本发明专利技术提供了一种利用观测的多角度植被冠层反射率，结合5尺度几何光学模型计算阴叶和阳叶各自光化学反射指数的方法，属于植被遥感反演参数获取方法的研究领域。其步骤为：多角度观测系统的建立；多角度光谱反射率数掘的获取；计算不同观测角度的光化学反射指数；利用样地调查获取的植被冠层结构参数驱动改进的5尺度几何光学模型，计算不同观测角度阴阳叶的比例；分别计算阴阳叶的光化学反射指数，并分析光化学反射指数的空间变化特征。本发明专利技术可获取连续的多角度植被冠层光谱数据，用于计算光化学反射指数等植被指数，结合改进的5尺度几何光学模型，适用于任何坡度的坡地，快速有效计算阴叶和阳叶的光化学反射指数，精度也比较高。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了一种利用观测的多角度植被冠层反射率，结合5尺度几何光学模型计算阴叶和阳叶各自光化学反射指数的方法，属于植被遥感反演参数获取方法的研究领域。其步骤为：多角度观测系统的建立；多角度光谱反射率数掘的获取；计算不同观测角度的光化学反射指数；利用样地调查获取的植被冠层结构参数驱动改进的5尺度几何光学模型，计算不同观测角度阴阳叶的比例；分别计算阴阳叶的光化学反射指数，并分析光化学反射指数的空间变化特征。本专利技术可获取连续的多角度植被冠层光谱数据，用于计算光化学反射指数等植被指数，结合改进的5尺度几何光学模型，适用于任何坡度的坡地，快速有效计算阴叶和阳叶的光化学反射指数，精度也比较高。【专利说明】一、
本专利技术涉及一种利用多角度观测系统获取的植被冠层光谱反射率数据计算冠层阴叶和阳叶光化学反射指数的方法，具体地说，是指一种改进的利用观测的多角度植被冠层反射率结合改进的5尺度几何光学模型，计算不同太阳天顶角不同观测角下，植被冠层阴叶和阳叶各自光化学反射指数的方法，属于植被遥感反演参数获取方法的研究领域。。二、
技术介绍
陆地生态系统的碳吸收能力用植被初级生产力表示，可定义为单位面积植被吸收的光合有效辐射(400-700nm)通过一系列生化反应生产的有机物质总量。光能利用率是植物利用光合有效辐射生产有机物质的效率，是植物光合作用的重要概念，也是遥感模型监测植被生产力的关键参数。目前，已经建立了许多利用遥感数据计算生态系统总初级生产力和净初级生产力的模型(如:CASA，Bio-BGC, VPM, GLO-PEM等)，这类模型具有机理明确、计算简便、生理生态参数需求较少和易于与遥感数据相结合的优点，已成为大尺度总初级生产力和净初级生产力估算的主要方法。现有的总初级生产力和净初级生产力遥感计算模型多通过考虑环境条件变化(温度、水分)对最大光能利用率的胁迫求取实际光能利用率。然而，光能利用率不仅与温度和水分条件有关，还与植被的种属、生态型、叶面积指数、光照强度、直射与散射光比例、植被的营养状况(叶氮含量)及植被的生长阶段等因素密切相关，还具有明显的日变化和季节变化特征。如何利用遥感手段可靠确定光能利用率，是总初级生产力和净初级生产力遥感计算模型应用所必需解决的一个关键问题。研究表明，光化学反射指数(Photochemical Reflectance Index, PRI)在估算植被光能利用率方面具有极大的潜力。光化学反射指数最初由Gamon等人在对向日葵生化特性的短期变化探测基础上提出的，该参数表示为PRI = (R531-R570) / (R531+R570)，R531和R570分别为测量波段(531nm)和参照波段(570nm)的反射率。入射光被叶片吸收后，有三个可能的去向:一是用于推动光化学反应；二是转变成热散失:三是以荧光的形式发射出来。三者之间存在此消彼长的关系。如果入射光强超过光合作用能够使用的能量，多余的光能要转换成热散失，以避免光合机构受到破坏。光能的热散失是叶黄素从环氧化状态转变为脱环氧化状态的结果，而这种色素形态的变化会导致531nm处反射率的下降，但对570nm处的反射率却几乎没有影响。因此，光能利用率越高，热散失越少，531nm处反射率的下降越少，光化学反射指数就越高。光化学反射指数与光能利用率成正相关关系，这就是光化学反射指数可以估算光能利用率的机理原因。在叶片尺度上对光化学反射指数的研究主要关注的是是植物体受环境胁迫时的响应机制，以及光化学反射指数-光能利用率的关系受植物体自身生理生化条件等因素对光化学反射指数-光能利用率关系的影响。由叶片尺度扩展到冠层尺度，光化学反射指数-光能利用率之间的关系除了与植物体自身生理特性有关之外，更多的受到观测角度光照几何特性和植被冠层结构特征的影响，使得冠层光化学反射指数-光能利用率之间关系远比叶片复杂。研究手段主要是借助不同的遥感平台进行观测，可分为地面观测、航空观测和航天观测三种。由于地面传感器几乎不受大气影响，各种干扰因素比较容易控制，在自然条件下可以详细研究各个影响因子，以便于解释和模拟航空航天观测的不确定性，因此很多研究利用地面传感器测量光化学反射指数，尝试建立光化学反射指数-光能利用率关系。Gamon等人最早在两个塔之间悬挂安置一个轨道，观测了整个夏季山杨的光谱特征。Nichol 等人在“Remote sensing of photosynthetic light use efficiency ofa Siberianboreal forest”文中提到，在近地面测量了西伯利亚北部欧洲赤松林的冠层光化学反射指数，发现光能利用率与光化学反射指数有非常好的线性关系(R2 = 0.97，P < 0.001)。