FOLIUM模型与多色素叶片光谱模拟方法与流程

本发明涉及一光与叶片相互作用的认知与色素叶片光谱特征的模拟方法。
背景技术：
：随着遥感技术的逐步发展，植被遥感为植物体生理生态特征监测或检测提供了一种实时、便捷、大面积信息获取的有效手段。在植被遥感监测或检测的视场角中，植物叶片组分占据了视场角的大部分区域，尤其是在植被光学遥感中，叶片的光学属性(光谱特征)决定了植被的光学属性；另外，植物叶片群体的生理生态特性可直接反映植被的生理生态特征。因此，光与植物叶片相互作用的认知是利用植被光学遥感监测植物生理生态信息的基础。当一束光照射在植物叶片上，光与叶片的光学作用方式有三种：反射、吸收和透射，其中，反射和透射为遥感可探测光学行为，即叶片光学属性(叶片反射光谱和透射光谱)，并且叶片反射光谱和透射光谱呈镜面关系，都可认为是叶片生化组分吸收特征的特定函数关系。因此，光与植物叶片作用定量实质为各种叶片生化组分吸收特征的函数化。进而，利用植被光学遥感监测或检查植物生理生态信息本质上是基于植物叶片光谱特征利用能反映植物生理生态的叶片生化组分物质吸收特征的光谱响应函数获取其组分和含量的过程。叶片的色素种类和含量与植被生理生态特性直接相关。叶绿素aChla是光化学反应过程中必须的色素分子，是光合化学反应的执行者；叶绿素bChlb是光化学反应中稳定集光色素蛋白复合体必须的色素分子，也是光化学反应过程中电子传递的天线分子；类胡萝卜素Cars与光合反应中心色素复合物能够吸收太阳辐射能，并将能量传递到光合作用系统，当辐射能超过光合作用所需时，类胡萝卜素组分叶黄素循环会耗散过剩能量，从而保护光合反应中心；花青素Ants能够修复叶片的光环境，具有潜在地调节光合作用和限制光抑制与光漂白作用的能力和光破坏的防御能力，可提高植物抗冰冻与抗干旱胁迫的能力；不同植物在不同生育期和不同逆境条件下，叶片色素含量具有不同生理生态比例。因此。正确认知各种色素在光与叶片相互作用中的吸收特征函数关系，可建立准确监测植物叶片生理生态信息的光学辐射传输模型。现今多数叶片色素光学辐射传输模型仍然以总叶绿素Chls或总叶绿素+类胡萝卜素Chls+Cars吸收特征函数关系认知光与叶片相互作，来模拟植物叶片生理生态信息提取的光谱特征。如LEAFBRDF模型(Chls)、PROSPECT-5模型(Chls+Cars)和FluorMOD(Chls)模型等。很显然，利用植物叶片Chls或Chls+Cars对不同理生态的条件下叶片光学属性的模拟是不全面，尤其是逆境条件下的植物体，如多数植物在低温胁迫诱因条件下花青素含量升高的叶片；植物体受胁迫下，Chla/b异常的叶片。因此，为了更好的监测和评价植物生理生态特征，光与多色素叶片相互作用的模拟模型成为利用植被光学遥感监测植物生理生态信息的趋势和需求。技术实现要素：为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种光与叶片相互作用的模拟(FrameworkofOpticalLeafInteractionsforUnderstandingandModeling；FOLIUM)模型，实现能够利用可反映植物生理生态的光合色素和非光合色素模拟叶片光谱特征方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：FOLIUM模型与多色素叶片光谱模拟方法是基于光与植物叶片相互作用的认知与模拟(FOLIUM)模型与多色素叶片光谱特征模拟方法，包括以下步骤：S1.利用纯色素在有机溶液的光谱特征，通过微分分析方法确定每种色素的吸收峰个数，同时引入一个相对有机溶液中吸收峰位移参数，并利用G-L函数构建叶片吸收系数函数；S2.