一種多角度觀測(cè)植被冠層陰陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種利用觀測(cè)的多角度植被冠層反射率，結(jié)合5尺度幾何光學(xué)模型計(jì)算陰葉和陽(yáng)葉各自光化學(xué)反射指數(shù)的方法，屬于植被遙感反演參數(shù)獲取方法的研究領(lǐng)域。其步驟為：多角度觀測(cè)系統(tǒng)的建立；多角度光譜反射率數(shù)掘的獲??；計(jì)算不同觀測(cè)角度的光化學(xué)反射指數(shù)；利用樣地調(diào)查獲取的植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)驅(qū)動(dòng)改進(jìn)的5尺度幾何光學(xué)模型，計(jì)算不同觀測(cè)角度陰陽(yáng)葉的比例；分別計(jì)算陰陽(yáng)葉的光化學(xué)反射指數(shù)，并分析光化學(xué)反射指數(shù)的空間變化特征。本發(fā)明可獲取連續(xù)的多角度植被冠層光譜數(shù)據(jù)，用于計(jì)算光化學(xué)反射指數(shù)等植被指數(shù)，結(jié)合改進(jìn)的5尺度幾何光學(xué)模型，適用于任何坡度的坡地，快速有效計(jì)算陰葉和陽(yáng)葉的光化學(xué)反射指數(shù)，精度也比較高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種多角度觀測(cè)植被冠層陰陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的方法
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用多角度觀測(cè)系統(tǒng)獲取的植被冠層光譜反射率數(shù)據(jù)計(jì)算冠層陰葉和陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的方法，具體地說(shuō)，是指一種改進(jìn)的利用觀測(cè)的多角度植被冠層反射率結(jié)合改進(jìn)的5尺度幾何光學(xué)模型，計(jì)算不同太陽(yáng)天頂角不同觀測(cè)角下，植被冠層陰葉和陽(yáng)葉各自光化學(xué)反射指數(shù)的方法，屬于植被遙感反演參數(shù)獲取方法的研究領(lǐng)域。。
二、【背景技術(shù)】
[0002]陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收能力用植被初級(jí)生產(chǎn)力表示，可定義為單位面積植被吸收的光合有效輻射(400-700nm)通過(guò)一系列生化反應(yīng)生產(chǎn)的有機(jī)物質(zhì)總量。光能利用率是植物利用光合有效輻射生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)的效率，是植物光合作用的重要概念，也是遙感模型監(jiān)測(cè)植被生產(chǎn)力的關(guān)鍵參數(shù)。目前，已經(jīng)建立了許多利用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力和凈初級(jí)生產(chǎn)力的模型(如:CASA，Bio-BGC, VPM, GLO-PEM等)，這類(lèi)模型具有機(jī)理明確、計(jì)算簡(jiǎn)便、生理生態(tài)參數(shù)需求較少和易于與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，已成為大尺度總初級(jí)生產(chǎn)力和凈初級(jí)生產(chǎn)力估算的主要方法。
[0003]現(xiàn)有的總初級(jí)生產(chǎn)力和凈初級(jí)生產(chǎn)力遙感計(jì)算模型多通過(guò)考慮環(huán)境條件變化(溫度、水分)對(duì)最大光能利用率的脅迫求取實(shí)際光能利用率。然而，光能利用率不僅與溫度和水分條件有關(guān)，還與植被的種屬、生態(tài)型、葉面積指數(shù)、光照強(qiáng)度、直射與散射光比例、植被的營(yíng)養(yǎng)狀況(葉氮含量)及植被的生長(zhǎng)階段等因素密切相關(guān)，還具有明顯的日變化和季節(jié)變化特征。如何利用遙感手段可靠確定光能利用率，是總初級(jí)生產(chǎn)力和凈初級(jí)生產(chǎn)力遙感計(jì)算模型應(yīng)用所必需解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
