全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$ % & & 年 # 月
林 业 科 学
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/012!"!+02#
’345!$ % & &
基于 >B0943W:!.M[3B:Z和 P3096M1模型的
森林叶面积指数的反演!
李海洋<范文义<于<颖<杨曦光
"东北林业大学林学院<哈尔滨 &C%%!%$
摘<要!<针对传统的统计模型方法反演叶面积指数".-)$具有不稳定(区域不统一性的缺点!本研究从物理机制
角度出发!以 >B0943W:!.M[3B:Z和 P3096M1模型为基础!建立查找表从 ,;影像上反演 .-)!并与 ,J-(实测的 .-)比
较% 结果表明& 基于机制模型与查找表的方法反演的 .-)与实测的 .-)有较好的一致性!实测精度达到 H=2"]%
关键词&<叶面积指数# ,;# 查找表# >B0943W:# .M[3B:Z# P3096M1
中图分类号! ’"C"2&<<<文献标识码!-<<<文章编号!&%%& F"!HH"$%&&#%# F%%"C F%"
收稿日期& $%%# F&& F$"# 修回日期& $%&% F%I F%"%
基金项目& 国家林业局*#!H+项目"$%&& F%! FH%$ %
!范文义为通讯作者%
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.MR6MZ67T< 6^7 e37ZM

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3mWD67T3678 WZW134B0W3990VE6:3B9678 373BTZM7 1678 3W09Z9:3E5A3W6L930V:D38M968Y67:6T390VL79:6[13678 Y6BM0L9
9:6:M9:MW61E08319V0B.-)B3:BM3Y61! :DM94643B4B3937:9673XE3:D08 0V.-)B3:BM3Y61VB0E,;ME6T39[6938 07 :D3P3096M1
[M8MB3W:M0761W6704ZB3V13W:67W3E0831W0L4138 XM:D :D3>B0943W:678 .M[3B:Z136V04:MW614B043B:M39E0831678 100k@L4@
:6[135(0E46B38 XM:D :D3.-)E369LB3E37:9[Z,J-(":B6WM7TB68M6:M07 678 6BWDM:3W:LB30VW6704M39$! :D3B39L1:99D0X
:D6:.-)39:ME6:38 VB0E4DZM9MW61E08319678 100k@L4@:6[13678 .-)E369LB3E37:96B3M7 T008 6TB33E37:! XM:D 4B3WM9M07
M9H=2"]5
;-< =’/1"&<136V6B36M783m".-)$# ,;# 100k@L4@:6[13# >B0943W:# .M[3B:Z# P3096M1
<<叶面积指数 "136V6B36M783m!.-)$是描述森林
生态系统的关键结构参数!它所确定的绿色叶子含
量在控制冠层内生物物理循环过程中起着重要的作
用"(D37 ./0&F! &##"$!也与太阳光的截取(地表净
初级生产力等密切相关"/3B0L9:B63:3./0&F! &##I$%
所以准确定量地测定 .-)是更好地研究冠层光合作
用和蒸腾作用的前提!也是定量研究冠层反射率的
关键% 传统反演 .-)的方法都是基于植被指数"方
秀琴等! $%%=# 李开丽等! $%%C# 骆知萌等! $%%C#
Q\hB90! &##C$(混合像元分解(神经网络的统计模型
反演!模型形式简单!对输入数据要求不高!缺乏稳
定性和统一性!即随着研究区域的不同!模型的形式
与系数多变# 而且统计模型还有一个局限就是植被
指数受诸如地形(土壤背景(大气状况和表面双向性
