全 文 ：V o l. 29, N o. 3
pp. 397—401　M ay, 2003
作　物　学　报
A CTA A GRONOM ICA S IN ICA
第 29 卷 第 3 期
2003 年 5 月　397—401 页
水稻冠层垂直反射率模拟Ξ
李云梅1　倪绍祥1　王秀珍2　黄敬峰2
(1 南京师范大学地理科学学院, 江苏南京 210097; 2 浙江大学农业遥感与信息技术应用研究所, 浙江杭州 310029)
摘　要　利用 1999 年和 2000 年实测的晚稻冠层结构参数 (叶面积指数、叶倾角、叶长、叶宽等) 和叶片生物化学组分含
量 (叶绿素、蛋白质、纤维素、水等)实测数据, 结合椭圆分布函数模型、PRO SPECT 模型和 FCR 模型, 模拟水稻冠层垂直
反射率, 模拟值与实测值的相关系数大于 0198, 均方根差RM SE 小于 0. 05, 从而建立了冠层结构参数、叶片生物化学组
成等农学参数与冠层垂直反射率的直接联系, 为利用物理模型反演冠层叶面积指数、叶片叶绿素含量等奠定了基础。
关键词　椭圆分布函数模型; PRO SPECT 模型; FCR 模型; 冠层垂直反射率; 模拟
中图分类号: S511　　　文献标识码: A
Sim ula ting Nad ir Ref lectance of R ice Canopy
L I Yun2M ei1　N I Shao2X iang1　WAN G X iu2Zheng2　HUAN G J ing2Feng2
(1 Geog rap hy S cience Colleg e, N anj ing N orm al U niversity , N anj ing , J iang su 210097; 2 Inst of A g ric R em ote S ensing & Inf orm A pp l, Z hej iang
U niversity , H ang z hou, Z hej iang 310029, Ch ina)
Abstract　M easuring rice canopy structu re param eters (such as leaf area index, leaf inclinat ion, leaf length,
leaf w idth ) and leaf b iochem istry con ten ts ( such as ch lo rophyll, p ro tein, cellu lo se, w ater) in 1999 and
2000. T hen sim ulate rice canopy nadir reflectance by tho se m easured datum. T he sim ulat ing models are el2
lip t ical model, PRO SPECT model and FCR model. T he th ree step s are: (1) W e sim ulate leaf inclinat ion dis2
t ribu t ion by ellip t ical model. T he inpu t param eters are model leaf inclinat ion and eccen tricity of the ellip t ical
dist ribu t ion of leaf no rm al w h ich are 81 and 019985. T he outpu t param eter is leaf inclinat ion dist ribu t ion
funct ion. T he co rrelat ions betw een sim ulated and m easured are mo re than 0195, and the RM SE is less than
0. 03; (2) W e sim ulate leaf reflectance and transm it tance by PRO SPECT model. T he inpu t param eters are
leaf st ructu ral param eter and leaf chem icals (ch lo rophyll, p ro tein, cellu lo se, etc). In the model, the leaf
st ructu ral param eter equals to 1. 7, w h ile the leaf chem icals are m easured datum. T he co rrelat ions betw een
sim ulated and m easured are mo re than 0195, and the RM SE is less than 0. 02; (3) W e sim ulate canopy nadir
reflectance by FCR model. T he param eters w e need fo r inpu t are op t ical param eters ( leaf reflectance, leaf
t ransm it tance, reflectance of background on nadir view direct ion, refract ive indices of the leaf surface w ax,
etc) , st ructu ral param eters ( leaf area index, leaf inclinat ion dist ribu t ion, relat ive linear size of leaves, etc)
and view and illum inat ion geom etry (sun zen ith angle, view zen ith angle, the rat io of direct to to tal indices
radiance). Som e of the param eters are calcu lated in (1) and (2) , som e are m easured, and o thers are valued
by conference. T he co rrelat ions betw een sim ulated and m easured are mo re than 0198, and the RM SE is less
than 0. 05. So, by these models, canopy structu ral param eters and leaf b iochem istry con ten t are directo ry
connected to canopy reflectance. It is sign ifican t in leaf area index and ch lo rophyll inversion by physicalmod2
el.