基于S1中新的叶片吸收系数函数、平板模型和N层叶片光学辐射框架构建FOLIUM模型；S3.利用LOPEX_ZJU数据集、最小距离光谱拟合和最小二乘法获取S2中构建的FOLIUM模型的各种色素特定吸收系数和叶片平均折射系数等参数；S4.利用LOPEX_ZJU数据集，结合S3中获取的模型参数进行方向半球反射率和方向半球透射率进行模拟和精度验证，并与PROSPECT-5进行比较与分析。本发明的优点是：结合植物叶片色素吸收特征函数表达光与植物相互作用构建多色素光学辐射传输(FOLIUM)模型，并通过FOLIUM模型利用叶片光合色素(叶绿素a、叶绿素b、和类胡萝卜素)和非光合色素(花青素)多种色素含量能够模拟其叶片方向半球反射和透射光谱，进而补充完善了PROSPECT-5对多种色素叶片光谱模拟能力。附图说明图1各种色素标准样品在混合有机溶液(乙腈/甲醇/乙酸乙酯；60:20:20；v/v/v)吸收光谱特征。其中，图1a和图1b分别表示浓度为0.2mg/ml的色素(Lu,An和Ze)与(Vi,β-car和Ne)色素的吸收光谱；而Chla,Chlb和Ants的吸收光谱特征为(c)，它们的浓度分别是0.01mg/ml、0.01mg/ml、和0.05mg/ml；图2为FOLIUM与PROSPECT-5模型对不同叶绿素浓度叶片光谱模拟(灰色线)与实测光谱(黑色线)的比较，其中，图2a与图2d、图2b与图2e、图2c与图2f分别代表低、中、高叶绿素浓度的叶片；图3为对不同花青素浓度叶片光谱模拟(灰色线)与实测光谱(黑色线)的比较，其中，图3a与图3d、图3b与图3e、图3c与图3f分别代表低、中、高花青素浓度的叶片；图4FOLIUM与PROSPECT-5模型对含有光合色素(叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素)和非光合色素(花青素)叶片方向半球反射和透射光谱模(DHR和DHT)拟局部验证；图5是本发明的方法流程示意图。具体实施方式下面结合附图，进一步说明本发明。发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于FOLIUM模型与多色素叶片光谱模拟方法，包括以下步骤：S1.利用纯色素在有机溶液的光谱特征，通过微分分析方法确定每种色素的吸收峰个数，同时引入一个相对有机溶液中吸收峰位移参数，并利用G-L函数构建叶片吸收系数函数；S2.基于S1中新的叶片吸收系数函数、平板模型和N层叶片光学辐射框架构建FOLIUM模型；S3.利用LOPEX_ZJU数据集、最小距离光谱拟合和最小二乘法获取S2中构建的FOLIUM模型的各种色素特定吸收系数和叶片平均折射系数等参数；S4.利用LOPEX_ZJU数据集，结合S3中获取的模型参数进行方向半球反射率和方向半球透射率进行模拟和精度验证，并与PROSPECT-5进行比较与分析。所述的步骤S1中重新构建叶片吸收系数函数，包括以下：(1)纯色素在有机溶液的光谱特征：利用岛津UV-VIS分光光度计对混合有机溶液中特定浓度的纯色素(Chla、Chlb、Cars(β-胡萝卜素(β-Car),紫黄质(Vi),花药黄质(An),玉米黄质(Ze),新黄质(Ne),叶黄质(Lu)和Ants)分别进行350-800nm区间的吸收光谱采样，其结果见说明书图1。(2)每种色素的吸收峰个数：利用纯色素在有机溶液中的光谱曲线，结合一阶微分或二阶微分的方法，获取每种纯色素在有机溶液中的明显的吸收峰的个数与峰位。为了保证FOLIM模型中各种色素特定吸收系数分离的精度，Cars中各种细分色素相应吸收峰合并(其原因Cars中各种细分色素相应吸收峰之间距离小于10nm)，选择Chla、Chlb、Cars和Ants，为FOLIUM模型的目标色素反演对象。