等非植被因素的影响"qM./0&F! $%%%$% 所以研究者
越来越关注采用机制模型反演 .-)的方法!如采用
>B0943W:和 ’6M1模型反演 .-)"蔡博峰等! $%%"$!基
于 !@’(-.*几何光学模型(核驱动模型的查找表方
法反演 .-)"Q37T./0&F! $%%I# ,67T./0&F! $%%"# .ML
./0&F! $%%"$% 这种方法不依赖于植被的具体类型
或背景环境的变化!具有普适性# 但是由于机制模
型对输入参数的要求较高!而且模型复杂!所以在国
内采用机制模型反演 .-)的研究比较少%
本研 究 基 于 机 制 模 型 >B0943W:! .M[3B:Z和
P3096M1!建立查找表反演黑龙江省帽儿山局部地区
的 .-)% 先用 >B0943W:与 .M[3B:Z模拟阔叶与针叶的
反射率和透射率!作为输入参数联合生物物理化学
参数输入到 P3096M1模型中得到各种情况下的冠层
反射率!建立查找表!然后将 ,;影像上每个像元的
反射率与查找表上的值匹配!找到对应冠层反射率
下的 .-)%
林 业 科 学 !" 卷<
&<研究区域
帽儿山林场位于黑龙江省尚志市西北部! &$"_
&H‘%})&$"_!&‘I}*!!C_$‘$%})!C_&H‘&I}+% 林场
地处张广才岭西坡!境内以山区丘陵地貌为主!施业
区内坡度较缓!大部分坡度在 C_G$C_之间!地势南
高北低!海拔多在 $%% GI%% E之间% 地带性植被是
以红松"!+)43U%,0+.)3+3$为主的针阔混交林!经多年
采伐! 原 生 植 被 区 已 不 复 存 在! 已 被 水 曲 柳
"9,0E+)43-0)13#$4,+#0$(椴树 "D+&+0 /40)$(色木槭
"8#.,-%)%$(蒙古栎"Z4.,#43-%)7%&+#43$为主的阔
叶混交林取代% 林分可塑性大(适应性强!在不同海
拔和多种立地条件下均有分布% 主要乔木植物有红
松(云杉 "!+#.0 03C.,0/0 $(樟子松 "!+)433:&*.3/,+3
Y6B5-%)7%&+#0$(落叶松"=0,+E7-.&+)+$(水曲柳(胡
桃楸 "S47&0)3-0)13$4,+#0$(柞树等!森林覆被率
"%2$]!森林总蓄积 $%!2# 万 E=% 本研究选择帽儿
山林场的局部区域"图 &$%
图 &<帽儿山 ,;$!=!! 影像图"右侧区域为研究区域$
M^T5&<,;$!=!! ME6T30V;60\3B9D67 07 13V:"9:L8Z6B36ME6T307 BMTD:$
$<数据与方法
JK>?数据获取
在研究区域随机布设 &C 块 $% Ea=% E的临时
样地!在每块样地内均匀设置 ! 个采样点!用 .-)@
$%%% 测量 ! 个采样点处的有效叶面积指数 =3!测量
时选择多云或太阳高度角小于 "C_的黄昏或拂晓进
行% 用 ,J-(测量采样点处的光斑分布及冠层的聚
集指数 %*!测量时使用 #%_的镜头盖防止测量者的
背影对测量结果的影响% 然后根据真实叶面积指数
与有效叶面积指数的转换关系 = d"& F"$ =3&*b%*
"(D37 ./0&F! &##I$得到采样处的真实叶面积指数!
其中 "和 &*是根据经验值及目视估测的方法得到
的% 样地的叶面积指数是采样点处叶面积指数的平
均值%
在各采样点的解析木标准枝上选取一些针叶与
阔叶样本!在叶片水平上用 *44@$%%% 地物光谱仪测
量其光谱曲线% 光谱测量时选择晴朗无风天气!时
间为 &%y%%)&!y%%"太阳高度角大于 !C_$% 对背景
反射率的测量!要选取林下不同类型分别进行% 对
冠层反射率的测量!在研究区域的防火塔上不同高
度处对冠层光谱进行测量!所有的光谱测量分别采
集天顶角 %_!=%_!!C_!I%_!热点方向时光谱曲线值%
JKJ?叶片水平的辐射传输模型
叶片水平的辐射传输模型分为阔叶 >B0943W:模
型和针叶 .M[3B:Z模型% >B0943W:模型是一个基于
*平板模型+的辐射传输模型"j6WSL3E0L8! &##%$!
