CN103674852B - 一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用观测的多角度植被冠层反射率，结合5尺度几何光学模型计算阴叶和阳叶各自光化学反射指数的方法，属于植被遥感反演参数获取方法的研究领域。其步骤为：多角度观测系统的建立；多角度光谱反射率数掘的获取；计算不同观测角度的光化学反射指数；利用样地调查获取的植被冠层结构参数驱动改进的5尺度几何光学模型，计算不同观测角度阴阳叶的比例；分别计算阴阳叶的光化学反射指数，并分析光化学反射指数的空间变化特征。本发明可获取连续的多角度植被冠层光谱数据，用于计算光化学反射指数等植被指数，结合改进的5尺度几何光学模型，适用于任何坡度的坡地，快速有效计算阴叶和阳叶的光化学反射指数，精度也比较高。

Description

一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法

一、技术领域

本发明涉及一种利用多角度观测系统获取的植被冠层光谱反射率数据计算冠层阴叶和阳叶光化学反射指数的方法，具体地说，是指一种改进的利用观测的多角度植被冠层反射率结合改进的5尺度几何光学模型，计算不同太阳天顶角不同观测角下，植被冠层阴叶和阳叶各自光化学反射指数的方法，属于植被遥感反演参数获取方法的研究领域。。

二、背景技术

陆地生态系统的碳吸收能力用植被初级生产力表示，可定义为单位面积植被吸收的光合有效辐射(400-700nm)通过一系列生化反应生产的有机物质总量。光能利用率是植物利用光合有效辐射生产有机物质的效率，是植物光合作用的重要概念，也是遥感模型监测植被生产力的关键参数。目前，已经建立了许多利用遥感数据计算生态系统总初级生产力和净初级生产力的模型(如：CASA，Bio-BGC，VPM，GLO-PEM等)，这类模型具有机理明确、计算简便、生理生态参数需求较少和易于与遥感数据相结合的优点，已成为大尺度总初级生产力和净初级生产力估算的主要方法。

现有的总初级生产力和净初级生产力遥感计算模型多通过考虑环境条件变化(温度、水分)对最大光能利用率的胁迫求取实际光能利用率。然而，光能利用率不仅与温度和水分条件有关，还与植被的种属、生态型、叶面积指数、光照强度、直射与散射光比例、植被的营养状况(叶氮含量)及植被的生长阶段等因素密切相关，还具有明显的日变化和季节变化特征。如何利用遥感手段可靠确定光能利用率，是总初级生产力和净初级生产力遥感计算模型应用所必需解决的一个关键问题。

研究表明，光化学反射指数(PhotochemicalReflectanceIndex，PRI)在估算植被光能利用率方面具有极大的潜力。光化学反射指数最初由Gamon等人在对向日葵生化特性的短期变化探测基础上提出的，该参数表示为PRI＝(R531-R570)/(R531+R570)，R531和R570分别为测量波段(531nm)和参照波段(570nm)的反射率。

入射光被叶片吸收后，有三个可能的去向：一是用于推动光化学反应；二是转变成热散失：三是以荧光的形式发射出来。三者之间存在此消彼长的关系。如果入射光强超过光合作用能够使用的能量，多余的光能要转换成热散失，以避免光合机构受到破坏。光能的热散失是叶黄素从环氧化状态转变为脱环氧化状态的结果，而这种色素形态的变化会导致531nm处反射率的下降，但对570nm处的反射率却几乎没有影响。因此，光能利用率越高，热散失越少，531nm处反射率的下降越少，光化学反射指数就越高。光化学反射指数与光能利用率成正相关关系，这就是光化学反射指数可以估算光能利用率的机理原因。