其结果见下表1。表1各种叶片色素标准样品在有机混合液中吸收光谱对应的吸收峰峰位(3)G-L函数：该函数是高斯(G)和洛伦茨函数(L)的联合函数，常用于吸收光谱的吸收峰分离中，该函数在吸收峰分离过程中不受各种物质吸收特征的波段重叠特性影响，也不受各物质浓度之间高的线性相关性的影响，并且该函数能够客观的反映物质吸收光谱形成物理机制，因此，引入G-L函数表达FOLIUM模型的各种目标色素特定吸收系数，有助于FOLIUM模型的各种目标色素特定吸收系数分离过程中，消除各种色素之间的光谱重叠特征引起的各种色素光谱信息之间的“叠掩”现象，FOLIUM模型的各种目标色素特定吸收系数表达形式为：Ai,i`,p(λ)=Ai,i`,vAi,i`,he-4ln2(Ai,i`,p-λAi,i`,w)2+(1-Ai,i`,v)Ai,i`,h1+4(Ai,i`,p-λ)2Ai,i`,w-2---(1)]]>其中，Ai,i`(λ)、Ai,i`,v、Ai,i`,h,Ai,i`,p和Ai,i`,w分别表示有机溶液中第i种色素、第i`个吸收峰函数、高斯比重、峰高、峰位和半高波宽；i可为Chla、Chlb、Cars或Ants；i`可为1、2、3或4。λ表示波长；e为自然常数。(4)纯色素在有机溶液和活体叶片中吸收特征的关系在可见光和紫外线光区域，光敏物质的吸收光谱特征是来源于这些物质分子结构中生色团分子的电子跃迁的光谱特性。不同介质中电子跃迁的介电常数不同，其中介电常数的大小与介质极性相关，介质的极性越强介电子跃迁能力越弱，为此，所处介质的极性越强光敏物质在该介质中光谱特性越弱，吸收光谱中可使用导数方法获取的吸收峰个数会减少。而植物鲜叶(活体叶片)通常其含水量超过鲜重50％，因此，活体叶片介质可以被认为是水分环境极性介质。又因为水和有机溶液介质极性的关系是：水>乙腈>甲醇>乙酸乙酯，因此，活体叶片各种色素特定吸收系数的吸收峰个数小于或等于这些相应色素标准样品在混合有机溶液(乙腈/甲醇/乙酸乙酯)中的对应的吸收系数的吸收峰个数；由于光敏物质在不同极性介质，其生色团分子结构会发生微型异构，导致这些物质在不同极性介质中其吸收光谱中的吸收峰峰位会发生向长波方向或者短波方向漂移。而活体叶片与有机溶液(乙腈、甲醇和乙酸乙酯混合液)的极性之间存在着一定差异，因此，活体叶片色素特定吸收系数吸收峰峰位相对在乙腈、甲醇和乙酸乙酯混合液中相应色素吸收峰峰位存在一定的差异(Ki,i`,Δλ)，为此，活体叶片中各种色素特定吸收系数的吸收峰峰位(Ki,i`,p)可以表达为：Ki,i`,p＝Ai,i`,p+Ki,i`,Δλ(2)(5)FOLIUM模型的叶片吸收系数函数结合S1中的(3)和(4)活体叶片中的各种色素的特定吸收系数的吸收峰函数(Ki,i`(λ))可以表达为：Ki,i`(λ)=Ki,i`,v·Ki,i`,h·e-4ln2·(Ki,i`,p-λKi,i`,w)2+(1-Ki,i`,v)Ki,i`,h1+4(Ki,i`,p-λ)2Ki,i`,w-2---(3)]]>其中，Ki,i`,v、Ki,i`,h,Ki,i`,p和Ki,i`,w分别活体叶片中的各种色素的特定吸收系数的吸收峰的高斯比重、峰高、峰位和半高波宽。