一种植物叶片反射光谱的背景扣除方法
【专利摘要】本发明公开了一种植物叶片反射光谱的背景扣除方法，在PLATE模型假设的基础上建立BPLT模型，并以BPLT模型为基础，建立植物叶片反射光谱的背景扣除公式：得到背景扣除后的植物叶片反射率，其中：R为背景扣除后的植物叶片反射率，R12为空气到植物叶片的界面反射比，R21为植物叶片到空气的界面反射比，τ为植物叶片的透射系数。本发明解决不同背景引起植物叶片反射光谱偏离真实值，准确率较低的问题，大大提高了植物叶片反射光谱的测量精度，易于实现和操作。
【专利说明】一种植物叶片反射光谱的背景扣除方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及植物叶片光学性质检测领域，尤其涉及一种植物叶片反射光谱的背景 扣除方法。
【背景技术】
[0002] 植物叶片作为植物冠层的主要组成部分，是植物冠层与太阳能作用的最重要部 分，掌握植物叶片反射率与其生物化学特性相互作用的生理过程，是了解植物与外界环境 物质和能量交换，如：光合作用、蒸发、呼吸作用、初级生产、分解等的关键。国内外大量研究 表明叶片的叶绿素、水、蛋白质、纤维素等含量与植物叶片的反射率有着密切的联系。准确 且无损测定植物叶片的反射光谱，建立其与叶片营养成分的关系，在农作物估产、农情监测 等领域有着重要的意义。
[0003] 在对叶片反射光谱监测的过程中，国内外学者考虑到叶片的茸毛，表皮蜡质含量 等叶片结构因素对叶片反射光谱的影响，对植被生化组分进行较准确的估计。而在植物叶 片光学特性采集过程中，外界因素即试验对象的背景因素也对植物叶片的反射光谱存在较 大影响。光部分被植物叶片吸收、反射，还有部分透过植物叶片照射到植物叶片所处的背景 上，被背景反射，仪器最终接收的反射信息并非完全来自植物的反射，还有部分来自植物叶 片所处的背景的反射，使得植物叶片反射光谱会不同程度的偏离真实值，降低了植物叶片 的反射光谱的真实测量的精度。
[0004] 目前现有的背景扣除方法中多采用多项式拟合法、光谱相减法、kalman滤波法、导 数光谱法、小波分析法对连续背景干扰进行分析和研究，并获得了一定的成功，但上述方法 在医学血液生化指标测量以及溶液信号噪声分析应用较为广泛，并不适用于植物叶片的光 学性质检测，尤其是基于光谱性质叶片背景的扣除。
[0005] 叶片模型都是从有限个变量，例如叶绿素、水、干物质成分含量等来模拟叶片的反 射率和吸收率。这些模型基于不同的数学物理原理分为PLATE模型、N-Flux模型、Compact spherical模型、Radiative transfer模型等。Allen等人提出可以描述光线在致密叶片 内部的传输过程的PLATE模型，PLATE模型将叶片看作半透明的有均匀粗糙表面的各向同 性吸收平板，并假定光线是各向同性平行的。光线在平板内部发生朗伯散射。光线部分反 射、部分吸收、部分透射。两个参数是叶片折射率和叶片吸收系数。此模型已成功的用于致 密玉米叶片反射率的模拟。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种植物叶片反射光谱的背景扣除方法，以解决不同背景引起植物 叶片反射光谱偏离真实值，准确率较低的问题。
[0007] 本发明所采取的技术方案为：
[0008] -种植物叶片反射光谱的背景扣除方法，包括以下步骤：
[0009] (1)选取不同的植物叶片背景，测量不同背景的反射率；
[0010] (2)将植物叶片置于不同背景上，测量不同背景下植物叶片的反射率；
[0011] (3)假设所述植物叶片为半透明状，具有均匀粗糙的表面，叶片内部结构呈紧密平 板状且无明显分层的结构，且光在叶片内部只发生反射、透射和吸收作用；
[0012] 以所述背景的反射率、该背景下植物叶片的反射率为输入变量，以空气到植物叶 片的界面反射比、植物叶片到空气的界面反射比和植物叶片的透射系数为输出变量，建立 BPLT模型，如式（1)所示：
[0013]
【权利要求】
1. 一种植物叶片反射光谱的背景扣除方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 选取不同的植物叶片背景，测量不同背景的反射率； (2) 将植物叶片置于不同背景上，测量不同背景下植物叶片的反射率； (3) 假设所述植物叶片为半透明状，具有均匀粗糙的表面，叶片内部结构呈紧密平板状 且无明显分层的结构，且光在叶片内部只发生反射、透射和吸收作用； 以所述背景的反射率、该背景下植物叶片的反射率为输入变量，以空气到植物叶片的 界面反射比、植物叶片到空气的界面反射比和植物叶片的透射系数为输出变量，建立BPLT 模型，如式⑴所示： i?0=i?12+(l-/?Ι2)*〇-Α)*Γ2% + 4*Γ2)*(?+σ*(1-i?12)*(卜 i?21)) ( 1 ) 其中，σ为背景的反射率，R(1为该背景下植物叶片的反射率，R12为空气到植物叶片的 界面反射比，R21为植物叶片到空气的界面反射比，τ为植物叶片的透射系数； (4) 以所述BPLT模型的输出变量为输入变量，背景扣除后的植物叶片的反射率为输出 变量，建立植物叶片反射光谱的背景扣除公式，如式（2)所示： i?-/?l2+(l-/?l2)^(l-/?2l)^r2^(l + /?^r2)^2l ( 2 ) 其中，R为背景扣除后的植物叶片的反射率； (5) 任选3种或3种以上不同背景的反射率〇、对应背景下植物叶片的反射率&作为 BPLT模型的输入变量，求得BPLT模型的输出变量R12、R21和τ的值，将R12、R 21和τ带入 式（2)，即可得到背景扣除后的植物叶片的反射率。
2. 如权利要求1所述的植物叶片反射光谱的背景扣除方法，其特征在于，建立BPLT模 型时，假设条件为： 测量反射率时，假设入射光线为平行的各向同性光，即入射光线是各向同性平行的； 假设空气和植物叶片的界面、空气与背景材料的界面均为朗伯表面，在任意发射方向 上辐射亮度不变； 假设光在植物叶片上下表面只发生反射和透射现象。
3. 如权利要求1所述的植物叶片反射光谱的背景扣除方法，其特征在于，所述测量植 物叶片的反射率的光的波长范围为400-1000nm。
4. 如权利要求1所述的植物叶片反射光谱的背景扣除方法，其特征在于，所述的方法 中步骤（5)得到背景扣除后的植物叶片的反射率后，将反射率最低且稳定的背景&和建模 所得的R值进行比较，计算确定系数和残差平方和。
5. 如权利要求4所述的植物叶片反射光谱的背景扣除方法，其特征在于，所述的反演 的确定系数DC>0. 90且残差平方和SSE〈1时，进行反演。
【文档编号】G01N21/25GK104237140SQ201410476452
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】方慧, 张畅, 何勇, 刘飞 申请人:浙江大学