在叶片尺度上对光化学反射指数的研究主要关注的是是植物体受环境胁迫时的响应机制，以及光化学反射指数-光能利用率的关系受植物体自身生理生化条件等因素对光化学反射指数-光能利用率关系的影响。由叶片尺度扩展到冠层尺度，光化学反射指数-光能利用率之间的关系除了与植物体自身生理特性有关之外，更多的受到观测角度光照几何特性和植被冠层结构特征的影响，使得冠层光化学反射指数-光能利用率之间关系远比叶片复杂。研究手段主要是借助不同的遥感平台进行观测，可分为地面观测、航空观测和航天观测三种。由于地面传感器几乎不受大气影响，各种干扰因素比较容易控制，在自然条件下可以详细研究各个影响因子，以便于解释和模拟航空航天观测的不确定性，因此很多研究利用地面传感器测量光化学反射指数，尝试建立光化学反射指数-光能利用率关系。Gamon等人最早在两个塔之间悬挂安置一个轨道，观测了整个夏季山杨的光谱特征。Nichol等人在“Remotesensingofphotosyntheticlightuseefficiencyofasiberianborealforest”文中提到，在近地面测量了西伯利亚北部欧洲赤松林的冠层光化学反射指数，发现光能利用率与光化学反射指数有非常好的线性关系(R²＝0.97，p＜0.001)。在“RemoteSensingofEnvironment”2008年第112卷“SeparatingphysiologicallyanddirectionallyinducedchangesinPRIusingBRDFmodels”一文中，Hilker等人在通量塔上搭建一套多角度光谱观测系统，利用其观测数据，发现一片北美花旗松的光化学反射指数与光能利用率的关系，发现两者存在显著的相关性(R²＝0.88)，其观测方法为本发明提供了理论指导。

近年来，随着通量观测技术的发展，有关生态系统尺度光化学反射指数与光能利用率之间关系的研究不断涌现，证明了可以利用光化学反射指数估算光能利用率，但也发现光化学反射指数与光能利用率之间关系存在很大的时空变异，受到叶倾角分布、太阳天顶角、观测角和冠层结构等很多因素的影响。此外，光学遥感观测受到冠层的二向性反射的影响，单一角度的观测无法排除众多因素的干扰。而且，现有的研究都没有考虑植被冠层内部阴影叶片(即阴叶)和光照叶片(即阳叶)在光化学反射指数和光能利用率方面的固有差别，必然会影响到冠层光化学反射指数与光能利用率之间关系结论。越来越多的研究开始认识到阴叶和阳叶光化学反射指数的差别，试图借助几何光学模型从冠层观测数据中对其进行分离，以建立更好的光能利用率遥感估算模型。

三、发明内容

本发明的目的是：

提供一套利用多角度观测系统同时获取太阳入射光谱和植被冠层多角度反射光谱的方法，用于计算植被冠层不同角度的反射率，结合5尺度几何光学模型，模拟不同太阳天顶角下特定观测角度阴叶和阳叶的比例，进而估算阴叶和阳叶各自的光化学反射指数，作为准确估算冠层阴叶和阳叶光能利用率的基础。

本发明的原理如下：

利用一套安装在通量塔上的全自动多角度光谱观测系统，该系统主要由以下设备组成：可同时获取太阳入射光和植被反射光的双通道光谱仪、可垂直水平旋转的云台、可长距离传输信号的数据转换器及通信线缆，以及装载自动观测软件平台的电脑。该系统可长期获取每日连续的太阳入射光谱和多角度的植被冠层反射光谱，用于计算冠层反射率，进而计算光化学反射指数，可获得不同太阳入射光强下的光化学反射指数变化趋势。结合5尺度几何光学模型，根据实测的冠层结构参数，模拟不同时刻不同太阳天顶角特定观测角度阴叶和阳叶的比例，消除冠层二向性反射的影响，精确估算该观测角度瞬时的阴叶和阳叶各自的光化学反射指数。

