基于PROSPECT-PLUS模型植物叶片多种色素高光谱定量遥感反演模型与机理研究

摘要

植物叶片色素信息特征是植物生理生态状况的重要表征之一，而叶片色素的光谱特征正好处于太阳光到达近地面的高能光谱区域。随着遥感技术的发展，高光谱遥感技术为植被色素信息特征检测或监测提供了一种有效的途径，因此，使用高光谱遥感技术在色素信息特征波段400-800nm的高能光谱区间检测或监测叶片色素变化，可间接地提供植被生理生态的信息特征。
　　植物叶片光谱特征是影响叶片光学属性因子的综合表征，基于光学辐射传输模型在叶片色素的波段特征区域定量描述影响叶片光学属性因子是准确获取植物叶片色素信息特征的有效手段。为此，本文基于广泛使用于定量描述植被的叶片光学辐射传输PROSPECT模型，通过对叶片光学属性因子中叶片生理生态光学响应因子、叶片表面几何特征因子的进一步定量研究，构建相对原有PROSPECT模型对叶片光谱特征模拟和色素含量反演具有提高和拓展功能的PROSPECT-SPPP、PROSPECT-SGED和PROSEPCT-PLUS叶片色素光学辐射传输模型。
　　叶片PROSPECT模型能够反映叶片生理生态特征的色素特定吸收系数的波段重叠特征和各种色素含量的高线性相关关系，限制了多色素信息特征的叶片光谱特征模拟和相应色素含量反演，本文通过使用吸收光谱分峰技术中的G-L函数拟合方法对色素特定吸收系数进行函数化，并修改和增加反映色素信息特征函数项（叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和花青素），使k（λ)函数中各种色素特定吸收系数的线性关系转化为相应色素特定吸收系数G-L函数的非线性函数关系;并利用各种色素标准样品在有机溶液中的吸收特征与叶片中吸收特征的关系，获取在估算叶片中各种色素特定吸收系数时G-L函数所需的必要的色素吸收峰个数和吸收峰峰位及引入色素特性吸收系数吸收红移位移定量参数，达到叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和花青素特定吸收系数波段重叠的分离。建立一个在400-800 nm区间含有可细分光合色素（叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素）和非光合色素（花青素）信息特征的PROSPECT-SPPP叶片色素光学辐射传输模型。
　　叶片PROSPECT模型，使用一个入射光最大角的理想值来定量描述单位立体角的叶片表面几何特征，限制了对不同植物叶片表面几何特征的色素含量反演精度和对非天底方向光源叶片色素含量的反演，本文通过使用DHRFspec模型对PROSPECT模型光学辐射传输中叶片表面界面反射辐射特征的定量表达;同时，引入了能够定量描述叶片表面几何特征因子的参数（叶片表面粗糙度）和一个可以定量光源入射方向的输入变量，能够解决光源来源非天底方向在叶片表面的“V”结构中形成的界面反射中阴影和遮挡现象定量描述，构建了一个在500-800 nm光谱区间能够定量描述叶片表面几何特征和提供一个可拓展叶片色素PROSPECT模型光源入射角到非天底方向的PROSPECT-SGED叶片色素光学辐射传输模型。同时，也使PROSPECT模型光源辐射传输理论与BRDF几何光学模型完全耦合。
　　在PROSPECT模型光学辐射传输框架下的500-800 nm光谱区间通过使用光谱分峰技术中的G-L函数对该波段区间特征色素的特定吸收系数进行函数化和使用DHRFspec模型对叶片表面界面反射辐射特征定量表达，同时进行对叶片光学属性影响因子（叶片生理生态光学响应因子和叶片表面几何特征因子）的进一步定量描述，提供了一个既可以反映可细分光合色素（叶绿素a和叶绿素b）信息特征，也可以用于非天底方向光源的可细分光合色素反演功能的PROSPECT-PLUS叶片色素光学辐射传输模型，同时，也是PROSPECT模型与BRDF几何光学模型耦合的补充。
　　最后，利用构建的ZHELOP数据集、LOPEX93筛选数据集和NNDHRF数据集，分别进行了PROSPECT-SPPP、PROSPECT-SGED和PROSPECT-PLUS叶片色素光学辐射传输模参数的获取、模型模拟和反演功能的验证，并与以前的PROSPECST模型版本比较，结果是:(1) PROSPECT-SPPP模型能够分离具有波段重叠特征多种色素特定吸收系数，如在ZHELOP数据集中，成功分离了叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和花青素特定吸收系数。在模型功能方面，能够模拟具有波段重叠特征多种色素信息特征叶片的光谱特征和反演叶片中相应的色素含量，与PROSPECT-5相比，PROSPECT-SPPP模型能够提高叶片模拟精度和拓宽叶片色素种类及含量的反演;(2) PROSPECT-SGED模型能够使用任意光源入射角叶片500-800 nm光谱定量反演的叶片叶绿素含量。与PROSPECT-4相比，PROSPECT-SGED模型能够提高光源在天底方向叶绿素含量反演精度;(3)PROSPECT-PLUS模型不仅能够模拟光源在天底方向含量叶绿素a、叶绿素b信息特征叶片在500-800 nm区间的光谱特征和能够反演这些色素的含量，也能够使用光源在非天底方向上叶片反射光谱反演叶绿素a和叶绿素b的含量。与PROSPECT-SPPP相比，PROSPECT-PLUS模型提高了对叶绿素a和叶绿素b的含量的反演精度。
　　总之，通过使用光谱分峰技术中的G-L函数和DHRFspec模型在PROSPECT模型光学辐射传输框架下对叶片生理生态光学响应因子及叶片表面几何特征因子的进一步定量，解决了叶片光学辐射传输模型中各种色素特性吸收系数重叠波段特征的分离和光源来源非天底方向在叶片表面的“V”结构中形成的界面反射中阴影和遮挡现象定量描述的科学问题，构建了新的PROSPECT模型（PROSPECT-SPPP、 PROSPECT-SGED和PROSPECT-PLUS叶片色素光学辐射传输模型），提高和拓宽了PROSPECT模型对含有色素信息特征叶片的光谱模型和色素反演功能，为PROSPECT模型的发展提供了补充，同时也使PROSPECT模型与BRDF模型进行完全耦合。

