[发明专利]一种针叶植被冠层反射率计算方法

摘要

本发明公开了一种针叶植被冠层反射率计算方法，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；S2将步骤S1中的叶片参数输入LIBERTY模型进行单片叶光谱信息模拟，得出针叶叶片的反射率和透射率；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，并进一步计算得到SAIL模型的参数；S4将步骤S3计算得到的参数输入SAIL模型，计算冠层的相关反射因子和反射率；S5根据S4的反射因子和反射率计算冠层反射率。本发明能适用于连续针叶冠层参数反演。

主权项

一种针叶植被冠层反射率计算方法，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：将步骤S1中的叶片参数输入LIBERTY模型进行单片叶光谱信息模拟，得出针叶叶片的反射率和透射率；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，并进一步计算得到SAIL模型的参数；S4：将步骤S3计算得到的参数输入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；所述步骤S2具体包括以下步骤：S2.1：计算叶片细胞介质总吸收系数k，计算公式为：k＝d×(Cb+fhCh+fwCw+faCa+flCl+fnCn)其中，d为平均细胞直径；Cb为基吸收；Ch为叶绿素含量，fh为叶绿素含量吸收系数；Cw为等效水含量，fw为水分含量吸收系数；Ca为白化吸收，fa为白化吸收系数；Cl为木质素加纤维素的含量，fl为木质素加纤维素的含量吸收系数；Cn为蛋白质含量，fn为蛋白质吸收系数；S2.2：计算单个叶片细胞的透射率τ′，计算公式为：mi=(1-sin2θc)+∫0θcm(θ)cosθsinθdθ]]>M＝2∫0π/2e‑kdcosθ2πcosθsinθdθ＝2[1‑(kd+1)e‑kd]/(kd)2τ′＝M(1‑mi)/(1‑miM)其中，θc为临界角，m(θ)表示方向θ的反射系数，由菲涅耳方程确定；S2.3：根据单个叶片细胞的透射率为τ′求出无限厚叶片反射率R，计算公式为：aR2+bR+c＝0其中，a＝‑me‑τ′+τ′me+xτ′‑τ′xmeb＝2xme2+3τ′xme‑2xτ′me2‑2x2τme+1c＝‑2xme‑τ′x+2x2τ′meme＝∫0π/2m(θ)cosθsinθdθx＝xu/(1‑xaτ′)；xu、xa和xd分别表示细胞内部辐射向上、向相邻和向下散射的分量；。S2.4：迭代计算针叶叶片的反射率ρ和透射率τ；迭代公式为：R1=-aR2+cb]]>RN=RN-1+TN-12RN-11-RN-12]]>TN=TN-12/(1-RN-12)]]>RN和TN分别表示具有N层细胞的针叶叶片的反射率RN和透射率，令ρ＝RN；τ＝TN；所述步骤S3具体包括以下步骤：S3.1：求解一般叶倾角分布概率：采用Campbell椭球分布函数来求解针叶叶倾角密度函数：g(α)=2χ3sinαΛ(cos2α+χ2sin2α)2]]>式中，α为叶倾角；g(α)表示叶倾角α的概率密度；χ为椭球水平半轴和垂直半轴的比值，0.1≤χ≤10；当χ＝1时，Λ＝2；当χ<1时，有：Λ=χ+sin-1ϵϵ]]>ε＝(1‑χ2)1/2当χ>1时，有：Λ=χ+ln[(1+ϵ)/(1-ϵ)]2ϵχ]]>ε＝(1‑χ‑2)1/2；由此得到一般叶倾角分布概率F(θ)＝∫g(α)dα；S3.2：计算消光及散射系数：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θl(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及散射系数；(1)求解消光系数根据以下公式求解太阳直射方向的消光系数：k(θl)=2πL′[(βs-π2)cosθl+sinβstanθssinθl]]]>根据以下公式求解观测方向的消光系数：K(θl)=2πL′[(βo-π2)cosθl+sinβotanθosinθl]]]>其中，θs为太阳天顶角，θo为观测天顶角；L′＝lai/h，lai为叶面积指数，h为冠层高度；βs和βo为临界角，计算公式为：βs=arccos(-cosθlcosθssinθlsinθs)]]>βo=arccos(-cosθlcosθosinθlsinθo)]]>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；(2)求解散射系数(2.1)根据以下公式计算漫辐射E‑和E+的后向散射系数：σ(θl)=L′(ρ+τ2+ρ-τ2cos2θl)]]>根据以下公式计算漫辐射E‑和E+的前向散射系数计算公式为：σ′(θl)=L′(ρ+τ2-ρ-τ2cos2θl)]]>(2.2)根据以下公式计算太阳直射辐射ES的后向散射系数：s(θl)=ρ+τ2k(θl)-ρ-τ2L′cos2θl]]>根据以下公式计算太阳直射辐射ES的前向散射系数：s′(θl)=ρ+τ2k(θl)+ρ-τ2L′cos2θl]]>(2.3)根据以下公式计算漫辐射E‑和E+的衰减系数：a(θl)=L′(1-ρ+τ2+ρ-τ2cos2θl)]]>(2.4)根据以下公式计算观测方向E0的后向散射系数：v(θl)=ρ+τ2K(θl)+ρ-τ2L′cos2θl]]>(2.5)根据以下公式计算观测方向E0的前向散射系数：u(θl)=ρ+τ2K(θl)-ρ-τ2L′cos2θl]]>(2.6)根据以下公式计算双向散射系数W：w(θl)=L′2π{[πρ-β2(ρ+τ)](2cos2θl+sin2θltanθstanθocosψ)+(ρ+τ)sinβ2[2cos2θlcosβscosβo+cosβ1cosβ3sin2θltanβstanθo]}]]>其中，ρ、τ和θl分别表示叶片的反射率、透射率及此时相应的叶倾角；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；β1、β2和β3为辅助方位角，其取值方法如下：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‑βoψS3.3计算SAIL模型的参数；首先，针对S3.2中离散化得到的每一个叶倾角，计算其对应的一般叶倾角分布概率；然后，将S3.2中离散化得到的各个叶倾角对应的一般叶倾角分布概率分别与步骤S3.2中得到的消光及散射系数相乘后再相加，得到SAIL模型的参数，计算公式为：Z＝∑F(θl)Z(θl)其中，F(θl)为叶倾角θl对应的一般叶倾角分布概率，Z(θl)指代步骤S3.2中得到的k(θl)、K(θl)、ω(θl)、σ(θl)、σ′(θl)、s(θl)、s′(θl)、a(θl)、v(θl)和u(θl)中的任意一个，求得的Z相应地指代SAIL模型中的参数k、K、w、σ、σ′、s、s′、a、v、u中的任意一个。