本发明的技术方案主要包括以下步骤：

(1)首先建立光谱观测硬件系统。双通道光谱仪由美国PPSYSTEMS公司生产，型号为Unispec-DC，机器自身装有一台微型电脑，但为了与塔下的电脑直接通信，需先将光谱仪内部跳线重新设置，通过RS232接口传输信号。通道1接下行光纤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。通道2接上行光纤配合视角调试管使用，测冠层反射光谱，瞬时视场角为20°，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。旋转头水平旋转范围是-159°～159°，垂直旋转范围是-42°～37°，安装45°的支架后，探头观测天顶角的垂直范围改为3°～82°，可模拟一天内太阳天顶角的变化。

光谱仪与云台的信号传输接口均为RS232，为长距离传输，需要用数据转换器将RS232转为RS422，连接电脑时还需再将RS422转回RS232，RS232转成USB接口与电脑连接。由于光谱仪自身数据传输的特性，两个数据转换器间需要用交叉连接的8针RJ45线缆连接，交叉方式为1和3对接，2和6对接。云台与下行光纤均安装在室外的水平架上，云台控制器和光谱仪主机安装在防水箱内，放置于塔上。

(2)软件控制。观测系统的软件由MATLAB与C语言混编，主体为MATLAB图形界面编写的程序。程序主要由光谱仪与云台的初始化、光谱仪扫描、云台转动、数据采集和数据存储等部分组成，另外包含一个模拟卫星过境部分，通过预测MODIS卫星过境时间和传感器扫描角度，控制云台旋转至相同角度进行观测，每天模拟Terra和Aqua各两次过境。光谱数据和角度约3秒采集一次，每15分钟保存至一个文件，一天96个文件。云台通过水平和垂直旋转改变观测方位角和观测天顶角，有常规旋转和模拟太阳天顶角两种旋转模式，常规旋转是固定观测天顶角(37°、47°、57°或42°、52°、62°)，改变观测方位角，方位角一次改变10°。由于上行光纤由45°支架支撑，可以保证模拟一天内太阳天顶角的变化，每15分钟开始时观测天顶角设定为当时的太阳天顶角，观测方位角10°一步，水平旋转一周后转为常规旋转模式。

(3)数据处理。观测过程中每15分钟生成的文件为MATLAB特有的mat文件，由太阳入射光谱、冠层反射光谱、太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角等部分构成，为方便海量数据的计算与分析，需将其筛选转换为EXCEL表格。利用MATLAB编写程序，实现有效光谱波段数据及角度等数据的批量选取与转换，并去除因仪器自身和传输过程的噪声产生的异常数据。

(4)多角度光化学反射指数(PRI)计算。PRI是一种归一化的植被指数，计算方法如下：

$\mathrm{PRI}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{531}-{\mathrm{\ρ}}_{570}}{{\mathrm{\ρ}}_{531}+{\mathrm{\ρ}}_{570}}---\left(1\right)$

根据公式(1)，首先要计算531nm和570nm处的反射率。由于光谱仪自身波段设置的特性，两个波段的反射率由以下公式计算：

ρ₅₃₁＝0.6ρ_529.7+0.4ρ₅₃₃(2)

ρ₅₇₀＝0.8ρ_569.4+0.4ρ_572.8(3)

由于两根光纤及两个光谱通道对光的响应不同，且随波长变化，需要用白板进行校正。校正方法是余弦接收器依旧水平向上测太阳光辐亮度，上行光纤垂直对准标准白板测反射光辐照度，获取各波段辐照度与辐亮度的比值ρ’。公式(2)、(3)的计算结果除以各自波段的ρ’即可得用于计算PRI的反射率。

(5)多角度光化学反射指数空间变化分析。为分析光化学反射指数在不同观测天顶角和方位角的空间变化特征，利用MATLAB编写可视化程序，制作不同观测天顶角和方位角的光化学反射指数的三维分布图。

(6)阴叶和阳叶光化学反射指数的计算。利用光线追踪法改进的5尺度几何光学模型可用于计算冠层特定观测角阴叶和阳叶的比例。首先对冠层中叶片空间角度分布进行描述，然后定义某个角度的视线射入此观测，如果这条视线可以碰到任何叶片，再判断太阳入射光是否也能照射到视线触及的叶片点。重复此过程，该观测角视场内的阳叶就可以分离出来。

