叶片辐射传输模型的用途主要有两个:（1）根据输入的生化参数和结构参数正向模拟叶片的反射率和透射率;（2）根据实测的叶片反射率和透射率来估算叶片的生化参数和结构参数。叶片类型是叶片辐射传输模型设计中需要考虑的一个基本因素。阔叶一般只有两个叶面,并且叶面可以视为平行或者近似平行的平面,由于从边缘透射出的辐射比例很小,因此阔叶的边缘效应一般可以忽略。而针叶和阔叶在叶片形态上差异较大,针叶窄且厚,可能不止有两个叶面,叶面也不一定是相互平行的平面,因此辐射在针叶中的传输过程要比阔叶复杂的多。根据本文对针叶方向半球反射率和透射率的定义,当前的观测手段如Daughtry提出的方法和Harron提出的方法获得的只是针叶的部分反射率和透射率而不是真实的反射率和透射率（详细解释请参考第错误!未找到引用源。节）。在实际的遥感应用中,如果将所观测的部分反射率和透射率当作真实的反射率和透射率带入到模型中去估算叶片生化结构参数,会导致叶片吸收率被高估,最终导致叶片生化结构参数被高估。由于缺失的反射率和透射率对应于从针叶边缘逸出的辐射比例,因此在对针叶进行辐射传输建模时,不能像对待阔叶一样将叶片视为无限延展的平板,必须要考虑针叶的边界条件。如何利用观测到的部分反射率和透射率来可靠的估算针叶的生化参数是一个需要解决的问题。根据Jacquemoud和Ustin（2008）关于叶片辐射传输模型的综述,叶片的辐射传输模型可以分为六大类:（1）平板模型;（2）紧凑球状粒子模型;（3）N辐射通量模型;（4）辐射传输方程;（5）随机过程模型;（6）光线追踪模型。在所有上述种类的模型中,只有LIBERTY和极少数的光线追踪模型能够适用于针叶。LIBERTY模型起源于Melamed理论和Benford理论。但是该模型在物理架构设计上存在缺陷,其对针叶适用性也有待商榷。因此,建立一个真正能用于针叶的辐射传输模型具有很重要的意义。为此,本论文的研究目标如下:（1）对LIBERTY模型对针叶的适用性进行分析;（2）利用敏感性分析对比LIBERTY和PROSPECT,发现两种模型之间的差异有限,同时论证LIBERTY模型在针叶光谱模拟和生化参数反演中存在的局限性;（3）提出一种新的针叶辐射传输模型—粒子串模型,该模型能够用于针叶反射率和透射率的模拟以及生化参数的反演。文章主要的工作和贡献总结如下:（1）LIBERTY模型在物理架构上存在缺陷的证据主要有两个。首先单层的透射率和理论值不一致。其次,进入单个粒子层内部的辐射被高估。LIBERTY模型的设计缺陷主要来自其使用的Melamed理论。原始的Melamed理论没有考虑粒子散射系数和单层散射系数的方向性变化,理论中一些辐射量也需要重新估算。LIBERTY模型最重要的缺陷是没有考虑针叶的特殊形态即边界条件。根据发现的设计缺陷,本文对LIBERTY进行了改进,改进后的LIBERTY模型简称为LIBERTYim。为了考虑粒子前向和后向散射系数的方向性变化,LIBERTYim引入了两个参数,分别是粒子后向散射系数的方向变化系数和粒子旁向散射系数的方向变化系数,并对单层的前向和后向散射系数重新进行了估算。LIBERTYim计算叶片反射率和透射率时采用Stokes理论取代了原始的Benford理论,这是因为两种理论的本质是一样的,并且Stokes理论要比Benford理论更简单。（2）通过理论分析,本研究发现改进后的LIBERTY模型和PROSPECT模型在物理架构上差异有限。两种模型都是建立在多层平板模型基础上,因为它们计算叶片反射率和透射率的方法（Stokes理论和Benford理论）本质上是一样的。LIBERTY和PROSPECT主要区别在于单层形态不同,PROSPECT模型中假设单层是一层平板,而LIBERTY模型假设单层是由均质的球状粒子构成。