一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法及系统，涉及光学无损测量植物叶绿素技术领域，包括：获取待测叶片的偏振度光谱曲线；构建差值比值型偏振度光谱指数；基于偏振度光谱曲线建立差值比值型偏振度光谱指数与叶绿素含量之间的回归关系，构建估算模型；利用估算模型估算叶片中叶绿素含量。本发明专利技术利用偏振度光谱指数在不同探测角度进行叶绿素的估算，通过简便的测量过程和宽阔的测量角度范围提升偏振度光谱值估算植物叶片叶绿素的便捷性和实用性。叶绿素的便捷性和实用性。叶绿素的便捷性和实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法及系统


[0001]本专利技术涉及光学无损测量植物叶绿素
，更具体的说是涉及一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法及系统。

技术介绍

[0002]准确估算植物叶片的叶绿素含量有助于研究者理解植物生理状态和生物活性特性。叶绿素含量不仅在种间变化，而且在种内也存在显著差异，因此，量化叶绿素含量又为研究植物与环境变化之间的关系提供了重要信息。叶绿素在植物叶绿体内能够吸收光能，为光合作用提供能量来源，这些吸收特性主要表现在蓝光和红光波段。与吸收对应的反射光信息也就成为反映叶绿素含量的可测指标。
[0003]偏振信息作为表示反射光学特性的基本物理量之一，已经成为表示植物叶片光学反射特性的一维有效信息。利用偏振测量，反射信息可以分成偏振与非偏振两个部分。偏振信息主要来自叶片表面的反射，而非偏振则源自于叶片内部的多重散射。这些发现为理解叶片反射光的偏振特性提供了重要的支撑。基于偏振来自叶片表面反射过程，研究者首先发现偏振信息与叶片表面结构特征有关；由于非偏振反射信息是叶片内部多重散射产生的，相比包括偏振信息的总反射信息，将偏振反射信息作为噪声剥离后，也就意味着非偏振信息具有提升估算生化参数的潜在优势。
[0004]目前，在表示叶片偏振反射特性过程中，一般使用偏振度(Degreeoflinearp olarization:DOLP)作为指标。偏振度是偏振反射与总反射的比值，偏振度光谱特性通常与叶片的反射光谱特性呈现反比例关系。也就意味着，偏振度仍然是偏振反射与非偏振反射的混合体。研究者虽然通过偏振度与几种有限的植物叶片建立了关系，但是这些关系受到物种变化的影响，且没有明确的理论依据，最终并没有真正明确偏振信息在估算叶片生化参数研究中的作用。
[0005]但是，偏振度直接与叶绿素建立关系不能取得较好估算结果，其原因有三个：第一，不同入射角度条件下，相同叶片在不同探测角度的偏振度值具有较大差异，也就导致了关系具有角度依赖性；只能局限在某一个特定的角度进行叶绿素的估算。第二，不同物种植物叶片的表面结构有显著差异，测量的偏振度在种间具有异质性；也就意味着，即使在一个固定的探测角度下，不同物种具有相同叶绿素含量的叶片产生的偏振度也会有明显的不同，最终导致无法利用偏振度对不同类型叶片叶绿素含量进行估算。第三，偏振度既包含叶片表面产生的偏振信息，又包含叶片内部多重散射产生的非偏振信息，偏振信息是影响与叶绿素关系的重点，会显著降低偏振度与叶绿素之间的关系。因此，直接使用偏振度不能很好地估算叶绿素含量。
[0006]因此，如何提出一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法及系统，在植物叶片尺度上，利用光学反射信息对不同物种植物叶片的叶绿素含量进行准确估算，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法及系统，属于光学无损测量植物叶绿素
，可以用在植物叶片尺度上，利用光学反射信息对不同物种植物叶片的叶绿素含量进行准确估算，为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法，包括：
[0009]获取待测叶片的偏振度光谱曲线；
[0010]构建差值比值型偏振度光谱指数；
[0011]基于偏振度光谱曲线建立差值比值型偏振度光谱指数与叶绿素含量之间的回归关系，构建估算模型；
[0012]利用估算模型估算叶片中叶绿素含量。
[0013]可选的，所述获取待测叶片的偏振度光谱曲线包括，通过平行分量与垂直分量的反射辐射亮度值之差与两者之和的比值定义偏振度DOLP，公式如下所示，
[0014][0015]其中L0°
表示平行分量的辐射亮度值，L
90
°
表示垂直分量的辐射亮度值，平行分量表示测量时偏振片的透光轴与本地子午面平行，垂直分量表示测量过程中偏振片的透光轴与本地子午面垂直，通过偏振度DOLP获取偏振度光谱曲线。
