FOLIUM模型与多色素叶片光谱模拟方法与流程

技术特征：

1.FOLIUM模型与多色素叶片光谱模拟方法，包括以下步骤：

S1.利用纯色素在有机溶液的光谱特征，通过微分分析方法确定每种色素的吸收峰个数，同时引入一个相对有机溶液中吸收峰位移参数，并利用G-L函数构建叶片吸收系数函数；

S2.基于S1中新的叶片吸收系数函数、平板模型和N层叶片光学辐射框架构建FOLIUM模型；

S3.利用LOPEX_ZJU数据集、最小距离光谱拟合和最小二乘法获取S2中构建的FOLIUM模型的各种色素特定吸收系数和叶片平均折射系数等参数；

S4.利用LOPEX_ZJU数据集，结合S3中获取的模型参数进行方向半球反射率和方向半球透射率进行模拟和精度验证，并与PROSPECT-5进行比较与分析。阐述FOLIUM模型对含有多色素叶片光谱特征模拟的可行性。

2.如权利要求1所述的FOLIUM模型与多色素叶片光谱模拟方法，其特征在于：所述的步骤S1中重新构建叶片吸收系数函数，包括以下：

(11)纯色素在有机溶液中的吸收光谱；

在混合有机溶液中获取纯色素叶绿素a Chla、叶绿素b Chlb、β-胡萝卜素β-Cars,紫黄质Vi,花药黄质An,玉米黄质Ze,新黄质Ne,叶黄质Lu和花青素Ants在350-800nm区间的吸收光谱；所述的混合有机溶液的配方是：乙腈/甲醇/乙酸乙酯按照体积比60:20:20配制；Cars包括β-Car、Vi、An、Ze、Ne和Lu；

(12)每种色素的吸收峰个数；

结合一阶微分或二阶微分的方法，获取每种纯色素在有机溶液中的明显的吸收峰的个数与峰位；选择Chla、Chlb、Cars和Ants，为FOLIUM模 型的目标色素反演对象；

(13)使用G-L函数表达FOLIUM模型的目标色素在有机溶液中的吸收峰；

其中，A_{i,i`</sub>(λ)、A<sub>i,i`,v}、A_{i,i`,h</sub>,A<sub>i,i`,p}和A<sub>i,i`,w</sub>分别表示有机溶液中第i种色素、第i`个吸收峰函数、高斯比重、峰高、峰位和半高波宽；i可为Chla、Chlb、Cars或Ants；i`可为1、2、3或4；

(14)纯色素在有机溶液和活体叶片中吸收特征的关系；

活体叶片各种色素特定吸收系数的吸收峰个数小于或等于这些相应色素标准样品在混合有机溶液中的对应的吸收系数的吸收峰个数；活体叶片色素特定吸收系数吸收峰峰位相对在乙腈、甲醇和乙酸乙酯混合液中相应色素吸收峰峰位存在一定的差异K_{i,i`,Δλ</sub>，为此，活体叶片中各种色素特定吸收系数的吸收峰峰位K<sub>i,i`,p}可以表达为：

K_{i,i`,p</sub>＝A<sub>i,i`,p}+K_i,i`,Δλ (2)

(15)FOLIUM模型的叶片吸收系数函数；

活体叶片中的各种色素的特定吸收系数的吸收峰函数K_i,i`(λ)可以表达为：

其中，K_{i,i`,v</sub>、K<sub>i,i`,h},K_{i,i`,p</sub>和K<sub>i,i`,w}分别活体叶片中的各种色素的特定吸收系数的吸收峰的高斯比重、峰高、峰位和半高波宽；色素的特定吸收系数函数可以表达为：

叶片吸收系数函数(τ)可以表达为：

其中

i可代表Chla、Chlb、Cars或Ants；C_Chla、C_Clb、C_Cars和C_Ants为Chla、Chlb、Cars和Ants在叶片中的含量；K₀(λ)为叶片基准吸收系数，即在模型目标光谱区间内，除各种色素吸收特征之外的，为植物叶片所必须的物质的吸收特性。

3.如权利要求1所述的FOLIUM模型与多色素叶片光谱模拟方法，其特征在于：所述步骤S2中，基于S1中新的叶片吸收系数构建FOLIUM模型，具体包括：

(21)FOLIUM模型构建；

FOLIUM模型的光学方程表达为：

其中，模型参数β(入射光立体角内最大的入射光天顶角来表示，通常设为40°)、叶片平均折射系数叶片吸收系数τ；叶片结构参数N；

(22)FOLIUM模型功能；

在FOLIUM模型的光学辐射传输方程中，通过叶片多种色素Chla、Chlb、Cars和Ants含量的输入对其叶片进行方向半球反射和透射率光谱进行模拟；也可通过输入叶片的光谱变量R_N,out→1st和T_N,out→1st进行叶片的Chla、Chlb、Cars和Ants多种色素含量反演。对绿色叶片或花青素含量很低的叶片在FOLIUM模型中可以通过去掉K_Ants(λ)C_Ants函数项，进行叶片相应色素含量反演和光谱模拟。

