一种基于碳卫星数据的KI夫琅和费暗线反演叶绿素荧光的方法与流程

本发明属于植被叶绿素荧光遥感反演的技术领域，特别是涉及一种基于碳卫星数据的ki夫琅和费暗线叶绿素荧光遥感反演方法。

背景技术：

叶绿素荧光是叶片受光激发后，叶绿素分子由高激发态向基态转换时在可见光—近红外区域发出的红光及远红光。叶绿素荧光是光合作用的副产品，源于吸收光合有效辐射apar，与植被光合固碳及热耗散同根同源，同植被总初级gpp和植被受胁迫状态密切相关，因此开展叶绿素荧光的研究有重大的意义。

相当于传统方法，卫星遥感技术提供了一种大范围获取地表温度数据的手段，具有传统野外测量方法所不具备的高效、廉价等优势。

从卫星观测数据中反演叶绿素荧光反演理论上存在一个难题，即叶绿素荧光作为植被冠层发射的信息，它只占卫星接收到的反射信息的很小一部分(不到5％)，如何从卫星总入瞳辐亮度中剥离出来自叶绿素荧光的那部分信息是反演的难点。

经过数十年的研究，学者们已经发展出了很多方法来解决这一问题，这些方法在一定的假设条件下，可以准确的从卫星遥感观测数据中反演出植被荧光信息，现有的方法大致可分为三类：基于大气辐射传输方程的算法、简化的物理模型算法与数据驱动算法。其中，基于大气辐射传输方程的算法是沿用近地表提取叶绿素荧光的方法，并在此基础上考虑大气的吸收和散射效应，但是需要高精度的大气订正；简化的物理模型算法是基于荧光对大气窗口内太阳夫琅和费暗线的填充，忽略大气的影响的反演方法，该方法仅可利用大气窗口内的太阳夫琅和费暗线，且需要获取大气层顶的太阳辐照度光谱；数据驱动算法是将传感器观测到的入瞳辐亮度看作非荧光信号和荧光信号的叠加，利用非荧光目标光谱构成的训练集，对其光谱进行提取，用提取到的少量特征表达观测到的非荧光信号，再利用简化的辐射传输方程进行荧光信号的提取，该方法可以在降低硬件需求的同时提高了算法效率，但是该算法中的经验参数设置和训练集的选取会对结果造成很大影响。

很明显，这些方法都有各自的优缺点，并且都需要在特定的条件下，才能反演得到精确的植被叶绿素荧光信息。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题中的不足之处，本发明提供了一种基于碳卫星数据的ki夫琅和费暗线叶绿素荧光遥感反演方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于碳卫星数据的ki夫琅和费暗线反演叶绿素荧光的方法，，包括以下步骤：

步骤1：获取碳卫星acgs探测仪星下点观测数据o2-a波段的卫星观测辐亮度光谱曲线；

步骤2：获取碳卫星acgs探测仪对日定标数据的o2-a波段的辐照度光谱曲线；

步骤3：截取太阳辐照度光谱曲线和辐亮度光谱曲线位于769.95～770.25nm的通道及对应值；

步骤4：将769.95～770.25nm波段范围内的辐照度和辐亮度处在相同波长位置的通道值一一对应，得到两个长度相同的数组；

步骤5：用最小二乘法拟合769.95～770.25nm波段范围内辐亮度和辐照度值，反演叶绿素荧光。

所述的反演叶绿素荧光的方法，其特征在于，所述步骤3中，此处使用的波长范围769.95～770.25nm包含了ki夫琅和费暗线内的波段和以外的不含氧气吸收带的部分波段，利用ki夫琅和费暗线内各通道值的趋势进行拟合。

所述的反演叶绿素荧光的方法，其特征在于，所述步骤3中，此处使用的辐照度曲线是取多个同一通道处的辐照度值均值作为该通道的真实辐照度值。

所述的反演叶绿素荧光的方法，其特征在于，所述步骤3中，获取波段范围在769.95～770.25nm内的辐照度和辐亮度通道及其值的方法如下：

步骤301：获取辐照度光谱曲线中位于769.95～770.25nm波段范围内的通道及其辐照度值；

步骤302：获取辐亮度光谱曲线中位于769.95～770.25nm波段范围内的通道及其辐亮度值；

所述的反演叶绿素荧光的方法，所述步骤4中，为了使ki夫琅和费暗线最低点相互对应，去除波段范围内辐照度前两个通道和辐亮度后两个通道的值，得到长度相同的数组，用于拟合得到荧光值。