由于各种色素的特定吸收系数(Ki(λ))是其各个吸收峰波普特征(Ki,i`(λ))的叠加，因此，色素的特定吸收系数函数可以表达为：Ki(λ)=Σi`=1i`Ki,i`(λ)---(4)]]>根据平板模型中的吸收系数原理，叶片的吸收系数与叶片的结构参数、叶片各种生化组分的特定吸收系数和相应生化组分含量存在特定的函数关系，为此，叶片吸收系数函数(τ)可以表达为：τ=(1-k(λ))e-k(λ)+k(λ)2∫k(λ)∞x-1e-xdx---(5)]]>其中i可代表Chla、Chlb、Cars或Ants；CChla、CChlb、CCars和CAnts为Chla、Chlb、Cars和Ants在叶片中的含量；K0(λ)为叶片基准吸收系数，即在模型目标光谱区间内，除各种色素吸收特征之外的，为植物叶片所必须的物质(蛋白质、核酸和酚类物质等)的吸收特性。所述步骤S2中，构建叶片多色素光学辐射传输(FOLIUM)模型，有以下内容：(1)FOLIUM模型构建结合S1中构建的叶片吸收系数函数，基于平板模型和N层叶片光学辐射传输框架构建叶片多色素遥感反演模型(FOLIUM)，最终，FOLIUM模型的光学方程表达为：RN,out→1st=R1st,a→l(β,m‾la,τ)+T1st,a→l(β,m‾la,τ)RN-1(90,m‾la,τ,N)T(90,m‾la,τ)1-RN-1(90,m‾la,τ,N)R(90,m‾la,τ)---(7)]]>TN,out→1st=T1st,a→l(β,m‾la,τ)TN-1(90,m‾la,τ,N)1-RN-1(90,m‾la,τ,N)R(90,m‾la,τ)---(8)]]>其中RN,out→1st和TN,out→1st是光由空气照射到叶片表面时，N层叶片的方向半球反射率和透射率；和是光由空气照射到叶片表面时N层叶片结构中第一层叶片单元层的方向半球反射率和透射率，并且可以由模型参数β(入射光立体角内最大的入射光天顶角来表示，通常设为40°)、(叶片平均折射系数)和τ(叶片吸收系数，见S1)定量表达；代表叶片内部单元层叶片在散射光条件(在叶片内部光的辐射传输方式，以散射的方式，为此，入射光立体角内最大的入射光天顶角为90°)的方向半球反射率和透射率，同样可以和τ定量表达；和为N-1层叶片单元层的方向半球反射率和透射率，并且可使用模型参数τ和N(叶片结构参数)进行定量表达。因此，FOLIUM模型参数共有3个：τ和N(2)FOLIUM模型运行与功能类似其他光学辐射传输模型，在FOLIUM模型运行前，模型参数(τ和N)需要先获取，其中τ可以由叶片的结构参数、叶片各种生化组分的特定吸收系数、相应生化组分含量和叶片基准吸收系数表达。而叶片各种色素的特定吸收系数和基准吸收系数是适用于含有色素和物质的叶片，因此，FOLIUM模型运行前，需要获取的模型参数为N、KChla(λ)、KChlb(λ)、KCars(λ)、KAnts(λ)和K0(λ)。在获取模型参数后，可以在FOLIUM模型的光学辐射传输方程中，通过输入叶片Chla、Chlb、Cars和Ants含量对其叶片进行方向半球反射和透射率光谱进行模拟，也可通过输入叶片的光谱变量(RN,out→1st和TN,out→1st)进行叶片的Chla、Chlb、Cars和Ants多种色素含量反演。对绿色叶片或花青素含量很低的叶片在FOLIUM模型中可以通过去掉KAnts(λ)CAnts函数项，进行叶片相应色素含量反演和光谱模拟。在本发明中只提供FOLIUM模型在含有Chla、Chlb、Cars和Ants叶片的方向半球反射和透射光谱模拟方法的介绍。所述步骤S3中，FOLIUM模型参数获取，内容如下：(1)LOPEX_ZJU数据集LOPEX_ZJU数据集中包括来源木本植物和草本植物、常绿乔木、灌木植物和作物及园林植物等12种阔叶植物叶片；采样于不同叶龄时期、含有叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和花青素浓度范围较为广泛的60个植物叶片样本，其中，也包括一个含有痕量色素的白化叶片；并使用UV-36000+积分球采集了400-2400nm范围内的方向半球反射和透射光谱，同时，也包括用于FOLIUM模型构建时用到的辅助数据叶片水分含量。