在“Remote Sensing ofEnvironment，，2008 年第 112 卷 “Separating physiologically anddirectionally induced changes in PRI using BRDF models” 一文中，Hilker 等人在通量塔上搭建一套多角度光谱观测系统，利用其观测数据，发现一片北美花旗松的光化学反射指数与光能利用率的关系，发现两者存在显著的相关性(R2 = 0.88)，其观测方法为本专利技术提供了理论指导。近年来，随着通量观测技术的发展，有关生态系统尺度光化学反射指数与光能利用率之间关系的研究不断涌现，证明了可以利用光化学反射指数估算光能利用率，但也发现光化学反射指数与光能利用率之间关系存在很大的时空变异，受到叶倾角分布、太阳天顶角、观测角和冠层结构等很多因素的影响。此外，光学遥感观测受到冠层的二向性反射的影响，单一角度的观测无法排除众多因素的干扰。而且，现有的研究都没有考虑植被冠层内部阴影叶片(即阴叶)和光照叶片(即阳叶)在光化学反射指数和光能利用率方面的固有差别，必然会影响到冠层光化学反射指数与光能利用率之间关系结论。越来越多的研究开始认识到阴叶和阳叶光化学反射指数的差别，试图借助几何光学模型从冠层观测数据中对其进行分离，以建立更好的光能利用率遥感估算模型。三、
技术实现思路
本专利技术的目的是:提供一套利用多角度观测系统同时获取太阳入射光谱和植被冠层多角度反射光谱的方法，用于计算植被冠层不同角度的反射率，结合5尺度几何光学模型，模拟不同太阳天顶角下特定观测角度阴叶和阳叶的比例，进而估算阴叶和阳叶各自的光化学反射指数，作为准确估算冠层阴叶和阳叶光能利用率的基础。本专利技术的原理如下:利用一套安装在通量塔上的全自动多角度光谱观测系统，该系统主要由以下设备组成:可同时获取太阳入射光和植被反射光的双通道光谱仪、可垂直水平旋转的云台、可长距离传输信号的数据转换器及通信线缆，以及装载自动观测软件平台的电脑。该系统可长期获取每日连续的太阳入射光谱和多角度的植被冠层反射光谱，用于计算冠层反射率，进而计算光化学反射指数，可获得不同太阳入射光强下的光化学反射指数变化趋势。结合5尺度几何光学模型，根据实测的冠层结构参数，模拟不同时刻不同太阳天顶角特定观测角度阴叶和阳叶的比例，消除冠层二向性反射的影响，精确估算该观测角度瞬时的阴叶和阳叶各自的光化学反射指数。本专利技术的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法，其主要包括以下步骤：(1)光谱观测硬件系统的建立；(2)利用MATLAB为平台编写的软件控制观测系统的运行，并保存观测数据；(3)对保存的数据进行筛选转换：将保存的mat文件转换成EXCEL表格，去除因仪器自身和传输过程的噪声产生的异常数据；(4)光化学反射指数的计算：首先计算531nm和570nm的反射率，并用白板观测的各波段辐照度与辐亮度的比值ρ’进行校正，校正后的反射率用于计算光化学反射指数PRI： PRI = ρ 531 - ρ 570 ρ 531 + ρ 570 - - - ( 1 ) (5)多角度光化学反射指数空间变化分析，利用MATLAB编写可视化程序，制作不同观测天顶角和方位角的光化学反射指数的三维分布图；(6)阴叶和阳叶光化学反射指数的计算。利用样地调查的植被冠层结构参数驱动光线追踪法改进的5尺度几何光学模型，计算冠层不同太阳入射角下特定观测角阴叶和阳叶的比例。首先对冠层中叶片空间角度分布进行描述，假设叶片是随机分布的，选择冠层内一个点为原点，定义每个叶片的法向量，从而算出每个叶片的空间角度和空间位置。设定观测方位角为0，通过改变观测方位角θV和太阳入射角θS模拟多角度观测，视线的入射面由视线的方向向量和观测点来定义。视线由入射面逐点的发出，如果发出的视线与叶片没有交点，则不进行计算；如有交点，则可找出第一个交点。然后根据太阳入射光和视线的方向向量，以及叶片的法向量判断该交点是否被太阳光照射。如果该交点与太阳光之间有其他叶片遮挡，或者该交点与太阳入射光和叶片的交点不在同一面，则判定此视线看到的是阴叶，否则为阳叶。光线追踪进程结束后，可求得视线内阳叶点占所有观测点的比例Sv。由于观测点包含背景点(可视的地面点)，设观测到背景的比例为Pvg(此比例的计算不属于本专利技术的内容)，则在任意坡度上的植被冠层可观测到阳叶的比例Pst为：Pst＝Sv/(1‑Pvg) (2)可观测到阴叶的比例Pat为：Pat＝1‑Pst‑Pvg (3)利用样地观测的植被冠层结构参数：叶面积指数、枝下高、冠层高度、树梢高度、冠幅、树梢半角值等，驱动改进的5尺度几何光学模型计算阴阳叶比例。然后分别计算各太阳入射角和观测角的阴阳叶光化学反射指数。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张乾，范渭亮，冯永康，陈镜明，居为民，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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