本發(fā)明涉及組織光學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地說，涉及一種葉片葉綠素含量的反演方法及裝置。
背景技術(shù)：
：葉綠素是葉片中的基本組成物質(zhì)，不僅主導(dǎo)了葉片的光合作用，還可作為農(nóng)作物生長狀態(tài)的重要指示因子；比如，可利用農(nóng)作物中葉綠素含量測算農(nóng)作物的光合能力，生長周期，及病蟲害、重金屬脅迫等受脅迫程度，還可通過葉綠素含量間接估算出農(nóng)作物的營養(yǎng)狀況。目前，常利用ipr、cari、sipi、tvi等植被指數(shù)與葉綠素含量間的關(guān)系建立用于估算葉片葉綠素含量的統(tǒng)計(jì)模型。公開號(hào)為cn105277491a的專利文獻(xiàn)公開了一種葉綠素含量的測量方法，即葉綠素含量的反演方法，包括以下步驟：(1)采集預(yù)設(shè)樣本的葉綠素含量，并根據(jù)預(yù)設(shè)樣本的高光譜反射率數(shù)據(jù)計(jì)算對應(yīng)的光譜植被指數(shù)；(2)根據(jù)預(yù)設(shè)樣本的葉綠素含量與對應(yīng)的光譜植被指數(shù)構(gòu)建待測植被的葉綠素含量與光譜植被指數(shù)的預(yù)測關(guān)系模型；(3)獲取待測植被的葉片和冠層的高光譜反射率數(shù)據(jù)；(4)根據(jù)高光譜反射率數(shù)據(jù)，利用光譜指數(shù)算法計(jì)算待測植被的光譜植被指數(shù)；(5)根據(jù)待測植被的光譜植被指數(shù)，采用預(yù)先建立的預(yù)測關(guān)系模型反演得到待測植被的葉綠素含量。在該對比文件中，其為通過建立預(yù)設(shè)樣本的葉綠素含量與對應(yīng)的高光譜反射率光譜植被指數(shù)的預(yù)測關(guān)系模型后，根據(jù)待測植被的光譜植被指數(shù)反演出葉綠素含量。由于葉片中水分含量、葉片厚度、細(xì)胞結(jié)構(gòu)等差異對光譜反射率的影響，利用單個(gè)波段的反射率，或者幾個(gè)波段的反射率的組合，通過海量計(jì)算相關(guān)關(guān)系來建立經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)估算模型，不能有效監(jiān)測作物葉綠素含量，并且缺乏機(jī)理性。公告號(hào)為cn205262963u的專利文獻(xiàn)中公開了一種用于小麥葉片葉綠素含量估算的遙感系統(tǒng)，其通過建立基于prospect模型的輸入葉綠素含量與輸出的葉片反射率光譜之間估算模型，并利用支持向量機(jī)訓(xùn)練學(xué)習(xí)實(shí)測的葉片葉綠素含量與小麥葉片光譜之間的關(guān)系校正估算模型。由于prospect葉片模型將葉片看成一個(gè)表面粗糙的n層均勻平板，該模型需輸入葉綠素含量、類胡蘿卜素含量、棕色素含量、等價(jià)水厚度、干物質(zhì)含量及葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)六個(gè)參數(shù)，輸出為400納米-2500納米的反射率與透射率，因此，其對應(yīng)反演模型需輸入400納米-2500納米的反射率與透射率，從而輸出為上述六個(gè)參數(shù)。該模型由于基于prospect模型而不缺乏機(jī)理性，但其必須測量葉片在400納米-2500納米波段的反射率與透射率作為輸入，從而輸出上述六個(gè)參數(shù)，導(dǎo)致其在反演過程中，必須基于大量400納米-2500納米的反射率與透射率的數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，導(dǎo)致其建模過程繁瑣，且不具有普適性，此外，還輸出除了葉綠素含量之外的不必要參數(shù)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種葉片葉綠素含量的測量裝置，有效地簡化測量過程及提高輸出精度；本發(fā)明的另一目的是提供一種葉片葉綠素含量的反演方法，在簡化反演過程及提高模型精度的同時(shí)，有效避免葉綠素含量之外不必要參數(shù)的輸出。