所述的反演叶绿素荧光的方法，所述步骤5中，所利用的辐射传输方程如下：

式中，r表示地表反射率，i(λ)表示传感器接收到的辐亮度，i0(λ)表示大气程辐射，td(λ)为大气下行透过率，tu(λ)为大气上行辐射透过率，sb(λ)为大气下边界反射率，e(λ)为大气辐照度，θ为太阳天顶角，f表示荧光值。

由于在769.95～770.25nm波段范围内大气透过率较高，大气影响较小，因此忽略大气散射和吸收的影响，令sb＝0，i0＝0，tu＝1，td＝1，上述公式可以简化为：

式中，i(λ)表示传感器接收到的辐亮度，r表示地表反射率，e表示大气辐照度，θ为太阳天顶角，f表示荧光值；

利用对辐照度和辐亮度数组进行最小二乘线性拟合，反演得到叶绿素荧光。

本发明主要发展了一种基于碳卫星数据的ki夫琅和费暗线叶绿素荧光遥感反演方法。该方法利用简化的物理模型算法的特点，选取769.95～770.25nm范围内的ki夫琅和费暗线进行叶绿素荧光反演。ki夫琅和费暗线深度较大且受大气辐射传输影响极小，适用于简化的物理模型算法。首先获取碳卫星acgs探测仪的太阳辐照度和辐亮度光谱曲线，其中，太阳辐照度光谱曲线在获取时，求同一通道所有辐照度值的平均值来表示该通道的真实值；然后截取位于769.95～770.25nm波长范围内的通道值，得到两个个数相同且ki夫琅和费暗线最低点波长值相对应的数组；最后根据数组的值进行最小二乘拟合反演叶绿素荧光。

本发明具有以下有益效果：提供了一种基于碳卫星数据的ki夫琅和费暗线叶绿素荧光遥感反演方法。该方法可以从太阳辐照度和辐亮度769.95～770.25nm波长范围内的19个通道中反演叶绿素荧光信息，而不必像大气辐射传输方程的算法一样需要进行辐射传输计算，从而降低了算法效率。该方法也不像数据驱动算法那样受经验参数设置和训练集的选取的影响。

附图说明

图1为碳卫星辐亮度光谱曲线；

图2为碳卫星辐照度光谱曲线；

图3为黑龙江地区2018年7月11日叶绿素荧光分布图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

步骤1：获取碳卫星acgs探测仪星下点观测数据o2-a波段1242个通道的卫星观测辐亮度，并依据以下公式绘制光谱曲线(图1)，示例如下：

其中，λ代表波长，c代表色散系数，p代表通道数；

步骤2：获取碳卫星acgs探测仪对日定标数据的o2-a波段1242个通道中同一通道的多个辐照度值，依据下列公式绘制光谱曲线(图2)，示例如下；

其中，λ代表波长，c代表色散系数，p代表通道数；

步骤3：截取太阳辐照度光谱曲线和辐亮度光谱曲线在769.95～770.25nm范围内的通道及对应值，为了使辐照度和辐亮度光谱中ki夫琅和费暗线的最低点对应，分别去除769.95～770.25nm范围内辐照度前两个通道值(705:721)和辐亮度后两个通道值(703:719)，得到两个长度一致的数组；

步骤4：对上步所得数组进行最小二乘拟合，反演叶绿素荧光。

本发明所利用的辐射传输方程如下：

式中，r表示地表反射率，i(λ)表示传感器接收到的辐亮度，i0(λ)表示大气程辐射，td(λ)为大气下行透过率，tu(λ)为大气上行辐射透过率，sb(λ)为大气下边界反射率，e(λ)为大气辐照度，θ为太阳天顶角，f表示荧光值。

由于在769.95～770.25nm波段范围内大气透过率较高，大气影响较小，因此忽略大气散射和吸收的影响，可以令sb＝0，i0＝0，tu＝1，td＝1，上述公式可以简化为：

式中，i(λ)表示传感器接收到的辐亮度，r表示地表反射率，e表示大气辐照度，θ为太阳天顶角，f表示荧光值。

利用上述对辐照度和辐亮度数组进行最小二乘线性拟合，反演得到叶绿素荧光，示例如图3所示。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。