[0004]研究表明，光化學(xué)反射指數(shù)(Photochemical Reflectance Index, PRI)在估算植被光能利用率方面具有極大的潛力。光化學(xué)反射指數(shù)最初由Gamon等人在對(duì)向日葵生化特性的短期變化探測(cè)基礎(chǔ)上提出的，該參數(shù)表示為PRI = (R531-R570) / (R531+R570)，R531和R570分別為測(cè)量波段(531nm)和參照波段(570nm)的反射率。
[0005]入射光被葉片吸收后，有三個(gè)可能的去向:一是用于推動(dòng)光化學(xué)反應(yīng)；二是轉(zhuǎn)變成熱散失:三是以熒光的形式發(fā)射出來(lái)。三者之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。如果入射光強(qiáng)超過(guò)光合作用能夠使用的能量，多余的光能要轉(zhuǎn)換成熱散失，以避免光合機(jī)構(gòu)受到破壞。光能的熱散失是葉黃素從環(huán)氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊摥h(huán)氧化狀態(tài)的結(jié)果，而這種色素形態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致531nm處反射率的下降，但對(duì)570nm處的反射率卻幾乎沒(méi)有影響。因此，光能利用率越高，熱散失越少，531nm處反射率的下降越少，光化學(xué)反射指數(shù)就越高。光化學(xué)反射指數(shù)與光能利用率成正相關(guān)關(guān)系，這就是光化學(xué)反射指數(shù)可以估算光能利用率的機(jī)理原因。
[0006]在葉片尺度上對(duì)光化學(xué)反射指數(shù)的研究主要關(guān)注的是是植物體受環(huán)境脅迫時(shí)的響應(yīng)機(jī)制，以及光化學(xué)反射指數(shù)-光能利用率的關(guān)系受植物體自身生理生化條件等因素對(duì)光化學(xué)反射指數(shù)-光能利用率關(guān)系的影響。由葉片尺度擴(kuò)展到冠層尺度，光化學(xué)反射指數(shù)-光能利用率之間的關(guān)系除了與植物體自身生理特性有關(guān)之外，更多的受到觀測(cè)角度光照幾何特性和植被冠層結(jié)構(gòu)特征的影響，使得冠層光化學(xué)反射指數(shù)-光能利用率之間關(guān)系遠(yuǎn)比葉片復(fù)雜。研究手段主要是借助不同的遙感平臺(tái)進(jìn)行觀測(cè)，可分為地面觀測(cè)、航空觀測(cè)和航天觀測(cè)三種。由于地面?zhèn)鞲衅鲙缀醪皇艽髿庥绊懀鞣N干擾因素比較容易控制，在自然條件下可以詳細(xì)研究各個(gè)影響因子，以便于解釋和模擬航空航天觀測(cè)的不確定性，因此很多研究利用地面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)量光化學(xué)反射指數(shù)，嘗試建立光化學(xué)反射指數(shù)-光能利用率關(guān)系。Gamon等人最早在兩個(gè)塔之間懸掛安置一個(gè)軌道，觀測(cè)了整個(gè)夏季山楊的光譜特征。Nichol 等人在“Remote sensing of photosynthetic light use efficiency ofa Siberianboreal forest”文中提到，在近地面測(cè)量了西伯利亞北部歐洲赤松林的冠層光化學(xué)反射指數(shù)，發(fā)現(xiàn)光能利用率與光化學(xué)反射指數(shù)有非常好的線(xiàn)性關(guān)系(R2 = 0.97，P < 0.001)。在“Remote Sensing ofEnvironment，，2008 年第 112 卷 “Separating physiologically anddirectionally induced changes in PRI using BRDF models” 一文中，Hilker 等人在通量塔上搭建一套多角度光譜觀測(cè)系統(tǒng)，利用其觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)一片北美花旗松的光化學(xué)反射指數(shù)與光能利用率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者存在顯著的相關(guān)性(R2 = 0.88)，其觀測(cè)方法為本發(fā)明提供了理論指導(dǎo)。