对于叶片的空间角度分布，首先假设叶片是随机分布的，选择冠层内一个点为原点，定义每个叶片的法向量，从而算出每个叶片的空间角度和空间位置。

设定观测方位角为0，通过改变观测方位角θ_V和太阳入射角θ_S模拟多角度观测，视线的入射面由视线的方向向量和观测点来定义。视线由入射面逐点的发出，如果发出的视线与叶片没有交点，则不进行计算；如有交点，则可找出第一个交点。然后根据太阳入射光和视线的方向向量，以及叶片的法向量判断该交点是否被太阳光照射。如果该交点与太阳光之间有其他叶片遮挡，或者该交点与太阳入射光和叶片的交点不在同一面，则判定此视线看到的是阴叶，否则为阳叶。光线追踪进程结束后，可求得视线内阳叶点占所有观测点的比例S_v。由于观测点包含背景点(可视的地面点)，设观测到背景的比例为P_vg(此比例的计算不属于本发明的内容)，则在任意坡度上的植被冠层可观测到阳叶的比例P_st为：

P_st＝S_v/(1-P_vg)(4)

可观测到阴叶的比例P_at为：

P_at＝1-P_st-P_vg(5)

为驱动改进的5尺度几何光学模型，需要进行样地调查精确测定若干结构参数，主要有叶面积指数、枝下高、冠层高度、树梢高度、冠幅、树梢半角值等参数。模型由MATLAB编写程序实现应用。

与现有技术相比，本发明优势体现在：多角度观测系统可获取海量光谱信息，用于计算不同光强下的光化学反射指数，可校正冠层的二向性反射特性引起的误差。建立了批量筛选、输出、计算光化学反射指数的方法，并实现其在不同观测角度下的三维可视化。结合改进的5尺度几何光学模型，计算特定观测角阴叶和阳叶各自的光化学反射指数。

具体有益效果如下：

本发明利用自动多角度冠层光谱系统获取植被可见波段至近红外波段海量的光谱数据，提供了一种连续高效的无需接触的观测植被冠层生理参数的方法。本发明通过旋转上行光纤的探头改变观测角度，获取冠层的多角度反射光谱。利用MATLAB编写的程序可以有效处理海量的数据。三维可视化使光化学反射指数不同光照强度下，不同观测角度的空间变化特征清晰可见，表明不同观测角度阴阳叶的比例不同，且阴叶和阳叶的光化学反射指数不同，造成观测的总光化学反射指数不同。通过样地调查获取冠层的结构参数，驱动改进的5尺度几何光学模型，可快速精确计算任意坡度和太阳入射角下，不同观测角的阴阳叶比例，用于计算阴阳叶的光化学反射指数。

四、附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为观测系统安装在塔上的主要仪器的连接示意图；

图3为光线追踪过程中，根据太阳入射光、视线和叶片法向量在三维空间中的相对位置关系，判断该叶片是否为阳叶的示意图；

图4为塔上部分防水箱内光谱仪等仪器的实际安装效果图，包括光谱仪、云台控制器、数据转换器、各类数据线及附属配件等；

图5为塔上部分室外云台、光纤等仪器的实际安装效果图，包括固定在通量塔上的水平三角架、云台旋转头、下行光纤和余弦接收器、上行光纤和视角调试管，以及45°支架；

图6为不同观测天顶角和方位角的光化学反射指数三维可视效果图，X轴为观测天顶角，Y轴为观测方位角，Z轴为光化学反射指数；

图7(a)为设上行光纤探头观测方位角位于太阳主平面(太阳入射光所在的垂直平面)上，此平面上三个坡度的冠层在不同观测天顶角的阳叶比例分布图；

图7(b)为主平面上三个坡度的冠层在不同观测天顶角的阴叶比例分布图。

以下通过实例对本发明作进一步解释：

五、具体实施方式

以江西省千烟洲生态网络站架设的多角度观测系统为实例，根据技术方案步骤(1)所述，在塔上安装仪器的实际效果图。为防止夏季温度过高，影响仪器正常工作，安装温控开关和两个风扇，温度过高时启动降温。由于云台运行过程中突然断电会造成元器件损坏，因此在云台电源适配器上并联一个小型12伏蓄电池，防止断电造成损坏。附图4、5为仪器安装的实际效果图。