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的測量裝置包括反射率測量單元及與反射率測量單元通訊連接的處理單元，處理單元包括存儲(chǔ)器與處理器，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)能實(shí)現(xiàn)以下步驟：基于葉綠素反演模型，利用反射率測量單元獲取葉片的全反射率反演出該葉片的葉綠素含量，葉綠素反演模型為其中，cab為葉片葉綠素含量，f為小波基函數(shù)，s為尺度因子，w1與w2分別為葉片吸收系數(shù)的小波曲線的波峰與波谷，n為葉肉結(jié)構(gòu)參數(shù)，cwtr為以f、s、w1、w2為參數(shù)對被測葉片的全反射率進(jìn)行小波分析獲得的小波系數(shù)。在測量裝置中，通過反射率測量單元測得被測葉片的全反射率，處理器單元基于葉綠素反演模型，利用測得的全反射率反演出葉片的葉綠素含量；工作過程，只需測得全反射率并只輸出葉綠素含量，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能有效地簡化了測量過程及反演過程，可進(jìn)一步提高輸出精度。具體的方案為小波基函數(shù)f為db1，尺度因子s為150納米，波峰w1位置為699納米，波谷w2位置為614納米。另一個(gè)具體的方案為葉肉結(jié)構(gòu)參數(shù)n為經(jīng)驗(yàn)值或利用測得測量樣本的全反射率與全透射率并基于prospect模型計(jì)算得到。優(yōu)選的方案為基于波段范圍在550納米至700納米的葉片全反射率反演出葉片葉綠素含量。另一個(gè)優(yōu)選的方案為葉片反射率測量單元包括通過光纖連接的光源系統(tǒng)、單積分球光路系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)；光源系統(tǒng)包括波段為250納米至2500納米的鹵鎢燈源；單積分球光路系統(tǒng)包括積分球及安裝在積分球上的光斑調(diào)節(jié)器，光斑調(diào)節(jié)器包括金屬管，金屬管通過積分球的入光口伸入積分球內(nèi)部；檢測裝置包括光譜檢測儀。為了實(shí)現(xiàn)上述另一目的，本發(fā)明提供的反演方法包括獲取步驟與反演步驟；其中，獲取步驟包括獲取葉片樣本在550納米至700納米波段范圍內(nèi)的全反射率；反演步驟包括基于葉綠素含量反演模型，依據(jù)獲取的全反射率反演出葉片樣本的葉綠素含量，該葉綠素含量反演模型為其中，cab為葉片葉綠素含量，小波基函數(shù)f為db1,尺度因子s為150納米，波峰w1位置為699納米，波谷w2位置為614納米，n為葉肉結(jié)構(gòu)參數(shù)，cwtr為以f、s、w1、w2為參數(shù)對被測葉片全反射率進(jìn)行小波分析獲得的小波系數(shù)。在反演方法中，輸入?yún)?shù)只有被測葉片的全反射率，而輸出參數(shù)只有葉綠素含量，可有效地簡化反演過程及提高模型精度的同時(shí)，有效避免葉綠素含量之外不必要參數(shù)的輸出。具體的方案為葉肉結(jié)構(gòu)參數(shù)n為經(jīng)驗(yàn)值或利用測得測量樣本的全反射率與全透射率并基于prospect模型計(jì)算得到。為了實(shí)現(xiàn)上述另一目的，本發(fā)明提供反演方法包括建模步驟、參數(shù)確定步驟、獲取步驟及反演步驟；其中建模步驟包括聯(lián)合prospect模型與光譜反射模型，利用連續(xù)小波分析方法獲取葉綠素含量反演模型；參數(shù)確定步驟包括利用prospect模型，模擬葉綠素含量與反射率的關(guān)系，確定葉綠素敏感波譜范圍及利用連續(xù)小波分析確定葉綠素含量反演模型的參數(shù)；獲取步驟包括獲取葉片樣本的全反射率；反演步驟包括基于葉綠素含量反演模型與獲取的全反射率，反演出葉片樣本的葉綠素含量。