[0007]近年來(lái)，隨著通量觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)尺度光化學(xué)反射指數(shù)與光能利用率之間關(guān)系的研究不斷涌現(xiàn)，證明了可以利用光化學(xué)反射指數(shù)估算光能利用率，但也發(fā)現(xiàn)光化學(xué)反射指數(shù)與光能利用率之間關(guān)系存在很大的時(shí)空變異，受到葉傾角分布、太陽(yáng)天頂角、觀測(cè)角和冠層結(jié)構(gòu)等很多因素的影響。此外，光學(xué)遙感觀測(cè)受到冠層的二向性反射的影響，單一角度的觀測(cè)無(wú)法排除眾多因素的干擾。而且，現(xiàn)有的研究都沒(méi)有考慮植被冠層內(nèi)部陰影葉片(即陰葉)和光照葉片(即陽(yáng)葉)在光化學(xué)反射指數(shù)和光能利用率方面的固有差別，必然會(huì)影響到冠層光化學(xué)反射指數(shù)與光能利用率之間關(guān)系結(jié)論。越來(lái)越多的研究開(kāi)始認(rèn)識(shí)到陰葉和陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的差別，試圖借助幾何光學(xué)模型從冠層觀測(cè)數(shù)據(jù)中對(duì)其進(jìn)行分離，以建立更好的光能利用率遙感估算模型。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是:
[0009]提供一套利用多角度觀測(cè)系統(tǒng)同時(shí)獲取太陽(yáng)入射光譜和植被冠層多角度反射光譜的方法，用于計(jì)算植被冠層不同角度的反射率，結(jié)合5尺度幾何光學(xué)模型，模擬不同太陽(yáng)天頂角下特定觀測(cè)角度陰葉和陽(yáng)葉的比例，進(jìn)而估算陰葉和陽(yáng)葉各自的光化學(xué)反射指數(shù)，作為準(zhǔn)確估算冠層陰葉和陽(yáng)葉光能利用率的基礎(chǔ)。
[0010]本發(fā)明的原理如下:
[0011]利用一套安裝在通量塔上的全自動(dòng)多角度光譜觀測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由以下設(shè)備組成:可同時(shí)獲取太陽(yáng)入射光和植被反射光的雙通道光譜儀、可垂直水平旋轉(zhuǎn)的云臺(tái)、可長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器及通信線(xiàn)纜，以及裝載自動(dòng)觀測(cè)軟件平臺(tái)的電腦。該系統(tǒng)可長(zhǎng)期獲取每日連續(xù)的太陽(yáng)入射光譜和多角度的植被冠層反射光譜，用于計(jì)算冠層反射率，進(jìn)而計(jì)算光化學(xué)反射指數(shù)，可獲得不同太陽(yáng)入射光強(qiáng)下的光化學(xué)反射指數(shù)變化趨勢(shì)。結(jié)合5尺度幾何光學(xué)模型，根據(jù)實(shí)測(cè)的冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)，模擬不同時(shí)刻不同太陽(yáng)天頂角特定觀測(cè)角度陰葉和陽(yáng)葉的比例，消除冠層二向性反射的影響，精確估算該觀測(cè)角度瞬時(shí)的陰葉和陽(yáng)葉各自的光化學(xué)反射指數(shù)。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案主要包括以下步驟:[0013](I)首先建立光譜觀測(cè)硬件系統(tǒng)。雙通道光譜儀由美國(guó)PPSYSTEMS公司生產(chǎn)，型號(hào)為Unispec-DC,機(jī)器自身裝有一臺(tái)微型電腦，但為了與塔下的電腦直接通信，需先將光譜儀內(nèi)部跳線(xiàn)重新設(shè)置，通過(guò)RS232接口傳輸信號(hào)。通道I接下行光纖配合余弦接收器使用，測(cè)太陽(yáng)入射光譜，余弦接收器水平向上安裝。通道2接上行光纖配合視角調(diào)試管使用，測(cè)冠層反射光譜，瞬時(shí)視場(chǎng)角為20°，安裝在一個(gè)45°的支架上，使探頭與垂直方向呈45°向下觀測(cè)植被冠層。支架安裝在FLIR公司提供的云臺(tái)上，型號(hào)為PTU-D46-17.5W。云臺(tái)旋轉(zhuǎn)頭安裝在室外，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與云臺(tái)控制器相連。旋轉(zhuǎn)頭水平旋轉(zhuǎn)范圍是-159°~159°，垂直旋轉(zhuǎn)范圍是-42°~37°，安裝45°的支架后，探頭觀測(cè)天頂角的垂直范圍改為3°~82°，可模擬一天內(nèi)太陽(yáng)天頂角的變化。