4.如权利要求1所述的FOLIUM模型与多色素叶片光谱模拟方法，其特征在于：所述步骤S3中FOLIUM模型参数获取，内容如下：

(31)LOPEX_ZJU数据集；

LOPEX_ZJU数据集中包括来源木本植物和草本植物、常绿乔木、灌木植物和作物及园林植物的12种阔叶植物叶片；采样于不同叶龄时期、含有叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和花青素浓度范围较为广泛的60个植物叶片样本，其中，也包括一个含有痕量色素的白化叶片；并使用UV-36000+积分球采集了400-2400nm范围内的方向半球反射和透射光谱，同时，也包括用于FOLIUM模型构建时用到的辅助数据叶片水分含量。

(32)叶片结构参数获取；

使用叶片光谱特征中受生化组分吸收特征最小的区域的反射率最大值、透射率最大值和吸收率最小值，使用最小光谱拟合法在FOLIUM模型中获取叶片结构参数，所述的叶片结构参数算法如下：

其中，R_mea(λ_i)和T_mea(λ_i)分别表示在波段λ_i叶片实测的反射率和透射率；R_mod(λ_i)和T_mod(λ_i)分别表示使用FOLIUM模型在波段λ_i模拟的反射率和透射率；λ_i(i＝1,2,3)共有三个波段分别是反射率最大的波段、透射率最大的波段和吸收率最小的波段；

(33)叶片基准吸收系数获取；

使用白化叶片获取活体叶片中的基准吸收系数，具体表达公式如下：

其中，R_mea,0(λ)和T_mea,0(λ)分别表示在波段λ白化叶片实测的反射率和透射率；R_mod(λ)和T_mod(λ)分别表示使用FOLIUM模型在波段λ模拟的白化叶片反射率和透射率；N₀代表白化叶片结构参数；λ的波段范围为：400-800nm，并使用最小二乘法优化迭代获取K₀；

(34)叶片单一色素特定吸收系数和平均折射系数获取；

在FOLIUM模型色素特定吸收系数获取过程中，采用LOPEX_ZJU数据库中数据进行参数获，具体表达式如下：

其中，R_mea(λ)和T_mea(λ)分别表示参试叶片实测的方向半球反射率和透射率；R_mod(λ,N,A_{i,i`,p</sub>,C<sub>i</sub>,K<sub>0</sub>)和T<sub>mod</sub>(λ,N,A<sub>i,i`,p},C_i,K₀)代表使用FOLIUM模型参数(N，K₀)输入A_i,i`,p(各种色素在有机溶液中的吸收峰峰位)、参试叶片的各种色素含量(C_i)和相应叶片的实测的光谱数据(R_mea(λ)和T_mea(λ))在400-800nm光谱区间的方向半球反射和透射光谱的模拟值。通过使用最小二乘法的优化方法迭代，获取叶片各种色素特定吸收系数 (K_i)同时也可获取叶片的叶片平均折射系数。

5.如权利要求1所述的FOLIUM模型与多色素叶片光谱模拟方法，其特征在于：所述步骤S4中，基于S3中的构建的FOLIUM模对多种色素叶片方向半球反射和透射光谱的模拟与精度验证，并PROSPECT-5比较，内容如下：

(41)FOLIUM模型对多种色素叶片方向半球反射和透射光谱模拟；

FOLIUM利用在S3中获取的N、K₀、K_Chla(λ)、K_Chlb(λ)、K_Cars(λ)、K_Ants(λ)和的模型参数，通过输入(Chla、Chlb、Cars和Ants)的叶片色素含量直接计算叶片的方向半球反射和透射光谱，并与PROSPECT-5进行比较；

(42)FOLIUM模型光谱模拟的精度验证；

对FOLIUM模型光谱模拟的精度评价函数有：均方根误差RMSE、偏差BIAS和校正标准差SEC，具体的函数表达式为：

其中，y′_j为测试叶片样本光谱的实测值,是测试叶片样本光谱的平均值；

y_j是测试叶片样本光谱的模拟值；n为叶片样本的数量；j为测试叶片样本的数量。