为保证整个系统的连续正常工作，每天凌晨3：00重启电脑，并通过定时开关重启系统电源，初始化仪器和控制程序。在电源供应方面，安装了山特UPS不间断电源，型号为MT1000S600W，在因雷雨天气或线路检修停电时，仍能保证供电约2～3小时。

千烟洲实验站的通量塔高42米，塔周围植被较均一，主要树种为湿地松和马尾松，还有少量樟树，冠层高约16米。根据千烟洲实验站实际情况，系统控制程序需输入特定参数，如表1所示：

表1千烟洲实验站观测参数

利用观测系统获取的每日连续数据，根据技术方案步骤(3)所述，通过MATLAB程序筛选输出，去除因仪器自身及数据传输过程中的噪声产生的异常数据。保留的数据根据技术方案步骤(4)所述的计算方法，求得不同观测角度连续的光化学反射指数。

根据技术方案步骤(5)所述，将不同观测方位角和天顶角的光化学反射指数三维可视化，如附图6所示，为15分钟内光化学反射指数不同观测角度的空间变化分布图。

根据技术方案步骤(6)所述，以上行光纤探头所在位置为原点，太阳入射光所在的垂直于水平面的面为主平面，可计算主平面上不同观测天顶角(-90°～90°)阴叶和阳叶的比例。为驱动模型，测得的输入参数如表2所示：

表2几何光学模型输入参数

如附图7(a)为主平面上三个坡度不同观测天顶角的阳叶比例分布图，附图7(b)为阴叶比例分布图。附图7(a)曲线最高点为观测的冠层热点，此观测角度除背景外只观测到阳叶，对应附图7(b)的阴叶比例为0。改变观测方位角，根据其与太阳主平面的夹角建立不同的平面，计算各平面不同观测天顶角的阴阳叶比例，即可求得不同观测方位角和天顶角阴阳叶的比例，用于计算阴阳叶的光化学反射指数。

根据本发明提出的方法，可获取连续的多角度植被冠层光谱数据，用于计算光化学反射指数，也可用于计算其他植被指数，或其他光谱方面的研究，数据量大可用性强。结合改进的5尺度几何光学模型，适用于任何坡度的坡地，快速有效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光化学反射指数，可直接用于改进两叶光能利用率模型，提高陆地初级生产力估算的精度。

Claims (8)

1.一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法，其主要包括以下步骤：

(1)光谱观测硬件系统的建立；

(2)利用MATLAB为平台编写的软件控制观测系统的运行，并保存观测数据；

(3)对保存的数据进行筛选转换：将保存的mat文件转换成EXCEL表格，去除因仪器自身和传输过程的噪声产生的异常数据；

(4)光化学反射指数的计算：首先计算531nm和570nm的反射率，并用白板观测的各波段辐照度与辐亮度的比值ρ’进行校正，校正后的反射率用于计算光化学反射指数PRI：

$PRI=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{531}-{\mathrm{\ρ}}_{570}}{{\mathrm{\ρ}}_{531}+{\mathrm{\ρ}}_{570}}---\left(1\right)$