具體的方案為光譜反射模型為a(λ)＝1-(1+α)r(λ)，其中，a為光譜吸收率、r為光譜反射率，α為光譜透射率與光譜反射率比值；經(jīng)參數(shù)確認(rèn)后的葉綠素反演模型為其中，cab為葉片葉綠素含量，小波基函數(shù)f、尺度因子s、波峰w1位置、波谷w2位置及葉肉結(jié)構(gòu)參數(shù)n為葉綠素反演模型的參數(shù)，cwtr為以f、s、w1、w2為參數(shù)對被測葉片的全反射率進(jìn)行小波分析獲得的小波系數(shù)。更具體的方案為小波基函數(shù)f為db1,尺度因子s為150納米，波峰w1位置為699納米，波谷w2位置為614納米；葉綠素敏感波譜范圍為550納米至700納米。附圖說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例中葉片葉綠素含量的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例中單積分球光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中反演方法的工作流程圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例中利用prospect模型模擬葉綠素含量敏感波段的示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例中利用prospect模型分析反演模型中各參數(shù)的波譜分布圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例中對ke進(jìn)行小波分析的結(jié)果圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例與對比例對不同葉綠素含量的敏感性分析結(jié)果圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合實(shí)施例及其附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例參見圖1及圖2，本發(fā)明測量裝置包括為整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置提供光源的光源系統(tǒng)1、對葉片樣品的全反射率進(jìn)行測量的單積分球系統(tǒng)3、將實(shí)驗(yàn)過程中的光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)的光電檢測系統(tǒng)4及對數(shù)據(jù)處理與顯示的計(jì)算機(jī)5；光源系統(tǒng)1、單積分球光路系統(tǒng)3及光電檢測系統(tǒng)4間通過直徑為400μm、波段范圍為380-1000nm的光纖2連接，光電檢測系統(tǒng)4與計(jì)算機(jī)5通訊連接。其中，計(jì)算機(jī)5構(gòu)成本實(shí)施例處理單元，其包括存儲(chǔ)器及與該存儲(chǔ)器通訊連接的處理器，通過光纖2連接的光源系統(tǒng)1、單積分球光路系統(tǒng)及光電檢測系統(tǒng)4構(gòu)成本實(shí)施例中的與處理單元通訊連接的反射率測量單元。在本實(shí)施例中，“通訊連接”使用包括一個(gè)或多個(gè)被配置在與處理單元與反射率測量單元或處理器與存儲(chǔ)器間數(shù)據(jù)路線以傳送信息數(shù)據(jù)的連接方式，其中，數(shù)據(jù)線路可以是通訊網(wǎng)絡(luò)中的電線路、光學(xué)線路、無線線路及它們的組合，其還有多種顯而易見的變化，比如，通過移動(dòng)硬盤等存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行傳輸。光源系統(tǒng)1由波段為250納米-2500納米的鹵鎢燈源及額定功率為250w的電源供給箱組成，其光源功率可調(diào)，根據(jù)需求可選擇強(qiáng)度模式、電流模式或者功率模式，且每次實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)定均可儲(chǔ)存，下次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí)可直接調(diào)用。