[发明专利]一种多角度观测精确反演植被阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法

摘要

本发明提供了一种利用多角度观测系统获取的植被冠层光谱数据精确反演冠层阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法，属于植被遥感反演参数获取方法的研究领域。其步骤为：多角度超高光谱观测系统的建立；多角度超高光谱数据的获取；计算太阳入射和冠层反射辐亮度；计算冠层反射率和反演叶绿素荧光；利用叶片夹观测叶片反射率；利用冠层反射率和叶片反射率的比值，结合几何光学模型，计算不同观测角度阴阳叶的比例；通过最小二乘法拟合得到阴叶和阳叶的荧光。本发明可获取连续的多角度植被冠层超高光谱数据，用于反演叶绿素荧光，结合叶片反射率和几何光学模型，简单有效的计算不同观测角和太阳入射角的冠层阴阳叶比例，分别计算阴叶和阳叶的荧光，提高陆地初级生产力监测的精度。

主权项

1.一种多角度观测精确反演植被阴阳叶日光诱导叶绿素荧光的方法，其主要包括以下步骤：(1)超高光谱观测硬件系统的建立。超高光谱分辨率光谱仪由美国Ocean optics公司生产，型号为QEPRO，光谱范围为650‑800nm，光谱分辨率为0.3nm，通过USB接口与电脑连接传输信号。光谱仪集成在恒温箱系统中，内置降温压缩机和升温设备，保证系统温度稳定。光谱仪仅一个光路通道，因此连接一个“Y”型分叉光纤，将一个光路分为两个，分叉光纤的两个光路连接到一个光路切换开关上。开关通过标配数据线与光谱仪连接，通过光谱仪与电脑的连接接收指令，进行光路切换的操作。开关另一端外接两个长光纤，构成两个光路，用于太阳入射光和冠层反射光的观测。光路1配合余弦接收器使用，测太阳入射光谱，余弦接收器水平向上安装。光路2为裸光纤，测冠层反射光谱，瞬时视场角为22.5°，安装在一个45°的支架上，使探头与垂直方向呈45°向下观测植被冠层。支架安装在FLIR公司提供的云台上，型号为PTU‑D46‑17.5W。云台旋转头安装在室外，通过数据线与云台控制器相连云台控制器的信号传输接口为RS232，RS232转成USB接口与电脑连接。云台与下行光纤均安装在室外的水平架上，初始位置朝正北安装，以尽可能多的观测到冠层的阳叶部分。光谱仪恒温箱、分叉光纤和光路切换开关等配件安装在防水箱内，和云台控制器与电脑放置于户外百叶箱内；(2)利用MATLAB为平台编写的软件控制观测系统的运行，采用优化积分时间算法来确定光谱仪采集数据的积分时间，保证采集到的光谱信号精确有效。计算公式为：T＝IT×targetDN/max     (1)其中，IT为自定义的初始积分时间，targetDN为用户自定义的理想光谱仪记录值，max为在用户自定义IT时间内采集到的光谱最大的光谱仪记录值。同时，设定最大积分时间，防止出现积分时间无穷大的情况；(3)观测的具体流程为：云台转到某一角度后，利用光路切换开关将光路切换至太阳入射光观测光路，按照初始积分时间采集一条太阳入射光谱，使用公式1计算优化的积分时间，然后按照优化的积分时间观测一条太阳入射光谱并记录数据，随后利用光路切换开关关闭光路，按优化的积分时间记录一条暗电流，即没有光进入光谱仪而由光谱仪自身产生的噪声数据。然后利用光路切换开关打开冠层反射光观测光路，重复以上步骤以获取冠层反射光谱和对应的暗电流。至此一个观测循环结束，云台转到下一个角度；(4)利用记录有不同波段辐亮度值的标准光源对光谱仪进行定标，获得将光谱仪记录值转换为辐亮度的定标系数。观测获得的光谱数据，首先减去暗电流，然后除以积分时间，将积分时间归一化到1秒，再乘以定标系数，得到辐亮度值。冠层反射光的辐亮度除以太阳入射光的辐亮度得到反射率。(5)冠层反射由冠层的真实反射ρ和荧光F两部分组成，采用光谱拟合方法反演荧光F，可将ρ和F用多项式模型表达，冠层反射的辐亮度L表示为：式中ρMOD(λ)和FMOD(λ)分别是在相应的波段反射率和荧光的数学表达式，LTOC(λ)表示观测的冠层反射辐亮度，E(λ)为太阳入射的辐亮度，ε(λ)表示每个波段观测值和拟合值的残差项。通过最小二乘解线性方程组，得到ρMOD(λ)和FMOD(λ)，从而计算F和ρ。；(6)叶片反射率的获取。使用FluoWat叶片夹结合ASD FieldSpec3.0光谱仪进行叶片光谱的观测。使用叶片夹夹住叶片，将叶片表面垂直对准太阳光，在叶片夹出光处使用光谱仪光纤观测叶片反射光谱，然后将叶片换成白板，以同样方法观测白板的反射光谱，叶片反射光谱除以白板反射光谱得到叶片反射率。(7)阴叶和阳叶荧光的计算。首先估算观测到的阴叶和阳叶的比例。冠层反射率Rcan分为四个分量光照叶片RT、光照背景RG、阴影叶片RS和阴影背景RZ：Rcan＝RT×PT+RG×PG+RS×PS+RZ×PZ    (3)其中，PT、PG、PS和PZ分别为光照叶片、光照背景、阴影叶片和阴影背景的比例。不考虑光照背景和阴影背景反射率的差别，探头可视的背景比例根据下式计算：根据公式3，阴叶比例为：PS＝1‑PT‑PVG     (5)在计算阳叶比例时，引入叶片的反射率，利用冠层反射率与叶片反射率Rleaf在670nm处的比值代表冠层受光照的程度，即阳叶比例：PT＝Rcan/Rleaf    (6)得到阴阳叶各自的比例，利用每15分钟得到的不同观测角度的观测值SIFobs，根据公式7利用最小二乘法拟合阴叶和阳叶的荧光SIFsun和SIFsh。SIFobs＝SIFsun×PT+SIFsh×PS     (7)