(5)多角度光化学反射指数空间变化分析，利用MATLAB编写可视化程序，制作不同观测天顶角和方位角的光化学反射指数的三维分布图；

(6)阴叶和阳叶光化学反射指数的计算，利用样地调查的植被冠层结构参数驱动光线追踪法改进的5尺度几何光学模型，计算冠层不同太阳入射角下特定观测角阴叶和阳叶的比例：

首先对冠层中叶片空间角度分布进行描述，假设叶片是随机分布的，选择冠层内一个点为原点，定义每个叶片的法向量，从而算出每个叶片的空间角度和空间位置；

设定观测方位角为0，通过改变观测方位角θ_V和太阳入射角θ_S模拟多角度观测，视线的入射面由视线的方向向量和观测点来定义；视线由入射面逐点的发出，如果发出的视线与叶片没有交点，则不进行计算，如有交点，则可找出第一个交点；然后根据太阳入射光和视线的方向向量，以及叶片的法向量判断该交点是否被太阳光照射；如果该交点与太阳光之间有其他叶片遮挡，或者该交点与太阳入射光和叶片的交点不在同一面，则判定此视线看到的是阴叶，否则为阳叶；光线追踪进程结束后，可求得视线内阳叶点占所有观测点的比例S_v；由于观测点包含背景点，即可视的地面点，设观测到背景的比例为P_vg，则在任意坡度上的植被冠层可观测到阳叶的比例P_st为：

P_st＝S_v/(1-P_vg)(2)

可观测到阴叶的比例P_at为：

P_at＝1-P_st-P_vg(3)

利用样地观测的植被冠层结构参数：叶面积指数、枝下高、冠层高度、树梢高度、冠幅、树梢半角值，驱动改进的5尺度几何光学模型计算阴阳叶比例；然后分别计算各太阳入射角和观测角的阴阳叶光化学反射指数。

2.根据权利要求1所述的一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法，其特征在于步骤(1)中，使用一个45°的支架支撑上行光纤的探头，使探头观测天顶角的垂直运动范围改为3°～82°，可模拟一天内太阳天顶角的变化。

3.根据权利要求1所述的一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法，其特征在于步骤(1)中，使用RJ45交叉连接的屏蔽双绞线作为连接数据转换器的信号线，可减少外界干扰，降低噪声对数据质量的影响。

4.根据权利要求1或2所述的一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法，其特征在于步骤(2)中，在每15分钟开始时，观测方位角模拟太阳入射光方位角，通过程序计算太阳方位角，若在3°～82°范围内，则以模拟太阳天顶角模式进行观测；否则以常规模式观测。

5.根据权利要求1所述的一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法，其特征在于步骤(3)中，将保存的mat文件转换成EXCEL表格，去除因仪器自身和传输过程的噪声产生的异常数据，选出用于计算531nm和570nm的光谱数据，分别为529.7nm、533nm、569.4nm和572.8nm四个波段的数据。

6.根据权利要求5所述的一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法，其特征在于步骤(4)中，利用筛选的四个波段的光谱数据计算各自的反射率，然后计算531nm和570nm处的反射率：

ρ531＝0.6ρ529.7+0.4ρ533(4)

ρ570＝0.8ρ569.4+0.4ρ572.8(5)

利用白板观测数据ρ’校正计算的ρ531和ρ570，然后计算光化学反射指数。

7.根据权利要求6所述的一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法，其特征在于步骤(5)中，利用MATLAB编写可视化程序，制作不同观测天顶角和方位角的光化学反射指数的三维分布图，分析其空间变化特征。

8.根据权利要求7所述的一种多角度观测植被冠层阴阳叶光化学反射指数的方法，其特征在于步骤(6)中，利用光线追踪法改进5尺度几何光学模型，首先对冠层中叶片空间角度分布进行描述，然后定义某个角度的视线射入此观测，如果这条视线可以碰到任何叶片，再判断太阳入射光是否也能照射到视线触及的叶片点；重复此过程，完成该观测角视场内阳叶和阴叶的分离，在任意坡度的地面上计算不同太阳入射角下特定观测角度的阴阳叶比例，进而分别计算阴叶和阳叶的光化学反射指数。