單積分球光路系統(tǒng)包括積分球3、支撐架、金屬管9與樣品夾。積分球3上設(shè)有反射口10、入光口8，入光口8通過光纖2與光源系統(tǒng)1連接，檢測口通過光纖與檢測系統(tǒng)4連接，反射口10上安裝有樣品夾，以支撐并固定待測葉片樣本，積分球3內(nèi)壁涂有高反射涂層，如spectraflect白色涂層，以在積分球的內(nèi)腔內(nèi)形成均勻光強(qiáng)。金屬管9的外表面涂有與積分球3內(nèi)壁相同的高反射涂層，用于將光纖2送至反射口并限制光斑的大小，即金屬管9構(gòu)成本實(shí)施例中的光斑調(diào)節(jié)器，在本實(shí)施例中，金屬管的內(nèi)徑為8毫米，外徑為12毫米，長度為300毫米。支撐架用于支撐、固定光纖2、金屬管9及放置樣品夾。樣品夾由一端固定，另一端可移動(dòng)的金屬架組成；其兩端放置石英玻片，并可根據(jù)樣品的厚度調(diào)節(jié)可移動(dòng)。檢測系統(tǒng)4包括海洋光學(xué)檢測器以及罩設(shè)在海洋光學(xué)檢測器外的透明罩，海洋光學(xué)檢測器的檢測波段范圍為350nm-1000nm。如圖2所示，當(dāng)測量葉片樣本反射率時(shí)，金屬管9通過遠(yuǎn)離反射口10的積分球一側(cè)的入光口伸入到積分球3內(nèi)，金屬管9由適配器7固定，適配器7通過支撐架安裝在積分球上。金屬管9用于調(diào)節(jié)光纖2的光斑，使照射在樣本上的光斑大小為1mm。計(jì)算機(jī)5用于數(shù)據(jù)采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以計(jì)算出葉片樣本的反射率及計(jì)算出葉片樣本的葉綠素含量，即，存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)有供處理器執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，能實(shí)現(xiàn)以下步驟：基于葉綠素反演模型，利用所述反射率測量單元獲取葉片的反射率反演出該葉片的葉綠素含量，其中，葉綠素反演模型為：其中，cab為葉片葉綠素含量，小波基函數(shù)f為db1,尺度因子s為150納米，波峰w1位置為699納米，波谷w2位置為614納米，n為葉肉結(jié)構(gòu)參數(shù)，cwtr為以f、s、w1、w2為參數(shù)對被測葉片全反射率進(jìn)行小波分析獲得的小波系數(shù)；葉肉結(jié)構(gòu)參數(shù)n為經(jīng)驗(yàn)值或利用測得測量樣本的全反射率與全透射率并基于prospect模型計(jì)算得到，在本實(shí)施例中選用后者。在本實(shí)施例中，反射率測量單元獲取葉片反射率的波段范圍為550納米至700納米。參見圖3，上述葉綠素反演模型的獲取并用其反演葉片葉綠素含量的過程包括建模步驟s1、參數(shù)確定步驟s2、獲取步驟s3及反演步驟s4。建模步驟s1，聯(lián)合prospect模型與光譜反射模型，利用連續(xù)小波分析方法獲取葉綠素含量反演模型。(1)對于光譜反射模型，葉片的光譜反射率r、透射率t和吸收率a滿足三者之間恒為1的條件，且葉片的反射率r和透射率t之間的關(guān)系可表示為式1：t(λ)＝αr(λ)則吸收率a可以表達(dá)為式2：a(λ)＝1-(1+α)r(λ)其中，光譜透射率與光譜反射率比值。(2)對于prospect模型，葉片的吸收率a可以近似表示為葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)n和單個(gè)平板層吸收系數(shù)k的函數(shù)，即下式3：a(λ)＝nke(λ)+cabkab(λ)+carkar(λ)+cbrownkbrown(λ)+cmkm(λ)+cwkw(λ)其中，ke是白化基本層的吸收系數(shù)，kab、kar、kbrown、km、kw是葉片葉綠素、類胡蘿卜素，褐色素、水、干物質(zhì)對應(yīng)的吸收系數(shù)光譜。