【摘 要】
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植物光学辐射传输模型是植被遥感领域的基础模型之一,它能通过植被光谱定量反演叶片内部色素含量。传统的光学辐射传输模型认为叶片是一个平整的平面,而实际场景中植物冠层的叶片由于光温水热的变化会存在一定程度的卷曲,这个卷曲特性会显著改变叶片的多角度光谱,对后续色素反演等带来影响。但目前在该方面的研究较少。其原因:缺乏能够定量控制叶片空间状态的多角度光谱的采集装置和叶片多角度的光学辐射传输模型。针对上述问题
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植物光学辐射传输模型是植被遥感领域的基础模型之一,它能通过植被光谱定量反演叶片内部色素含量。传统的光学辐射传输模型认为叶片是一个平整的平面,而实际场景中植物冠层的叶片由于光温水热的变化会存在一定程度的卷曲,这个卷曲特性会显著改变叶片的多角度光谱,对后续色素反演等带来影响。但目前在该方面的研究较少。其原因:缺乏能够定量控制叶片空间状态的多角度光谱的采集装置和叶片多角度的光学辐射传输模型。针对上述问题,本研究拟开发一种能够定量测量卷曲叶片多角度光谱的测量装置,并对平整叶片和卷曲叶片的多角度光谱进行比较分析,为后续卷曲叶片多角度光学辐射传输模型研究提供数据基础;再基于传统叶片辐射传输模型PROSPECT,结合几何光学模型,构建平整叶片多角度辐射传输模型,即为卷曲叶片微平面多角度光学辐射传输模型;最后,在考虑叶片三维空间结构的基础上,耦合平整叶片光学辐射传输模型和光线追踪算法,构建卷曲叶片多角度辐射传输模型,为后续冠层尺度的遥感应用提供理论基础。本研究的主要内容及结果包括:（1）叶片多角度光谱测量装置开发及卷曲叶片光谱特性研究。开发了一种能够定量控制叶片空间状态（叶片压平程度和叶片方向）的多角度光谱测量装置。比较不同叶片压平程度和叶片方向下的光谱测量结果并进行方差分析,两种条件下P均小于0.05,存在显著差异。分析比较了780nm和1700nm波段下,平整叶片和卷曲叶片15°、30°、40°、55°光源天顶角下的多角度光谱,在光源天顶角为30°和40°时,卷曲叶片的光谱中首次发现双热点特征,平整叶片和卷曲叶片的多角度光谱热点分布及反射率大小存在显著差异。（2）构建了平整叶片多角度辐射传输模型PROSPECT-MA。分析PROSPECT模型叶片内部光辐射传输过程,基于PROSPECT模型,结合BRDF和BTDF模型,重构叶片内部辐射传输过程,构建任意光源方向和观测方向的叶片多角度辐射传输模型PROSPECT-MA模型。使用ANGERS数据库获取500nm-800nm模型参数（？）和Kchls。通过PROSPECT-MA对叶片反射光谱镜面组分的分离验证和模型色素反演进行模型精度验证。模拟计算光源入射天顶角为15°,入射方位角为180°,观测天顶角为45°,观测方位角为300°,315°,45°和60°下500-800nm波段的镜面反射分量,并与实测值比较,四个观测角度上的RMSE分别为0.0149,0.0102,0.0085,0.0089。在光源方位角为180°,光源天顶角为15°、30°、40°、55°四个角度下的半球方向上127个观测角度进行色素反演。四个光源天顶角度的色素反演平均RMSE分别为12.99μg/cm~2、14.88μg/cm~2、12.37μg/cm~2、14.14μg/cm~2,总体的平均RMSE为13.60μg/cm~2。半球方向角度上看,处于镜面方向的RMSE相对非镜面方向略微偏大。（3）构建了卷曲叶片多角度辐射传输模型PROSPECT-MART。主要包括叶片三维结构模型的构建、验证和PROSPECT-MART模型的构建和验证。叶片三维模型构建:使用静力学理论建立卷曲叶片主脉方向曲线动力学平衡关系,通过近似处理为标准抛物线方程（卷曲叶片曲率模型）。卷曲叶片边界函数则近似建模为椭圆。各卷曲叶片曲率模型决定系数R2为在0.8458到0.9645之间。卷曲叶片边界函数拟合的决定系数R2为在0.981到1之间。PROSPECT-MART模型构建:结合平整叶片多角度辐射传输模型PROSPECT-MA和光线追踪算法,考虑叶片三维结构（用前述卷曲叶片曲率模型和边界函数表示）,构建卷曲叶片辐射传输模型PROSPECT-MART。对比模型在670nm、780nm波段不同角度下BRDF的实测值和模拟值。在670nm波段,光源天顶角为15°、30°、40°、55°下RMSE为0.0079、0.0065、0.0041、0.003,平均RMSE为0.0053,在780nm波段下RMSE为0.0203、0.0158、0.0182、0.0224,平均RMSE为0.0192。使用500-800nm波段对46片叶片进行色素反演,15°、30°、40°、55°四个光源天顶角度的色素反演平均RMSE分别为15.97μg/cm~2、16.87μg/cm~2、16.65μg/cm~2、19.21μg/cm~2,总体的平均RMSE为17.17μg/cm~2。
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