它通过模拟叶片从 !%% G$ C%% 7E的上行和下行辐
射通量而得到叶片的反射率与透射率% >B0943W:模
型需要 ! 个输入参数!分别为入射角(折射指数(平
板透射系数和结构参数!其中入射角是组分吸收系
数的线性组合的函数!叶的吸收是由水(叶绿素(蛋
白质及木质素加纤维素引起的% 因此!入射角就可
以由叶片的生化参数决定"颜春燕! $%%=$% 综上!
>B0943W:最终只需要结构参数和生化组分含量 $ 个
参数% 给定不同的结构参数和生化含量!可以模拟
阔叶叶片的反射率和透射率!与实测的阔叶叶片反
射率比较!拟合效果较好!拟合精度达 #%]以上%
.M[3B:Z模型是针对针叶没有明显栅栏组织(大
部分为球形细胞的特点发展起来的!用来模拟针叶
簇叶或单叶的光谱特性% 需要的输入参数有 I 个!
分别为平均细胞直径(表征细胞内上行辐射分量的
I"
<第 # 期 李海洋等& 基于 >B0943W:!.M[3B:Z和 P3096M1模型的森林叶面积指数的反演
细胞间隙(基吸收(白化吸收"去掉水分叶绿素的吸
收!相当于木质素的吸收$(针叶厚度(生化组分含
量"叶绿素(水分(蛋白质(木质素和叶绿素$% 因
此!与阔叶相同!输入不同的参数!可以模拟针叶的
叶片反射率和透射率!与实测的针叶叶片反射率比
较拟合!效果较好!拟合精度达 HI2"]%
JKL?冠层水平的辐射传输模型
冠层水平的辐射传输模型有多种!本研究采
用 P3096M1模 型% P3096M1模 型 是 $%%% 年 由
RL3EEBMWD 提出(用于描述不连续冠层反射率的模
型!它是一个几何模型 P30和一个混合介质模型
’6M1的 结 合 " 薛 云 等! $%%C $ % ’6M1模 型
"j6WSL3E0L8 ./0&F! &##I$计算树木内的辐射传输!
P30模型"j69M79kM./0&F! &##%# +M1907 ./0&F! &#H#$
利用 ’6M1模型的结果生成场景反射率% P3096M1模
型的输入参数分别为冠层组分的光学属性(树的
形状(太阳天顶角和冠层覆盖度!输出场景反射率
及吸收或拦截的光合活动辐射的比例 "9->-J!
9)>-J$ % 与实测的研究区域冠层反射率比较发现!
拟合效果较好!拟合精度达 HC2=]%
JKM?查找表的建立方法
查找表反演参数的方法实际是在反演前用模型
计算出不同输入 F输出组合!并将结果列成表!反演
时用线性或非线性内插的方法计算出参数值!此方
法已经应用于 ;08M9和 ;)’J卫星数据的 .-)和
9>-J的实时反演中% 首先!确定模型的输入参数!然
后根据参数对模型的敏感性分析结果及先验知识确
定各个参数的输入范围及步长!通过循环得到各种
情况下不同参数的组合!输入到模型中!模拟出各种
参数组合情况下所对应的冠层反射率的值# 然后将
参数的不同组合及对应的模型模拟的冠层反射率值
一一对应列表!建立出查找表%
查找表的建立要经过模型输入参数的确定(参
数敏感性分析(表的确定 = 部分%
&$ 模型输入参数的确定<分别列出 >B0943W:!
.M[3B:Z和 P3096M1模型的输入参数% >B0943W:模型输
入参数为结构参数(叶绿素含量(水含量(干物质含
量# .M[3B:Z模型输入参数为细胞直径(空气间隙(叶
片厚度(基吸收(白化吸收(叶绿素含量(水含量(纤
维素含量(氮含量# P3096M1模型的输入参数为 .-)(
叶片反射率(叶片透射率(土壤反射率(观测方位角(
观测天顶角(太阳天顶角(树冠高与宽的比(覆盖度%
$$ 参数的敏感性分析<模型参数的敏感性分
析对模型反演时选择合适的自由参数很重要!选择
一些对模型反演比较敏感的参数才有可能最大程度
地提高模型参数反演的精度# 并且!确定输入输出
参数是建立基于查找表反演首要解决的问题%
构造灵敏函数& 9XH
%
)
6H&
"’6% I’
6
43B:$
$
’6%
!其中& ’6%
是根据实测数据计算的原始 AJQ^ 值!’643B:是影响
AJQ^ 值的某参数为扰动值时的 AJQ^ 值!9X为灵
敏度%
=$ 建立查找表<根据参数敏感性分析的结果
及先验知识确定查找表变动的参数范围及其步长!