[0014]光譜儀與云臺(tái)的信號(hào)傳輸接口均為RS232，為長(zhǎng)距離傳輸，需要用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將RS232轉(zhuǎn)為RS422，連接電腦時(shí)還需再將RS422轉(zhuǎn)回RS232，RS232轉(zhuǎn)成USB接口與電腦連接。由于光譜儀自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?，兩個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器間需要用交叉連接的8針RJ45線(xiàn)纜連接，交叉方式為I和3對(duì)接，2和6對(duì)接。云臺(tái)與下行光纖均安裝在室外的水平架上，云臺(tái)控制器和光譜儀主機(jī)安裝在防水箱內(nèi)，放置于塔上。
[0015](2)軟件控制。觀測(cè)系統(tǒng)的軟件由MATLAB與C語(yǔ)言混編，主體為MATLAB圖形界面編寫(xiě)的程序。程序主要由光譜儀與云臺(tái)的初始化、光譜儀掃描、云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分組成，另外包含一個(gè)模擬衛(wèi)星過(guò)境部分，通過(guò)預(yù)測(cè)MODIS衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間和傳感器掃描角度，控制云臺(tái)旋轉(zhuǎn)至相同角度進(jìn)行觀測(cè)，每天模擬Terra和Aqua各兩次過(guò)境。光譜數(shù)據(jù)和角度約3秒采集一次，每15分鐘保存至一個(gè)文件，一天96個(gè)文件。云臺(tái)通過(guò)水平和垂直旋轉(zhuǎn)改變觀測(cè)方位角和觀測(cè)天頂角，有常規(guī)旋轉(zhuǎn)和模擬太陽(yáng)天頂角兩種旋轉(zhuǎn)模式，常規(guī)旋轉(zhuǎn)是固定觀測(cè)天頂角(37°、47°、57°或42°、52°、62° )，改變觀測(cè)方位角，方位角一次改變10°。由于上行光纖由45°支架支撐，可以保證模擬一天內(nèi)太陽(yáng)天頂角的變化，每15分鐘開(kāi)始時(shí)觀測(cè)天頂角設(shè)定為當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)天頂角，觀測(cè)方位角10° —步，水平旋轉(zhuǎn)一周后轉(zhuǎn)為常規(guī)旋轉(zhuǎn)模式。
[0016](3)數(shù)據(jù)處理。觀測(cè)過(guò)程中每15分鐘生成`的文件為MATLAB特有的mat文件，由太陽(yáng)入射光譜、冠層反射光譜、太陽(yáng)天頂角、太陽(yáng)方位角、觀測(cè)天頂角、觀測(cè)方位角等部分構(gòu)成，為方便海量數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析，需將其篩選轉(zhuǎn)換為EXCEL表格。利用MATLAB編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)有效光譜波段數(shù)據(jù)及角度等數(shù)據(jù)的批量選取與轉(zhuǎn)換，并去除因儀器自身和傳輸過(guò)程的噪聲產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)。
[0017](4)多角度光化學(xué)反射指數(shù)(PRI)計(jì)算。PRI是一種歸一化的植被指數(shù)，計(jì)算方法如下:
[0018]PRI = P-^^(I)

^531+^570
[0019]根據(jù)公式(1)，首先要計(jì)算531nm和570nm處的反射率。由于光譜儀自身波段設(shè)置的特性，兩個(gè)波段的反射率由以下公式計(jì)算:
[0020]P 531 — 0.6 P 529.7+0.4 P 533 (2)
[0021 ] P 570 — 0.8 P 569.4+0.4 P 572.8 (3)
[0022]由于兩根光纖及兩個(gè)光譜通道對(duì)光的響應(yīng)不同，且隨波長(zhǎng)變化，需要用白板進(jìn)行校正。校正方法是余弦接收器依舊水平向上測(cè)太陽(yáng)光輻亮度，上行光纖垂直對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)白板測(cè)反射光輻照度，獲取各波段輻照度與輻亮度的比值P ’。公式(2)、(3)的計(jì)算結(jié)果除以各自波段的P，即可得用于計(jì)算PRI的反射率。
[0023](5)多角度光化學(xué)反射指數(shù)空間變化分析。為分析光化學(xué)反射指數(shù)在不同觀測(cè)天頂角和方位角的空間變化特征，利用MATLAB編寫(xiě)可視化程序，制作不同觀測(cè)天頂角和方位角的光化學(xué)反射指數(shù)的三維分布圖。
