一种基于辐亮度的植物叶片叶绿素反演方法技术

本发明专利技术涉及一种基于辐亮度的植物叶片叶绿素反演方法，包括：S1，测量植物叶片在不同波段的辐亮度值；S2，根据太阳入射辐射中不同波段太阳辐照度比例，计算针对传统反射率地面叶绿素指数的修正系数；S3，基于所述修正系数通过修正传统反射率地面叶绿素指数构建修正系数基于辐亮度的地面叶绿素指数；S4，构建所述修正系数与叶绿素之间的回归模型；S5，基于所述修正系数与构建的回归模型反演叶绿素。发明专利技术通过构建一种可基于辐亮度直接计算的地面叶绿素指数，实现了直接从辐亮度反演植物叶片叶绿素含量。绿素含量。绿素含量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于辐亮度的植物叶片叶绿素反演方法


[0001]本专利技术涉及植物叶片叶绿素反演技术，更具体地，涉及一种基于辐亮度的植物叶片叶绿素反演方法。

技术介绍

[0002]在植物叶片叶绿素的反演中，基于遥感数据产品的相关算法被广泛应用。在该类算法中，通过遥感数据产品计算设计好的植被指数是反演过程中的必要步骤。其中地面叶绿素指数由于其反演效果往往好于其他常见的植被指数而被广泛使用。在现有的遥感植被指数的计算方法中，主要方法是通过不同遥感数据产品中的反射率进行计算从而得出相关植被指数，并用其进行植物叶片叶绿素的反演。
[0003]但是，现有技术还未有直接使用遥感数据产品的辐亮度来进行植物叶片叶绿素反演的方法。这一方法的难点在于，传感器所接收的叶片反射辐亮度受到测量时入射辐亮度的影响，直接使用辐亮度计算的地面叶绿素指数在植物叶片叶绿素的反演中表现较差，难以实现对于植物叶绿素的精准反演。另一方面，其优势在于，通过遥感传感器(近红外分光光度计、红外照相机等)可直接获取植物的反射辐亮度，而反射率的获取相对复杂，往往需要白板等辅助设备。