在叶片水平上针叶采用 .M[3B:Z模型(阔叶采用
>B0943W:模型模拟不同参数组合下的叶片反射率!
再将其输入到冠层 P3096M1模型中模拟冠层反射率
的值!建立参数组合与冠层反射率一一对应的合理
查找表!查找表的建立分针叶 .-)查找表与阔叶
.-)查找表 $ 种%
JKN?4*:反演方法
,;影像经过辐射定标(大气校正(几何精度
校正等预处理!得到各个像元 Q+值对应的冠层反
射率值% 根据 ,;分类图!对针叶与阔叶分别查找
不同的查找表!找到影像上像素的 ,;$!=!! 波段
反射率与查找表中 = 个波段反射率差方和最小的
记录!则该记录所对应的 .-)值为该像素的 .-)
值"图 $$ %
=<结果与分析
LK>?参数敏感性分析结果
通过敏感性分析得到各个参数的敏感度 "图
=$% 可见!对于阔叶叶片反射率!叶子结构参数与
干物质含量对叶片反射率的影响较小# 叶绿素含量
在可见光波段对叶片反射率影响很大# 水含量在
& %%% 7E以后对叶片反射率影响较大% 对于针叶叶
片反射率!基吸收(白化吸收(纤维素含量(氮含量对
针叶叶片反射率的影响极小# 水含量对针叶叶片反
射率的影响在 & %%% 7E以后# 影响针叶叶片反射率
的主要参数有叶绿素含量(叶片厚度(细胞直径和空
气间隙大小% 综上!对于阔叶林冠层反射率的模拟!
各参数敏感性由大到小依次为 .-)p水含量 p叶绿
素含量 p树冠高与宽的比 p叶子结构参数 p干物质
含量# 对于针叶林冠层反射率的模拟!各参数敏感
性由大到小依次为 .-)p叶片厚度 p含水量 p空气
间隙函数 p叶绿素含量 p细胞直径 p树冠高与宽的
比 p纤维素含量 p基吸收 p氮含量%
""
林 业 科 学 !" 卷<
图 $<基于机制模型与查找表的 ,;影像 .-)反演技术路线
M^T5$<.-)B3:BM3Y61B0L:M73[6938 07 4DZ9MW61E0831678 100k@L4@:6[13
图 =<各参数灵敏度
M^T5=<’379M:MYM:Z0V46B6E3:3B9
65>B0943W:# [5.M[3B:Z# W5>B0943W:与 P3096M1混合模型 >B0943W:678 P3096M146B6E3:3B9#
85.M[3B:Z和 P3096M1混合模型 .M[3B:Z678 P3096M146B6E3:3B95
H"
<第 # 期 李海洋等& 基于 >B0943W:!.M[3B:Z和 P3096M1模型的森林叶面积指数的反演
LKJ?查找表建立结果
由于反演 .-)选取的原始影像是 ,;影像的 $!
=!! 波段!所以对于波段大于 & %%% 7E以后的(对反
射率产生影响的参数可以不考虑!还有一些参数如
氮含量(基吸收等几乎不变化!可以取固定值% 得到
建立查找表的各参数变化范围及步长"表 &! $$!根
据各个参数的变动范围及步长确定不同情况下的参
数组合!带入到机制模型 P3096M1中来模拟冠层反射
率!建立不同参数组合与冠层反射率一一对应的查
找表!由于篇幅限制!省略其他参数只列出 .-)(树
冠高与宽的比以及冠层反射率对应的查找表"表 =!
