将步骤S3计算得到的消光系数及散射系数输入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：计算吸收系数K；吸收系数是叶片各种化学物质含量的线性表达，计算公式为：其中，c(i)为叶片中组分i的浓度，组分i为色素、水、干物质等化学物质；k(i)为组分i的特定吸收系数；N为叶片结构参数，表示叶片分层数，N可以采用以下经验方程计算得到：N＝(0.9*SLA+0.025)/(SLA-0.1)其中，SLA为比叶面积，指每单位干重的叶面积；S2.2：计算界面处的透射率：界面处的透射率包括两个：一个是光从空气进入叶片的透射率，一个是光从叶片进入空气的透射率；自然光线可看作是非极化光，反射后发生完全极化，透射后折射光线发生部分极化。根据Snell-Descarts定律可知道，两种介质接触面上入射角与折射角及两个折射率之间的关系，再根据Schanda给出的电磁波穿过两种介质的透射率即可计算出光线以立体角α由折射率为1的空气入射折射率为n的叶片的平均透射率tav(α,1,n)，令t12＝tav(α,1,n)；根据Stern的研究成果，光线从折射率为n的叶片射入折射率为1的空气的透射率t21与t12之间存在关系式t21＝n－2·t12，据此计算出界面处的透射率；界面处的透射率的计算为现有技术，可使用现有软件完成计算；S2.3：计算光线透过平板介质的总透射率τ1；对于自然光，其透过平板介质的总透射率τ1为整个半球2π整空间内的积分，与吸收系数K及叶片厚度D相关，计算公式为：其中，t为中间变量；S2.4：计算单层平板的反射率Rα(1)及透射率Tα(1)：进行单层平板光谱模拟，单层平板的光谱是整个叶片光谱模拟的核心，主要包括计算单层平板的反射率及透射率，其计算公式为：S2.5：计算单片叶反射率Rα(N)及透射率Tα(N)：进行叶片光谱信息模拟，Stokes对光线穿透有限层平板后的光学现象进行了深入研究，得出了光线穿过N层相同反射率和透射率的平板后的总体反射率和透射率的计算理论，此时应用其理论可得出叶片光谱信息的模拟公式：其中：所述步骤S3具体包括以下步骤：S3.1阴影补偿：①计算与消光和散射相关的几何因子：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；之后，计算每个叶倾角对应的消光与散射因子；对于叶倾角θl，计算方法如下：首先，求临界角βs和βo，计算公式为：其中，为水平面法线方向和叶片法线方向夹角即叶倾角θs为太阳天顶角、θo为观测天顶角；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；然后，计算叶倾角为θl的单个叶片太阳直射方向与观测方向的消光系数，计算公式分别为：其中，L′＝lai/h，lai为叶面积指数，h为冠层高度；②计算辅助方位角β1、β2、β3：辅助方位角的计算主要取决于两个临界角的相对不等关系，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-βoψ其中，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；得到三个辅助方位角后即可计算单叶片反射率与透射率相关的乘子，用于计算双向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阔叶植被冠层反射率的计算方法，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：根据步骤S1中的叶片参数输入PROSPECT模型进行单片叶光谱模拟，计算单个叶片的光谱反射率及透射率；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；S4：将步骤S3计算得到的消光系数及散射系数输入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】
1.一种阔叶植被冠层反射率的计算方法，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：根据步骤S1中的叶片参数输入PROSPECT模型进行单片叶光谱模拟，计算单个叶片的光谱反射率及透射率；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；S4：将步骤S3计算得到的消光系数及散射系数输入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所述的阔叶植被冠层反射率的计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：S2.1：计算吸收系数K：其中，c(i)为叶片中组分i的浓度；k(i)为组分i的特定吸收系数；N为叶片结构参数，表示叶片分层数；N采用以下经验方程计算得到：N＝(0.9*SLA+0.025)/(SLA-0.1)其中，SLA为比叶面积，指每单位干重的叶面积；S2.2：计算界面处的透射率：计算出光线以立体角α由折射率为1的空气入射折射率为n的叶片的平均透射率tav(α,1,n)，令t12＝tav(α,1,n)；S2.3：计算光线透过平板介质的总透射率τ1；其中，t为中间变量，K为吸收系数，D为叶片厚度；S2.4：计算单层平板的反射率Rα(1)及透射率Tα(1)：其中，n为叶片的折射率；S2.5：计算单片叶反射率Rα(N)及透射率Tα(N)，即光线穿过N层相同反射率和透射率的平板后的总体反射率和透射率：其中：3.根据权利要求2所述的阔叶植被冠层反射率的计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：S3.1阴影补偿：①计算与消光和散射相关的几何因子：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(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与散射因子；对于叶倾角θl，计算方法如下：首先，求临界角βs和βo，计算公式为：其中，θs为太阳天顶角、θo为观测天顶角；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；然后，计算叶倾角为θl的单个叶片太阳直射方向与观测方向的消光系数，计算公式分别为：其中，L′＝lai/h，lai为叶面积指数，h为冠层高度；②计算辅助方位角β1、β2、β3：取值方法如下：If：β1ββ2ββ3βψ≤|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-βoψ其中，ψψ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；③计算双向散射系数ω(θl)：在得到辅助方位角后，配合S2中已计算得到的单叶片反射率Rα(N)及透射率Tα(N)和透射率计算得到双向散射系数，计算公式为：其中，ρ、τ、θl分别表示叶片的反射率、透射率及此时相应的叶倾角；ρ＝Rα(N)；τ＝Tα(N)；S3.2计算加入叶片反射率和透射率后的散射系数：①漫辐射E‐和E+的后向散射系数计算公式为：②漫辐射E-和E+的前向散射系数计算公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭云开，安冠星，谢琼，周烽松，李健，朱禄宏，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43