技术实现思路

[0004]遥感传感器接收到的叶片反射辐亮度直接受到入射辐亮度的影响。因此相比于反射率，辐亮度无法稳定反应叶片状态。针对现有技术的问题，本专利技术提出一种基于辐亮度的植物叶片叶绿素反演方法，包括：S1，测量植物叶片在不同波段的辐亮度值；S2，根据太阳入射辐射中不同波段太阳辐亮度比例，计算针对传统反射率地面叶绿素指数的修正系数；S3，基于所述修正系数通过修正传统反射率地面叶绿素指数构建修正系数基于辐亮度的地面叶绿素指数；S4，构建所述修正系数与叶绿素之间的回归模型；S5，基于所述修正系数与构建的回归模型反演叶绿素。
[0005]本专利技术的技术效果包括：
[0006]1、本专利技术的方法能够基于辐亮度直接计算的地面叶绿素指数。
[0007]2、本专利技术中提出了使用6S(Second Simulation of The Satellite Signal in The Solar Spectrum)辐射传输模型，模拟、计算得到各种不同大气条件情形下的波段间入射辐亮度的比值来修正传统基于反射率的地面叶绿素指数。
[0008]3、由于计算中不再需要使用遥感数据产品中的反射率,可以直接使用更为便捷的设备获取植物的反射辐亮度数据。
[0009]4、本专利技术无需使用白板等辅助计算反射率的器材。
[0010]5、本专利技术中采用辐亮度计算地面叶绿素指数，计算简单，实用性好，易于应用推广。
[0011]另外，本专利技术的方法不仅仅只限于遥感传感器，随着便携式遥感设备(如智慧手机
of The Satellite Signal in The Solar Spectrum，太阳光谱中卫星信号的模拟)的改进，吸收了最新的散射计算算法，利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立相关模型，根据本专利技术要解决的技术问题，在模拟过程中需设置的参数如表1所示：
[0027]表1 6S模型参数设置
[0028][0029][0030]根据不同的大气条件或具体要求，可以在默认范围内根据实际情况对于各个参数进行适当调整。
[0031]下面描述本专利技术的一个具体实施例。
[0032]1)，通过6S模型计算得到：
[0033]太阳直射辐照度(s.outputs.direct_solar_irradiance)、太阳散射辐照度(s.outputs.diffuse_solar_irradiance)，以及环境辐照度(s.outputs.environmental_irradiance)。
[0034]然后，计算各波段这三个值的总和，得到辐亮度值，如下式：
[0035][0036]2)，计算各种大气条件情况下的修正系数a、b，分别取其中位数最为最终值。
[0037][0038][0039]其中，E为入射辐亮度，对应不同波段。
[0040]经过模拟计算，最终可得修正系数a、b取值：a＝1.1595、b＝1.0924；该指数在以后的使用中是可以固定保持不变的，不需要重新计算。
[0041]3)，基于所述修正系数通过修正传统反射率地面叶绿素指数构建基于辐亮度的地面叶绿素指数。
[0042]传统地面叶绿素指数由如下方程计算得到：
[0043][0044]在此方程中，r代表不同波段的反射率，其计算方程如下：
[0045][0046]其中，L表示各波段叶片反射的辐亮度，可由光谱仪直接获取；E为入射辐亮度，对应不同波段。将公式(5)带入(4)中可获得：
[0047][0048]此时引入公式(2)和(3)中的修正系数a、b，带入公式(4)中，获得：
[0049][0050]带入a＝1.1595、b＝1.0924，新的基于辐亮度的地面叶绿素指数(RMTCI)可表示为：
[0051][0052]然后，就可以构建所述指数与叶绿素之间的回归模型，并选择最优模型。并基于所述指数与构建的统计模型反演叶绿素。
[0053]本专利技术的方法适用于任一比值型植被指数以用于叶绿素或其它作物参数的反演，针对要应用的植被指数所涉及的波段重新模拟计算相应的修正系数即可。
[0054]本专利技术的方法进行了实验，数据实验结果如下：记录植株地理位置以及测量时间，利用SEI
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RS
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8800光谱仪以及SPAD
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502plus叶绿素仪，在不同的天气条件下(晴天、阴天等)分6轮，对共计45株植株(夏玉米)叶片进行垂直拍摄、测量，获取其上、下叶片的辐照度、反射率等光谱数据以及叶绿素等相关生物量数据。同时按本专利技术计算了基于辐亮度的地面叶绿素指数，进行了叶绿素反演，结果如下表2。
[0055]表2叶绿素反演结果
[0056][0057]注：辐亮度*表示引入修正系数后计算得出的地面叶绿素指数反演得到的结果；回
归精度的计算式为：回归精度＝RMSE/样品叶绿素均值。
[0058]表2数据证明本专利技术在最后反演结果的相关性以及精度都有较为良好的表现，且本专利技术并不过分关注于最后反演模型的选取，如表2所示，任意常用的反演模型都可应用与本专利技术的最终反演过程。
[0059]以上所述的实施例，只是本专利技术较优选的具体实施方式，本说明书使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。本领域的技术人员在本专利技术技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本专利技术的保护范围内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于辐亮度的植物叶片叶绿素反演方法，其特征在于，包括：S1，测量植物叶片在不同波段的辐亮度值；S2，根据太阳入射辐射中不同波段太阳辐照度比例，计算针对传统反射率地面叶绿素指数的修正系数；S3，基于所述修正系数通过修正传统反射率地面叶绿素指数构建基于辐亮度的地面叶绿素指数；S4，构建所述修正系数与叶绿素之间的回归模型；S5，基于所述修正系数与构建的回归模型反演叶绿素。2.根据权利要求1所述的基于辐亮度的植物叶片叶绿素反演方法，其特征在于，所述地面叶绿素指数为基于辐亮度的比值型植被指数。3.根据权利要求1所述的基于辐亮度的植物叶片叶绿素反演方法，其特征在于，在步骤S2中，通过如下过程来得到所述修正系数，包括：1)计算得到太阳直射辐照度太阳散射辐照度以及环境辐照度计算各波段这三个值的总和作为辐亮度：2)计算不同大气条件情况下的不同波段的辐亮度的比值作为修正系数。4.根据权利要求3所述的基于辐亮度的植物叶片叶绿素反演方法，其特征在于，在步骤S2中，通过6S辐射传输模型来进行模拟所述修正系数。5.根据权利要求1所述的基于辐亮度的植物叶片叶绿素反演方法，其特征在于，步骤S1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王聪，游振宇，吴文斌，余强毅，赵立成，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，
类型：发明
国别省市：