聯(lián)合式2與式3，可得式4：1-(α+1)r(λ)＝nke(λ)+cabkab(λ)+carkar(λ)+cbrownkbrown(λ)+cmkm(λ)+cwkw(λ)對式4進(jìn)行連續(xù)小波分解，可得式6：其中，cwtr表示一條光譜數(shù)據(jù)x(λ)的連續(xù)小波分析得到的小波系數(shù)，具體表示為下式6：通過設(shè)置不同的小波基函數(shù)f和尺度因子s，可獲得不同樣式的小波曲線。在選擇過程中，基于：因素(1)，在選定的波譜范圍內(nèi)，kab的cwt曲線具有波峰w1和波谷w2，代表葉綠素吸收敏感位置波段；因素(2)，葉肉結(jié)構(gòu)參數(shù)n對葉片反射光譜影響相當(dāng)大，并且作用范圍覆蓋整個(gè)可見光和近紅外區(qū)域，因此必須作為重點(diǎn)考慮因素，只需保證其他影響因素在的吸收系數(shù)的cwt曲線在w1和w2處值近似為0，或反射率曲線在w1和w2周圍對其他影響因素不敏感。最后確定模型的小波基函數(shù)f,尺度因子s，和平移因子w1和w2。由于類胡蘿卜素car、棕色素cbrown、干物質(zhì)含量cm、等加水厚度cw在550nm-700nm之間的吸收系數(shù)為零或趨近于零，可由式5得下式7：與式8：式7/式8可得葉片葉綠素含量的反演模型，在本實(shí)施例中，命名為cab，具體如下式9：從式9可知，根據(jù)葉片反射率光譜r反演葉片葉綠素含量cab，需要確定5個(gè)參數(shù)：小波基函數(shù)f、尺度因子s、波紋w1、波谷w2及常數(shù)n，且在理論上，本cab模型不受cw(等加水厚度)與cm(干物質(zhì)含量)的影響。參數(shù)確定步驟s2，利用prospect模型，模擬葉綠素含量與反射率的關(guān)系，確定葉綠素敏感波譜范圍及葉綠素含量反演模型的參數(shù)。(1)確定葉綠素敏感波譜范圍利用prospect模型模擬了葉片葉綠素含量從5-95μg/cm2，步長為15，固定其他輸入?yún)?shù)，獲取光譜范圍在400-2500nm內(nèi)的反射率數(shù)，結(jié)果如圖4所示。從圖4可得，隨葉綠素含量的增加，葉片反射率在400-800nm的光譜范圍內(nèi)總體呈現(xiàn)下降趨勢，而在800-2500nm不發(fā)生變化。因此，可將葉綠素反演模型的敏感波段范圍確定為400-800nm。采用同樣的方法，利用prospect模型分析其他輸入?yún)?shù)的反射率曲線在400-800nm變化況，結(jié)果如圖5所示，從中可得，在550-700nm的波譜范圍內(nèi)，葉綠素cab和葉肉結(jié)構(gòu)參數(shù)n是主要影響因素，因此，進(jìn)一步地將葉綠素敏感波譜范圍確定為550-700nm。(2)確定連續(xù)小波分解的尺度與波段位置在選定的550-700nm波譜范圍內(nèi)，選擇小波分解的小波函數(shù)、尺度與波譜位置，確定葉綠素反演模型的參數(shù)：f，s，w1，w2。對kab、ke進(jìn)行bior，db，coif，sym與rbio等5種常用連續(xù)小波分解。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在本實(shí)施例中，為利用matlab提供的小波分析的程序包進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果如圖6所示，從中可看出，滿足上述兩個(gè)因素的小波基f為db1，波譜尺度s為150nm，波峰w1位置為699nm，波谷w2位置為614nm。(3)根據(jù)步驟(2)確定的參數(shù)f，s，w1，w2值，進(jìn)一步表達(dá)葉綠素反演模型為下式10：在式10中，cwtr為以f、s、w1、w2為參數(shù)對被測葉片反射率進(jìn)行小波分析獲得的小波系數(shù)，根據(jù)測出的葉片反射率進(jìn)行確定，因此，只需確定葉肉參數(shù)n即可。