(2)叶片结构参数获取叶片结构参数是在光学辐射传输方程中定量表达叶片解剖结构特征的特征参数，也定量光在叶片内部辐射传输的光程。使用叶片光谱特征中受生化组分吸收特征最小的区域(近红外区域)的反射率最大值、透射率最大值和吸收率最小值，使用最小光谱拟合法在FOLIUM模型中获取叶片结构参数，具体表达式如下：χ(N)=Σi=13(Rmea(λi)-Rmod(λi))2+(Tmea(λi)-Tmod(λi,βmax))2---(9)]]>其中，Rmea(λi)和Tmea(λi)分别表示在波段λi叶片实测的反射率和透射率；Rmod(λi)和Tmod(λi)分别表示使用FOLIUM模型在波段λi模拟的反射率和透射率；λi(i＝1,2,3)共有三个波段分别是反射率最大的波段、透射率最大的波段和吸收率最小的波段。(3)叶片基准吸收系数获取由于叶片基准吸收系数(K0)是代表除色素物质之外在目标光谱区间范围内，其他光敏物质的吸收特征系数，白化叶片含有痕量色素可以忽略，因此，使用白化叶片获取活体叶片中的基准吸收系数，具体表达公式如下：χ(K0(λ))=Σλ=400800(Rmea,0(λ)-Rmod(λ,N0))2+(Tmea,0(λ)-Tmod(λ,N0))2---(10)]]>其中，Rmea,0(λ)和Tmea,0(λ)分别表示在波段λ白化叶片实测的反射率和透射率；Rmod(λ)和Tmod(λ)分别表示使用FOLIUM模型在波段λ模拟的白化叶片反射率和透射率；N0代表白化叶片结构参数；λ的波段范围为：400-800nm，并使用最小二乘法优化迭代获取K0。(4)叶片单一色素特定吸收系数和平均折射系数获取FOLIUM模型可反演的色素种类包括Chla、Chlb、Cars和Ants，进而，需要获取的色素的特定吸收系数为：KChla(λ)、KCars(λ)、KCars(λ)、KAnts(λ)，因此，获取这些色素特定吸收系数需要相应色素含量及具有这些色素特征的叶片的方向半球反射和透射光谱，在FOLIUM模型色素特定吸收系数获取过程中，采用LOPEX_ZJU数据库中数据进行参数获，具体表达式如下：χ(m‾la,Ki)=Σλ=400800(Rmea(λ)-Rmod(λ,N,Ai,i`,p,Ci,K0))2(Tmea(λ)-Tmodλ,N,Ai,i`,p,Ci,K02---(11)]]>其中，Rmea(λ)和Tmea(λ)分别表示参试叶片实测的方向半球反射率和透射率；Rmod(λ,N,Ai,i`,p,Ci,K0)和Tmod(λ,N,Ai,i`,p,Ci,K0)代表使用FOLIUM模型参数(N,K0)输入Ai,i`,p(各种色素在有机溶液中的吸收峰峰位)、参试叶片的各种色素含量(Ci)和相应叶片的实测的光谱数据(Rmea(λ)和Tmea(λ))在400-800nm光谱区间的方向半球反射和透射光谱的模拟值。通过使用最小二乘法的优化方法迭代，获取叶片各种色素特定吸收系数(Ki)同时也可获取叶片的叶片平均折射系数所述步骤S4中，FOLIUM模型对多种色素叶片方向半球反射和透射光谱的模拟与精度验证，内容如下：(1)FOLIUM模型对多种色素叶片方向半球反射和透射光谱模拟在叶片光学辐射传输模型中，利用模型参数，通过输入叶片生化组分含量直接计算叶片光学属性(光谱特征)称为光学辐射传输模型的正向功能，同样FOLIUM模型的正向光谱模拟功能就是利用模型参数(N、K0、KChla(λ)、KChlb(λ)、KCars(λ)、KAnts(λ)和)，通过输入叶片色素(Chla、Chlb、Cars和Ants)含量直接计算叶片的方向半球反射和透射光谱，并与PROSPECT-5进行比较，其结果可见说明书图2与图3。