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致谢

索引

摘要

表目录

图目录

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 影响叶片光学属性的主要因子

1．2．2 叶片光学辐射传输模型对叶片光学属性影响因子的定量研究

1．2．3 叶片各种色素信息特征因子

1．2．4 叶片表面几何特征因子

1．3 本文研究内容

第二章 基于PROSPECT模型植物叶片色素高光谱遥感模型构建与机理

2．1 已建PROSPECT模型光学辐射传输机理

2．1．1 PROSPECT模型叶片内部单元层的光学辐射传输理论

2．1．2 PROSPECT模型第一层叶片单元层光学辐射传输理论

2．1．3 PROSPECT模型N层单元层叶片光学辐射传输迭代机理

2．2 构建PROSPECT-SPPP光学辐射传输模型的机理

2．2．1 PROSPECT-SPPP模型色素信息特征函数项的确定

2．2．2 PROSPECT-SPPP模型中色素特定吸收系数G-L函数化

2．2．3 使用G-L函数化的色素特定吸收系数构建PROSPECT-SPPP光学辐射传输模型

2．3 构建PRoSPECT-SGED光学辐射传输模型机理

2．3．1 使用叶片几何特征重建叶片近轴面界面平均透射

2．3．2 通过定量叶片表面几何特征参数构建PROSPECT-SGED模型

2．4 构建PROSPECT-PLUS模型光学辐射传输机理

2．5 植物叶片色素光学辐射传输模型构建机理技术路线图

第三章 植物叶片色素光学辐射传输模型研究所需实验数据的获取与方法

3．1 构建植物叶片色素光学辐射传输模型所需的支撑数据

3．1．1 PROSPECT叶片色素光学辐射传输模型运行所需基本数据特征

3．1．2 新构建的植物叶片色素光学辐射传输模型所需实验数据

3．2 ZHELOP数据集

3．2．1 ZHELOP数据集获取材料与准备

3．2．2 ZHELOP数据集获取仪器介绍

3．2．3 ZHELOP数据集获取方法

3．2．4 ZHELOP数据集生物理化参数与光谱信息特征分析

3．3 LOPEX93筛选数据集

3．3．1 LOPEX93数据库介绍与数据筛选

3．3．2 LOPEX93筛选数据集色素信息特征分析

3．4 NNDHRF数据集

3．4．1 NNDHRF数据集对象选择与介绍

3．4．2 NNDHRF数据集获取实验仪器与介绍

3．4．3 NNDHRF数据集获取方法

3．4．4 NNDHRF数据集获取获取实验控制

3．4．5 NNDHRF数据集的特征分析

第四章 植物叶片色素光学辐射传输模型实验结果与分析

4．1 新建植物叶片色素光学辐射传输模型运行技术路线图

4．2 PROSPECT-SPPP模型运行结果与分析

4．2．1 PROSPECT-SPPP模型参数获取

4．2．2 PROSPECT-SPPP模型光谱模拟与反演

4．2．3 小结

4．3 PROSPECT-SGED模型运行结果与分析

4．3．1 PROSPECT-SGED模型参数获取

4．3．2 PROSPECT-SGED模型在光源天底方向模拟与反演

4．3．3 PROSPECT-SGED模型非天底光源色素含量反演

4．3．4 小结

4．4 PROSPECT-PLUS模型运行结果与分析

4．4．1 PROSPECT-PLUS模型参数获取

4．4．2 PROSPECT-PLUS天底方向光源光谱模拟与反演

4．4．3 PROSPECT-PLUS模型非天底光源色素含量反演

4．4．4 小结

第五章 结论、创新点与展望

5．1 结论

5．1．1 PROSPECT-SPPP模型

5．1．2 PROSPECT-SGED模型

5．1．3 PROSPECT-PLUS模型

5．3 创新点

5．3．1 新数据

5．3．2 数据获取

5．3．3 模型构建方法

5．4 研究不足与后续研究

5．3．1 数据缺陷

5．3．2 对影响叶片光学属性因子的定量

5．5 展望

5．5．1 PROSPECT-SPPP模型

5．5．2 PROSPECT-SGED模型

5．5．2 PROSPECT-PLUS模型

参考文献

攻读博士期闻的科研成果