[0024](6)陰葉和陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的計(jì)算。利用光線(xiàn)追蹤法改進(jìn)的5尺度幾何光學(xué)模型可用于計(jì)算冠層特定觀測(cè)角陰葉和陽(yáng)葉的比例。首先對(duì)冠層中葉片空間角度分布進(jìn)行描述，然后定義某個(gè)角度的視線(xiàn)射入此觀測(cè)，如果這條視線(xiàn)可以碰到任何葉片，再判斷太陽(yáng)入射光是否也能照射到視線(xiàn)觸及的葉片點(diǎn)。重復(fù)此過(guò)程，該觀測(cè)角視場(chǎng)內(nèi)的陽(yáng)葉就可以分離出來(lái)。
[0025]對(duì)于葉片的空間角度分布，首先假設(shè)葉片是隨機(jī)分布的，選擇冠層內(nèi)一個(gè)點(diǎn)為原點(diǎn)，定義每個(gè)葉片的法向量，從而算出每個(gè)葉片的空間角度和空間位置。
[0026]設(shè)定觀測(cè)方位角為0，通過(guò)改變觀測(cè)方位角θ v和太陽(yáng)入射角Θ s模擬多角度觀測(cè)，視線(xiàn)的入射面由視線(xiàn)的方向向量和觀測(cè)點(diǎn)來(lái)定義。視線(xiàn)由入射面逐點(diǎn)的發(fā)出，如果發(fā)出的視線(xiàn)與葉片沒(méi)有交點(diǎn)，則不進(jìn)行計(jì)算；如有交點(diǎn)，則可找出第一個(gè)交點(diǎn)。然后根據(jù)太陽(yáng)入射光和視線(xiàn)的方向向量，以及葉片的法向量判斷該交點(diǎn)是否被太陽(yáng)光照射。如果該交點(diǎn)與太陽(yáng)光之間有其他葉片遮擋，或者該交點(diǎn)與太陽(yáng)入射光和葉片的交點(diǎn)不在同一面，則判定此視線(xiàn)看到的是陰葉，否則為陽(yáng)葉。光線(xiàn)追蹤進(jìn)程結(jié)束后，可求得視線(xiàn)內(nèi)陽(yáng)葉點(diǎn)占所有觀測(cè)點(diǎn)的比例sv。由于觀測(cè)點(diǎn)包含背景點(diǎn)(可視的地面點(diǎn))，設(shè)觀測(cè)到背景的比例為Pvg(此比例的計(jì)算不屬于本發(fā)明的內(nèi)容)，則在任意坡度上的植被冠層可觀測(cè)到陽(yáng)葉的比例Pst為:
[0027]Pst = Sv/(1-Pvg) (4)
[0028]可觀測(cè)到陰葉的比例Pat為:
[0029]Pat = 1-Pst-Pvg (5)
[0030]為驅(qū)動(dòng)改進(jìn)的5尺度幾何光學(xué)模型，需要進(jìn)行樣地調(diào)查精確測(cè)定若干結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要有葉面積指數(shù)、枝下高、冠層高度、樹(shù)梢高度、冠幅、樹(shù)梢半角值等參數(shù)。模型由MATLAB編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在:多角度觀測(cè)系統(tǒng)可獲取海量光譜信息，用于計(jì)算不同光強(qiáng)下的光化學(xué)反射指數(shù)，可校正冠層的二向性反射特性引起的誤差。建立了批量篩選、輸出、計(jì)算光化學(xué)反射指數(shù)的方法，并實(shí)現(xiàn)其在不同觀測(cè)角度下的三維可視化。結(jié)合改進(jìn)的5尺度幾何光學(xué)模型，計(jì)算特定觀測(cè)角陰葉和陽(yáng)葉各自的光化學(xué)反射指數(shù)。
[0032]具體有益效果如下:
[0033]本發(fā)明利用自動(dòng)多角度冠層光譜系統(tǒng)獲取植被可見(jiàn)波段至近紅外波段海量的光譜數(shù)據(jù)，提供了一種連續(xù)高效的無(wú)需接觸的觀測(cè)植被冠層生理參數(shù)的方法。本發(fā)明通過(guò)旋轉(zhuǎn)上行光纖的探頭改變觀測(cè)角度，獲取冠層的多角度反射光譜。利用MATLAB編寫(xiě)的程序可以有效處理海量的數(shù)據(jù)。三維可視化使光化學(xué)反射指數(shù)不同光照強(qiáng)度下，不同觀測(cè)角度的空間變化特征清晰可見(jiàn)，表明不同觀測(cè)角度陰陽(yáng)葉的比例不同，且陰葉和陽(yáng)葉的光化學(xué)反射指數(shù)不同，造成觀測(cè)的總光化學(xué)反射指數(shù)不同。通過(guò)樣地調(diào)查獲取冠層的結(jié)構(gòu)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)改進(jìn)的5尺度幾何光學(xué)模型，可快速精確計(jì)算任意坡度和太陽(yáng)入射角下，不同觀測(cè)角的陰陽(yáng)葉比例，用于計(jì)算陰陽(yáng)葉的光化學(xué)反射指數(shù)。四、【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為本發(fā)明的流程示意圖；