對于參數(shù)n，其為經(jīng)驗(yàn)值或利用測得測量樣本的反射率與透射率并基于prospect模型計(jì)算得到。獲取步驟s3，獲取葉片樣本的全反射率。將葉片樣本置于上述測量裝置中的樣品夾上，測量出其在550-700納米波譜范圍內(nèi)的反射率。反演步驟s4，利用上述式10與獲取步驟s3測得的反射率，反演出該葉片樣本的葉綠素含量。具體為，利用測得的反射率，計(jì)算出cwtr，并依據(jù)葉綠素含量反演模型反演出葉片樣本的葉綠素含量。基于prospect模型及l(fā)opex93數(shù)據(jù)庫，以pri、cari、sipi、tvi四種常用葉綠素指數(shù)模型為對比例，對本實(shí)施例構(gòu)建的葉綠素含量反演模型進(jìn)行比較驗(yàn)證。(1)對不同葉綠素含量的敏感性比較將prospect模型各參數(shù)固定為n＝1.875,cw＝0.012cm,cm＝0.005g/cm2,car＝12μg/cm2，cbrown＝1，且cab的值從21到99μg/cm2，步長為2，共模擬40條葉片反射率曲線。通過計(jì)算cab、pri、cari、sipi、tvi各高光譜植被指數(shù)，并進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖7所示，對于tvi，其在cab為20-35μg/cm2的區(qū)間與35-98μg/cm2區(qū)間呈現(xiàn)相反的單調(diào)特征，表明cab含量較低時(shí)，即低于35μg/cm2，tvi不適合用于反演葉片葉綠素。對于sipi，在cab為20-50μg/cm2區(qū)間內(nèi)變化迅速，而大于50μg/cm2時(shí)則變化緩慢，并趨于平緩，表明cab含量較高時(shí)，sipi容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。對于cari、pri和cab，對不同葉綠素含量表現(xiàn)單調(diào)性一致。如下表1為不同植被指數(shù)的r2值，從中可以看出，本模型cab的r2達(dá)到0.9792，具有更好的線性關(guān)系，表明cab對于葉片葉綠素含量反演精度相對更準(zhǔn)確和穩(wěn)定。表1不同植被指數(shù)的r2值指數(shù)pricarisipitvicabr20.93760.93780.61970.90480.9792(2)實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證利用建立的葉片葉綠素含量反演模型，結(jié)合lopex93數(shù)據(jù)集中的葉片反射率光譜，反演cab。由于lopex93實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有給出葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)n值，本文僅采用prospect模型從lopex93數(shù)據(jù)中提供的兩種作物數(shù)據(jù)，clover的n＝1.875，laurel的n＝2.660，共9個(gè)樣本數(shù)據(jù)。具體數(shù)值如如下表2所示。采用均方差(rmse)來評價(jià)模型的預(yù)測性，對實(shí)測值和計(jì)算值之間的符合度進(jìn)行檢驗(yàn)分析。rmse值越小，則表明模型的計(jì)算值和實(shí)測值偏差小，一致性高，計(jì)算結(jié)果越精確可靠；若rmse值越大則相反。結(jié)果表明，pri、cari、和tvi三種植被指數(shù)在實(shí)測數(shù)據(jù)反演中，計(jì)算的cab含量偏差較大，其中tvi反演值存在負(fù)值。sipi反演相對較好，r2達(dá)到0.6760。本文建立的反演模型cab，不僅精度上有提高，r2達(dá)到0.8564，rmse為7.3908ug/cm2，而且模型更加穩(wěn)定，具有普適性。表2各植被指數(shù)的r2和rmse值當(dāng)前第1頁12