从图2和图3可以获得：与PROSPECT-5模型的光谱模拟进行对比，FOLIUM模型不仅能够像PROSPECT-5准确地模拟绿色叶片的反射透射光谱，而且也能够相对PROSPECT-5更加准确的模拟花青素含量较为明显彩色叶片的光谱特征；(2)FOLIUM模型光谱模拟的精度验证(21)FOLIUM模型光谱模拟精度验证的评价函数对FOLIUM模型光谱模拟的精度评价函数有：均方根误差(RMSE)、偏差(BIAS)和校正标准差(SEC)，具体的函数表达式为：RMSE=Σj=1n(yj′-yj)2n;---(12)]]>BIAS=Σj=1n(yj′-yj)n;---(13)]]>SEC=Σj=1n(yj′-yj-BIAS)2n;---(14)]]>其中，y′j为测试叶片样本光谱的实测值,是测试叶片样本光谱的平均值；yj是测试叶片样本光谱的模拟值；n为叶片样本的数量；j为测试叶片样本的数量。(22)FOLIUM模型光谱模拟精度验证的评价在FOLIUM模型光谱模拟精度验证的评价中，分为全局评价和局部评价。其中，全局评价是使用参试叶片光谱模拟评价函数在400-800nm全波段的平均值；局部评价即在400-800nm逐波段的函数(RMSE、BIAS和SEC)的特征。同时，利用同源数据进行与PROSPECT-5模型对光谱模拟精度的比较分析。FOLIUM模型光谱模拟精度验证的全局精度评价FOLIUM对LOPEX_ZJU中的叶片光谱模拟精度DHR_RMSE＝0.027<0.03；DHT_RMES＝0.021<0.03；DHR_BIAS＝0.004<0.01；|DHT_BIAS|＝0.001<0.01；DHR_SEC＝0.026<0.03；DHT_SEC＝0.027<0.03；因此，FOLIUM模型能够精确的模拟叶片光谱特征。而PROSPECT-5DHR_RMSE＝0.045>0.03；DHT_RMES＝0.027<0.03；DHR_BIAS＝0.011>0.01；DHT_BIAS＝0.001<0.01；DHR_SEC＝0.04>0.03；DHT_SEC＝0.027<0.03，因此，在PROSPECT-5在LOPEX-ZJU数据集叶片的光谱：对方向半球反射率模拟效果较差，而对方向半球透射率模拟相对较好的。在两个模型比较中，PROSPECT-5在LOPEX-ZJU数据集中对叶片光谱模拟精度总体上低于FOLIUM模型。表2使用LOPEX_ZJU中相同参试叶片对FOLIUM和PROSPECT-5模型叶片光谱模拟精度的对比分析FOLIUM模型光谱模拟精度验证的局部精度评价FOLIUM模型对LOPEX_ZJU数据集中叶片的光谱模拟精度(详见说明书图4)：在400-800nm范围内，DHR和DHT的RMSE、BIAS和SEC均小于0.05；而PROSPECT-5的光谱模拟精度：在500-600nm范围内DHR和DHT的RMSE和SEC均有大于0.05的波段存在，其原因为，在该波段正好为花青素的吸收特征波段所在的范围，对于PROSPECT-5，在叶片吸收系数光学辐射传输方程中，不包括花青素函数项，为此，PROSPECT-5不能准确的模拟含有花青素叶片的光谱特征。而FLOIUM模型能够准确模拟含有叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和花青素的多种色素信息的叶片的方向半球反射和透射光谱特征。本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。当前第1页1 2 3