[0016]可选的，所述获取待测叶片的偏振度光谱曲线还包括，ASD地物光谱仪，有效波段为400
‑
1000nm，测量时，通过角度测量装置调整入射天顶角θ
i
和探测天顶角θ
s
，探测天顶角在20
°‑
60
°
范围内，间隔10
°
测量一次，在6个方向进行测量，每个偏振态测量5次偏振反射光谱数据。
[0017]可选的，所述待测叶片的选取在不同类型植被冠层上层、中层和下层中选取叶片，选取叶片平整，无明显斑痕，颜色均匀的叶片，从叶绿素值低到高均匀选取。
[0018]可选的，所述构建差值比值型偏振度光谱指数包括，
[0019]基于偏振度的物理意义为反射光中偏振部分所占的比例，偏振度出现在主平面的前向散射方向，将主平面作为参考面，偏振度的范围为[
‑
1，1]；偏振信息来源于叶片表面的反射过程中所产生的镜面反射，其垂直分量大于平行分量，对应叶片的偏振度在[0,1]范围内，从表示偏振部分所占比例方面将偏振度定义为：
[0020][0021]其中，R
p,λ
表示偏振反射部分，R
non
‑
p,λ
表示非偏振反射部分，所述偏振反射部分是影响估算叶片内部叶绿素含量的噪声，通过倒数变换将偏振反射部分进行消除，偏振度的倒数表示为：
[0022][0023]在分子和分母上利用波段的差值的方式消除常量1，得到偏振度光谱指数：
[0024][0025]其中，λ表示波长，R
p,λ
表示不同波段的偏振反射信息，R
non
‑
p,λ
表示不同波段的非偏振反射信息。
[0026]可选的，所述基于偏振度光谱曲线建立差值比值型偏振度光谱指数与叶绿素含量之间的回归关系为线性关系，
[0027]y＝ax+b
[0028]其中，y表示因变量叶绿素含量，x表示自变量偏振度光谱指数，a表示两者的回归系数，b表示截距。
[0029]可选的，包括，基于验证数据集的均方根误差对偏振度光谱指数的叶绿素含量估算精度进行评价。
[0030]可选的，一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的系统，包括：
[0031]获取模块：用于获取待测叶片的偏振度光谱曲线；
[0032]构建模块：用于构建差值比值型偏振度光谱指数；
[0033]回归模块：基于偏振度光谱曲线建立差值比值型偏振度光谱指数与叶绿素含量之间的回归关系，构建估算模型；
[0034]估算模块：用于利用估算模型估算叶片中叶绿素含量。
[0035]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法及系统，具有如下有益效果：
[0036]本专利技术利用植物叶片的偏振度光谱信息得到的偏振本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法，其特征在于，包括：获取待测叶片的偏振度光谱曲线；构建差值比值型偏振度光谱指数；基于偏振度光谱曲线建立差值比值型偏振度光谱指数与叶绿素含量之间的回归关系，构建估算模型；利用估算模型估算叶片中叶绿素含量。2.根据权利要求1所述的一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法，其特征在于，所述获取待测叶片的偏振度光谱曲线包括，通过平行分量与垂直分量的反射辐射亮度值之差与两者之和的比值定义偏振度DOLP，公式如下所示，其中L0°
表示平行分量的辐射亮度值，L
90
°
表示垂直分量的辐射亮度值，平行分量表示测量时偏振片的透光轴与本地子午面平行，垂直分量表示测量过程中偏振片的透光轴与本地子午面垂直，通过偏振度DOLP获取偏振度光谱曲线。3.根据权利要求2所述的一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法，其特征在于，所述获取待测叶片的偏振度光谱曲线还包括，ASD地物光谱仪，有效波段为400
‑
1000nm，测量时，通过角度测量装置调整入射天顶角θ
i
和探测天顶角θ
s
，探测天顶角在20
°‑
60
°
范围内，间隔10
°
测量一次，在6个方向进行测量，每个偏振态测量5次偏振反射光谱数据。4.根据权利要求1所述的一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法，其特征在于，所述待测叶片的选取在不同类型植被冠层上层、中层和下层中选取叶片，选取叶片平整，无明显斑痕，颜色均匀的叶片，从叶绿素值低到高均匀选取。5.根据权利要求1所述的一种利用偏振度光谱信息估算叶绿素含量的方法，其特征在于，所述构建差值比值型偏振度光谱指数包括，基于偏振度...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙仲秋，卢珊，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：