!$%
表 >?针对阔叶建立查找表的 G/’"9-7#b
H-’"&$B模型参数
5&+@>?E&/$-#< ’)9&/&%-#-/"/&(.-$(G/’"9-7#
&(1H-’"&$B%’1-B")’/+/’&1B-&)B’’WZ09Z#&+B-
参数 >6B6E3:3B9 范围 J67T3 步长 ’:34
叶子结构 .36V9:BLW:LB3 1&2C!$2 %2$
叶绿素含量
(D10B04DZ1W07:37:b"ET’EF$ $
1&%!H%2 C
水含量
e6:3BW07:37:b"T’EF$ $
%2%$C
干物质含量
QBZE6:3BW07:37:b"T’EF$ $
1%2%%$!%2%&H2 %2%%$
叶面积指数
.-)
1%2&!!"2 %2%"
树冠高与宽的比
(Re
1%2!!=2$2 %2!
表 J?针对针叶建立查找表的 4$+-/#< b
H-’"&$B模型参数
5&+@J?E&/$-#< ’)9&/&%-#-/"/&(.-$(4$+-/#<
&(1H-’"&$B%’1-B")’/7’($)-/B’’WZ09Z#&+B-
参数 >6B6E3:3B9 范围 J67T3 步长 ’:34
细胞直径 (318M6E3:3BbEFI 1$%!&%%2 C
空气间隙
)7:3BW31L16B6MB946W383:3BEM767:
1%2%&!%2&2 %2%%C
叶子厚度 .36V:DMWk7399 1$2C!=2C2 %2C
基吸收
.M736B" [6931M73$ 6[90B4:M07
%2%%C
白化吸收
-1[M70136V"YM9M[13$ 6[90B4:M07
$
叶绿素含量
(D10B04DZ1W07:37:b"ET’EF$ $
1C%!I%%2 C%
水含量 e6:3BW07:37:b"T’EF$ $ &%%
纤维素含量
(31L1093W07:37:b"T’EF$ $
!%
氮含量 +M:B0T37 W07:37:b"T’EF$ $ &
叶面积指数 .-) 1%2&!!"2 %2%"
树冠高与宽的比 (Re 1&!I2 &
表 L?阔叶查找表
5&+@L?4’’WZ09Z#&+B-’)+/’&1B-&)
.-) (Re ,;$ ,;= ,;!
%2&! %2! %2&I! # %2&HI " %2$$! I
%2&! %2! %2&I! H %2&HI I %2$$= &
%2&! %2! %2&I! " %2&HI I %2$$& #
%2&! %2! %2&I! I %2&HI I %2$$& %
-
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%2$& %2! %2&I= C %2&H! I %2$$& $
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-
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-
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" %2! %2%$C I %2%&! I %2=I" C
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-
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-
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%2=C %2H %2&C= H %2&"! ! %2$$I "
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" %2H %2%$= H %2%&! & %2CHH &
" %2H %2%$= I %2%&! % %2C&! "
" %2H %2%$= C %2%&! % %2!I% !
" %2H %2%$= ! %2%&! % %2!&" #
-
LKL?4*:反演结果
根据 ,;分类图!针叶与阔叶分别查找不同的
查找表!根据公式"&$找到影像上像元的 = 个波段
冠层反射率与查找表中 = 个波段冠层反射率差值平
方和最小的记录所对应的 .-)为该像素的 .-)值!
采用此方法反演整个影像的叶面积指数"图 !$!与
,J-(测量的 .-)真实值比较发现!反演精度较好!
实测精度达到 H=2"]"图 C$%
(HEM71"’TB337 I’% TB337$
$ W
"’B38 I’% B38$
$ W"’7MBI’% 7MB$
$2% "&$
#"
林 业 科 学 !" 卷<
表 M?针叶查找表
5&+@M?4’’WZ09Z#&+B-’)7’($)-/
.-) (Re ,;$ ,;= ,;! .-) (Re ,;$ ,;= ,;!