不同的单层形态导致了两种模型计算单层反射率和透射率的方法存在差异。LIBERTY模型在计算单层透射率时采取了一种间接的策略。由于针叶堆的反射率（即极限反射率）比较容易观测得到,因此LIBERTY首先利用极限反射率的一般形式结合单层反射率反推出单层透射率,然后将单层反射率和透射率带入到Benford理论中计算N层粒子的整体反射率和透射率,即叶片反射率和透射率:。为了说明LIBERTY 和 PROSPECT 之间的差异,本研究对 LIBERTY、LIBERTYim和PROSPECT5三种模型进行了 Sobel敏感性分析。由于三种模型输入的生化参数在数量和类型上存在差异,为了方便模型间对比,所有输入的生化参数均组合成一个参数即直径吸光度,该参数为生化参数和相应吸收系数的乘积之和。敏感性分析中模型参数的阈值由LOPEXT93数据集确定。通过对三种模型模拟的叶片反射率和透射率的敏感性分析,可以发现LIBERTYim和PROSPECT模型对各个输入参数的敏感性非常接近,而LIBERTY和LIBERTYim则差别很大。敏感性分析结果和理论分析结果相吻合,间接的证明了本研究对LIBERTY改进的正确性。由于PROSPECT是为阔叶而设计的,而LIBERTY和PROSPECT模型在物理架构上差异有限,并且LIBERTY和PROSPECT模型一样都是假设粒子层是无限延伸的,而实测得到的是部分反射率和透射率,因此该模型会高估叶片吸收率,从而高估叶片生化参数,所以LIBERTY在针叶的光谱模拟和生化参数反演中存在一定的局限性。（3）本研究提出了一种新的针叶辐射传输模型—粒子串模型并详细介绍了该模型的理论推导过程。粒子串模型需要输入单位体积的生化参数。在光谱模拟时有三个输出结果:反射率、透射率和旁向透射率。由于实测的反射率和透射率为部分反射率和透射率,因此本研究定义了一个旁向透射率来表示真实反射率和透射率与部分反射率和透射率之间的差异,该参数可以量化针叶的边缘效应。为了验证模型的性能,本研究将粒子串模型与考虑了边界条件的PROSPECT模型（PROSPECTzh）以及PROSPECT5进行了对比。模型所使用到的针叶数据集采集自加拿大安大略省。该数据集包含87个黑云杉叶片的反射率和透射率光谱、物理和生化参数观测数据。由于数据集中仅包含实测的叶绿素和类胡萝卜素含量,缺少其他生化参数的信息,因此我将研究的光谱区间限制在400 nm至690 nm波段范围内,并且假设该光谱区间仅受叶绿素和类胡萝卜素影响。粒子串模型需要先对粒子前向和后向散射系数进行定标,因此本研究在利用该模型进行光谱模拟的时候采用了 10次交叉验证方法,并重复验证了 100次。粒子前向和后向散射系数的定标通过一种循环算法实现。光谱模拟最后得到的是各个波段的决定系数R2、均方根误差RMSEP、偏差BIAS和校正偏差后的标准差SEPC。生化参数反演通过约束条件下Powell线搜索方法实现,为了方便模型对比,PROSPECTzh和PROSPECT5模型反演得到的单位面积的叶绿素和类胡萝卜素含量通过实测的针叶厚度和宽度转换成了单位体积的叶绿素和类胡萝卜素含量。光谱模拟的结果显示粒子串模型模拟得到的R2、RMSEP、BIAS和SEPC值都要比PROSPECTzh和PROSPECT5高,说明粒子串模型更能精确模拟针叶的反射率和透射率。在生化参数反演方面,粒子串模型估算得到的叶绿素和类胡萝卜素的 RMSE（161.82 μg/cm3和 62.86 μg/cm3）都要小于 PROSPECT5（356.58μg/cm3和 131.61μg/cm3）和 PROSPECTzh（227.21 μg/cm3和 80.61 μg/cm3）。所有结果表明粒子串模型能够应用于针叶的光谱模拟和生化结构参数反演。