基于PROSPECT-PLUS模型植物葉片多種色素高光譜定量遙感反演模型與機理研究.pdf

1、植物葉片色素信息特征是植物生理生態(tài)狀況的重要表征之一，而葉片色素的光譜特征正好處于太陽光到達近地面的高能光譜區(qū)域。隨著遙感技術的發(fā)展，高光譜遙感技術為植被色素信息特征檢測或監(jiān)測提供了一種有效的途徑，因此，使用高光譜遙感技術在色素信息特征波段400-800nm的高能光譜區(qū)間檢測或監(jiān)測葉片色素變化，可間接地提供植被生理生態(tài)的信息特征。
　　植物葉片光譜特征是影響葉片光學屬性因子的綜合表征，基于光學輻射傳輸模型在葉片色素的波段特征區(qū)域定

2、量描述影響葉片光學屬性因子是準確獲取植物葉片色素信息特征的有效手段。為此，本文基于廣泛使用于定量描述植被的葉片光學輻射傳輸PROSPECT模型，通過對葉片光學屬性因子中葉片生理生態(tài)光學響應因子、葉片表面幾何特征因子的進一步定量研究，構建相對原有PROSPECT模型對葉片光譜特征模擬和色素含量反演具有提高和拓展功能的PROSPECT-SPPP、PROSPECT-SGED和PROSEPCT-PLUS葉片色素光學輻射傳輸模型。
　　葉片

3、PROSPECT模型能夠反映葉片生理生態(tài)特征的色素特定吸收系數(shù)的波段重疊特征和各種色素含量的高線性相關關系，限制了多色素信息特征的葉片光譜特征模擬和相應色素含量反演，本文通過使用吸收光譜分峰技術中的G-L函數(shù)擬合方法對色素特定吸收系數(shù)進行函數(shù)化，并修改和增加反映色素信息特征函數(shù)項（葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和花青素），使k（λ)函數(shù)中各種色素特定吸收系數(shù)的線性關系轉(zhuǎn)化為相應色素特定吸收系數(shù)G-L函數(shù)的非線性函數(shù)關系;并利用各種色素標

4、準樣品在有機溶液中的吸收特征與葉片中吸收特征的關系，獲取在估算葉片中各種色素特定吸收系數(shù)時G-L函數(shù)所需的必要的色素吸收峰個數(shù)和吸收峰峰位及引入色素特性吸收系數(shù)吸收紅移位移定量參數(shù)，達到葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和花青素特定吸收系數(shù)波段重疊的分離。建立一個在400-800 nm區(qū)間含有可細分光合色素（葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素）和非光合色素（花青素）信息特征的PROSPECT-SPPP葉片色素光學輻射傳輸模型。
　　葉片P

5、ROSPECT模型，使用一個入射光最大角的理想值來定量描述單位立體角的葉片表面幾何特征，限制了對不同植物葉片表面幾何特征的色素含量反演精度和對非天底方向光源葉片色素含量的反演，本文通過使用DHRFspec模型對PROSPECT模型光學輻射傳輸中葉片表面界面反射輻射特征的定量表達;同時，引入了能夠定量描述葉片表面幾何特征因子的參數(shù)（葉片表面粗糙度）和一個可以定量光源入射方向的輸入變量，能夠解決光源來源非天底方向在葉片表面的“V”結(jié)構中形成

6、的界面反射中陰影和遮擋現(xiàn)象定量描述，構建了一個在500-800 nm光譜區(qū)間能夠定量描述葉片表面幾何特征和提供一個可拓展葉片色素PROSPECT模型光源入射角到非天底方向的PROSPECT-SGED葉片色素光學輻射傳輸模型。同時，也使PROSPECT模型光源輻射傳輸理論與BRDF幾何光學模型完全耦合。
　　在PROSPECT模型光學輻射傳輸框架下的500-800 nm光譜區(qū)間通過使用光譜分峰技術中的G-L函數(shù)對該波段區(qū)間特征色素的

7、特定吸收系數(shù)進行函數(shù)化和使用DHRFspec模型對葉片表面界面反射輻射特征定量表達，同時進行對葉片光學屬性影響因子（葉片生理生態(tài)光學響應因子和葉片表面幾何特征因子）的進一步定量描述，提供了一個既可以反映可細分光合色素（葉綠素a和葉綠素b）信息特征，也可以用于非天底方向光源的可細分光合色素反演功能的PROSPECT-PLUS葉片色素光學輻射傳輸模型，同時，也是PROSPECT模型與BRDF幾何光學模型耦合的補充。
　　最后，利用構建

8、的ZHELOP數(shù)據(jù)集、LOPEX93篩選數(shù)據(jù)集和NNDHRF數(shù)據(jù)集，分別進行了PROSPECT-SPPP、PROSPECT-SGED和PROSPECT-PLUS葉片色素光學輻射傳輸模參數(shù)的獲取、模型模擬和反演功能的驗證，并與以前的PROSPECST模型版本比較，結(jié)果是:(1) PROSPECT-SPPP模型能夠分離具有波段重疊特征多種色素特定吸收系數(shù)，如在ZHELOP數(shù)據(jù)集中，成功分離了葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和花青素特定吸收系數(shù)

9、。在模型功能方面，能夠模擬具有波段重疊特征多種色素信息特征葉片的光譜特征和反演葉片中相應的色素含量，與PROSPECT-5相比，PROSPECT-SPPP模型能夠提高葉片模擬精度和拓寬葉片色素種類及含量的反演;(2) PROSPECT-SGED模型能夠使用任意光源入射角葉片500-800 nm光譜定量反演的葉片葉綠素含量。與PROSPECT-4相比，PROSPECT-SGED模型能夠提高光源在天底方向葉綠素含量反演精度;(3)PROSP

10、ECT-PLUS模型不僅能夠模擬光源在天底方向含量葉綠素a、葉綠素b信息特征葉片在500-800 nm區(qū)間的光譜特征和能夠反演這些色素的含量，也能夠使用光源在非天底方向上葉片反射光譜反演葉綠素a和葉綠素b的含量。與PROSPECT-SPPP相比，PROSPECT-PLUS模型提高了對葉綠素a和葉綠素b的含量的反演精度。
　　總之，通過使用光譜分峰技術中的G-L函數(shù)和DHRFspec模型在PROSPECT模型光學輻射傳輸框架下對葉片

11、生理生態(tài)光學響應因子及葉片表面幾何特征因子的進一步定量，解決了葉片光學輻射傳輸模型中各種色素特性吸收系數(shù)重疊波段特征的分離和光源來源非天底方向在葉片表面的“V”結(jié)構中形成的界面反射中陰影和遮擋現(xiàn)象定量描述的科學問題，構建了新的PROSPECT模型（PROSPECT-SPPP、 PROSPECT-SGED和PROSPECT-PLUS葉片色素光學輻射傳輸模型），提高和拓寬了PROSPECT模型對含有色素信息特征葉片的光譜模型和色素反演功能，