%2&! %2H %2&I= C %2&HI " %2$&" " " %2H %2%%H " %2%%I % %2$$# "
%2&! %2H %2&I= = %2&HI C %2$&" " " %2H %2%%H $ %2%%C " %2$$# "
%2&! %2H %2&I= $ %2&HI ! %2$&" " -
%2&! %2H %2&I= $ %2&HI = %2$&" " %2&! I %2&C$ # %2&"! I %2$%= #
- %2&! I %2&C$ " %2&"! ! %2$%= #
%2$& %2H %2&I& % %2&H! % %2$&= % %2&! I %2&C$ I %2&"! = %2$%= #
%2$& %2H %2&I& $ %2&H! $ %2$&$ H %2&! I %2&C$ I %2&"! $ %2$%= #
%2$& %2H %2&I& & %2&H! & %2$&$ H -
%2$& %2H %2&I& C %2&H! ! %2$&! ! %2=C I %2&== % %2&C& # %2&"I !
- %2=C I %2&=$ # %2&C& H %2&"I !
%2$H %2H %2&C# " %2&H$ $ %2$$= " %2=C I %2&=$ H %2&C& " %2&"I !
%2$H %2H %2&C# I %2&H$ $ %2$$= " %2=C I %2&=$ # %2&C& " %2&"H H
%2$H %2H %2&I& C %2&H! % %2$$$ = -
%2$H %2H %2&I% H %2&H= & %2$$$ = " I %2%%H = %2%%C I %2&"C "
%2$H %2H %2&I% ! %2&H$ H %2$$$ = " I %2%%" I %2%%C & %2&"C "
- " I %2%%" % %2%%! " %2&"C "
" %2H %2%&& & %2%%" C %2$$# " " I %2%%I C %2%%! C %2&"C "
" %2H %2%&% $ %2%%I H %2$$# " " I %2%%I & %2%%! $ %2&"C "
" %2H %2%%# ! %2%%I ! %2$$# " -
图 !<,;影像植被分类图和利用查找表反演 .-)的结果
M^T5!<,;W1699MVMW6:M07 ME6T3"13V:$ 678 .-)B3:BM3Y61ME6T3L938 100k@L4@:6[13"BMTD:$
图 C<,;影像反演的 .-)与 ,J-(测量的 .-)比较
M^T5C<(0E46BM907 [3:X337 .-)B3:BM3Y61VB0E,;
678 .-)E369LB3E37:9VB0E,J-(
!<结论
采用机制模型反演森林物理化学参数是定量遥
感在林业上应用的必然需求% 本研究首次采用
>B0943W:!.M[3B:Z和 P3096M1模型结合查找表方法反
演帽儿山局部地区叶面积指数!精度较高!而且与传
统的统计模型相比!方法更具有普适性和稳定性!不
依赖于研究地区与周围地表环境的变化!为后续研
究森林生态系统物质和能量的循环模型提供了重要
的森林结构参数# 但是机制模型反演叶面积指数的
精度受模型模拟精度(查找表精度 "查找表大小$(
影像分类精度等因素的影响% 模型模拟精度不仅与
模型本身有关!还与模型对输入参数的较高要求有
关% 另外!在查找表精度提高的同时!会降低计算机
的运行速度% 这些均有待于进一步研究与提高%
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<第 # 期 李海洋等& 基于 >B0943W:!.M[3B:Z和 P3096M1模型的森林叶面积指数的反演
参 考 文 献
蔡博峰! 绍<霞5$%%"5基于 >B0943W:c’6M1模型的遥感叶面积指数
反演5国土资源遥感! "$"$$ & =# F!=5
方秀琴! 张万昌5$%%=5叶面积指数 ".-)$ 的遥感定量方法综述5
国土资源遥感! "=$ & CH FI$5
李开丽! 蒋建军! 茅荣正!等5$%%C5植被叶面积指数遥感监测模
型5生态学报! $C"I$ & &!#& F&!#I5
骆知萌! 田庆久! 惠凤鸣5$%%C5用遥感技术计算森林叶面积指
数)))以江西省兴国县为例5南京大学学报&自然科学版!
!&"=$ & $C= F$CH5
薛<云! 陈水森! 夏丽华!等5$%%C5几个典型的叶片b冠层模型5西
部林业科学! =!"&$ & "% F"=5
颜春燕5$%%=5遥感提取植被生化组分信息方法与模型研究5中国
科学院遥感应用研究所博士学位论文5
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!责任编辑<石红青"
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