[0035]圖2為觀測(cè)系統(tǒng)安裝在塔上的主要儀器的連接示意圖；
[0036]圖3為光線(xiàn)追蹤過(guò)程中，根據(jù)太陽(yáng)入射光、視線(xiàn)和葉片法向量在三維空間中的相對(duì)位置關(guān)系，判斷該葉片是否為陽(yáng)葉的示意圖；
[0037]圖4為塔上部分防水箱內(nèi)光譜儀等儀器的實(shí)際安裝效果圖，包括光譜儀、云臺(tái)控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、各類(lèi)數(shù)據(jù)線(xiàn)及附屬配件等；
[0038]圖5為塔上部分室外云臺(tái)、光纖等儀器的實(shí)際安裝效果圖，包括固定在通量塔上的水平三角架、云臺(tái)旋轉(zhuǎn)頭、下行光纖和余弦接收器、上行光纖和視角調(diào)試管，以及45°支架；
[0039]圖6為不同觀測(cè)天頂角和方位角的光化學(xué)反射指數(shù)三維可視效果圖，X軸為觀測(cè)天頂角，Y軸為觀測(cè)方位角，Z軸為光化學(xué)反射指數(shù)；
[0040]圖7 (a)為設(shè)上行光纖探頭觀測(cè)方位角位于太陽(yáng)主平面(太陽(yáng)入射光所在的垂直平面)上，此平面上三個(gè)坡度的冠層在不同觀測(cè)天頂角的陽(yáng)葉比例分布圖；
[0041]圖7(b)為主平面上三個(gè)坡度的冠層在不同觀測(cè)天頂角的陰葉比例分布圖。
[0042]
五、【具體實(shí)施方式】
[0043]以下通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步解釋:
[0044]以江西省千煙洲生態(tài)網(wǎng)絡(luò)站架設(shè)的多角度觀測(cè)系統(tǒng)為實(shí)例，根據(jù)技術(shù)方案步驟
(I)所述，在塔上安裝儀器的實(shí)際效果圖。為防止夏季溫度過(guò)高，影響儀器正常工作，安裝溫控開(kāi)關(guān)和兩個(gè)風(fēng)扇，溫度過(guò)高時(shí)啟動(dòng)降溫。由于云臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中突然斷電會(huì)造成元器件損壞，因此在云臺(tái)電源適配器上并聯(lián)一個(gè)小型12伏蓄電池，防止斷電造成損壞。附圖4、5為儀器安裝的實(shí)際效果圖。
[0045]為保證整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)正常工作，每天凌晨3:00重啟電腦，并通過(guò)定時(shí)開(kāi)關(guān)重啟系統(tǒng)電源，初始化儀器和控制程序。在電源供應(yīng)方面，安裝了山特UPS不間斷電源，型號(hào)為MT1000S600W，在因雷雨天氣或線(xiàn)路檢修停電時(shí)，仍能保證供電約2?3小時(shí)。
[0046]千煙洲實(shí)驗(yàn)站的通量塔高42米，塔周?chē)脖惠^均一，主要樹(shù)種為濕地松和馬尾松，還有少量樟樹(shù)，冠層高約16米。根據(jù)千煙洲實(shí)驗(yàn)站實(shí)際情況，系統(tǒng)控制程序需輸入特定參數(shù)，如表I所示:
[0047]表I千煙洲實(shí)驗(yàn)站觀測(cè)參數(shù)
[0048]
【權(quán)利要求】
1.一種多角度觀測(cè)植被冠層陰陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的方法，其主要包括以下步驟: (1)光譜觀測(cè)硬件系統(tǒng)的建立； (2)利用MATLAB為平臺(tái)編寫(xiě)的軟件控制觀測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行，并保存觀測(cè)數(shù)據(jù)； (3)對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選轉(zhuǎn)換:將保存的mat文件轉(zhuǎn)換成EXCEL表格，去除因儀器自身和傳輸過(guò)程的噪聲產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)； (4)光化學(xué)反射指數(shù)的計(jì)算:首先計(jì)算531nm和570nm的反射率，并用白板觀測(cè)的各波段輻照度與輻亮度的比值P ’進(jìn)行校正，校正后的反射率用于計(jì)算光化學(xué)反射指數(shù)PRI:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多角度觀測(cè)植被冠層陰陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的方法，其特征在于步驟(1)中，使用一個(gè)45°的支架支撐上行光纖的探頭，使探頭觀測(cè)天頂角的垂直運(yùn)動(dòng)范圍改為3°~82°，可模擬一天內(nèi)太陽(yáng)天頂角的變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多角度觀測(cè)植被冠層陰陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的方法，其特征在于步驟(1)中，使用RJ45交叉連接的屏蔽雙絞線(xiàn)作為連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)線(xiàn)，可減少外界干擾，降低噪聲對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多角度觀測(cè)植被冠層陰陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的方法，其特征在于步驟(2)中，在每15分鐘開(kāi)始時(shí)，觀測(cè)方位角模擬太陽(yáng)入射光方位角，通過(guò)程序計(jì)算太陽(yáng)方位角，若在3°~82°范圍內(nèi)，則以模擬太陽(yáng)天頂角模式進(jìn)行觀測(cè)；否則以常規(guī)模式觀測(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多角度觀測(cè)植被冠層陰陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的方法，其特征在于步驟(3)中，將保存的mat文件轉(zhuǎn)換成EXCEL表格，去除因儀器自身和傳輸過(guò)程的噪聲產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)，選出用于計(jì)算531nm和570nm的光譜數(shù)據(jù)，分別為529.7nm、533nm、569.4nm和572.8nm四個(gè)波段的數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種多角度觀測(cè)植被冠層陰陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的方法，其特征在于步驟(4)中，利用篩選的四個(gè)波段的光譜數(shù)據(jù)計(jì)算各自的反射率，然后計(jì)算53 Inm和570nm處的反射率:
P 531 — 0.6 P 529.7+0.4 P 533(4)
P 570 — 0.8 P 569.4+0.4 P 572.8 利用白板觀測(cè)數(shù)據(jù)P ’校正計(jì)算的P531和P57tl,然后計(jì)算光化學(xué)反射指數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、5或6所述的一種多角度觀測(cè)植被冠層陰陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的方法，其特征在于步驟(5)中，利用MATLAB編寫(xiě)可視化程序，制作不同觀測(cè)天頂角和方位角的光化學(xué)反射指數(shù)的三維分布圖，分析其空間變化特征。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、5、6或7所述的一種多角度觀測(cè)植被冠層陰陽(yáng)葉光化學(xué)反射指數(shù)的方法，其特征在于步驟(6)中，利用光線(xiàn)追蹤法改進(jìn)5尺度幾何光學(xué)模型，首先對(duì)冠層中葉片空間角度分布進(jìn)行描述，然后定義某個(gè)角度的視線(xiàn)射入此觀測(cè)，如果這條視線(xiàn)可以碰到任何葉片，再判斷太陽(yáng)入射光是否也能照射到視線(xiàn)觸及的葉片點(diǎn)。重復(fù)此過(guò)程，完成該觀測(cè)角視場(chǎng)內(nèi)陽(yáng)葉和陰葉的分離，在任意坡度的地面上計(jì)算不同太陽(yáng)入射角下特定觀測(cè)角度的陰陽(yáng)葉比例，進(jìn)而分別計(jì)算陰葉和`陽(yáng)葉的光化學(xué)反射指數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01N21/25GK103674852SQ201310283751
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月22日
【發(fā)明者】張乾, 范渭亮, 馮永康, 陳鏡明, 居為民 申請(qǐng)人:南京大學(xué)