Key words　E llip t ical model; PRO SPECT model; FCR model; N adir reflectance of canopy; Sim ulat ing
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (40171065) , 国家 863 资助项目 (2001AA 245041) , 中国博士后科学基金资助项目 (2202031223)。
作者简介: 李云梅 (19662) , 女, 博士后, 副教授, 主要从事农业遥感的基础理论研究。
Received (收稿日期) : 2002204219,A ccep ted (接受日期) : 2002207223.

　　水稻冠层垂直反射率 (从与冠层垂直的方向观
测到的反射率)不仅受叶片光谱特性的影响, 而且受
冠层结构的影响。中国科学院、浙江大学农业遥感与
信息技术应用研究所等通过若干年的试验研究, 认
为水稻冠层垂直反射率与冠层结构、叶片叶绿素含
量等有显著相关性[ 1～ 5 ]。但是, 国内对水稻冠层垂直
反射率与各农学参数之间的关系的研究主要还停留
在统计分析的水平上, 本文通过 1999 年和 2000 年
的晚稻试验, 利用椭圆模型模拟水稻冠层叶倾角分
布, 利用 PRO SPECT 模型模拟水稻叶片反射率和
透射率, 进而用 FCR 模型模拟水稻冠层垂直反射
率, 从而建立了各农学参数与冠层垂直反射率的直
接联系, 使得通过模型, 利用叶片化学组成如叶绿素
含量、含水量等, 推算不同结构的水稻冠层垂直反射
率成为可能, 并为利用冠层反射率反演水稻农学参
数奠定了基础。
1　试验方法
1. 1　供试材料
1. 1. 1　研究地自然概况　　试验在浙江大学的试
验场内进行。试验地为 4m ×5m 的小区, 测试地点
经度为 120°20′, 纬度为 30°27′。行株距: 0. 14m ×
0117m , 垄向: 东西向。
1. 1. 2　供试品种　　供试品种为秀水 63。该水稻
品种株型挺立, 属于上挺下挺型。
1. 1. 3　试验处理　　1999 年为正常施肥, 2000 年
设 5 个氮素水平,N 1 施氮量为 0kgöhm 2,N 2 施氮量
为 45kgöhm 2, N 3 施氮量为 135kgöhm 2, N 4 施氮量
为 225kgöhm 2,N 5 施氮量为 315kgöhm 2, 重复 4 次。
氮肥分 3 次施用, 分别为分蘖肥 ( 50% )、保促肥
(35% )和粒肥 (15% )。
1. 1. 4　试验设备　　试验所需光谱仪选用美国
A SD (A nalyt ica l Spectra lD evice)公司的 F ieldSpec○R
光谱仪, 波段值为 350～ 1050nm , 光谱分辨率 3nm。
1. 2　测定项目与方法
1. 2. 1　试验时间　　1999 年 8 月 19 日 (水稻移栽
后 27 天)、8 月 28 日 (水稻移栽后 36 天)、9 月 11 日
(水稻移栽后 50 天) 和 9 月 24 日 (水稻移栽后 63
天) , 2000 年 9 月 16 日 (水稻移栽后 59 天)。
1. 2. 2　冠层垂直反射率　　在田间测量。每一小区
在与地面垂直的方向, 任选 10 个点测量冠层反射
率, 取其平均值为冠层垂直反射率。薄层水体和土壤
的反射率在保护行测量。散射辐射和总入射辐射在
田间测量。
1. 2. 3　叶片反射率　　在室内用前述光谱仪和
L 1800 积分球测量。在测量冠层反射率的当天取样,
样品为 3 穴。
1. 2. 4　冠层结构　　在测量冠层垂直反射率的当
天测量, 测量样品在小区中任选 5 穴。1)叶面积, 取
样后, 将叶片扫描输入计算机, 再用 G IS 软件计算
叶面积。2)叶倾角, 在田间用一垂直悬挂的小锤和量
角器直接量取。由于株型挺立, 叶片几乎没有披垂,
因此只量取出叶处叶脉与茎秆的夹角。3)叶长、叶宽
(叶片最宽处) , 用直尺直接量取[ 6 ]。
1. 2. 5　叶片化学组分含量　　在测量冠层垂直反
射率的当天取样, 样品为 3 穴。采用以下方法测量:
叶绿素含量用分光光度法测定 (m gögFW ) ; 蛋白质
含量用两次平行测定平均值测量 (% ) ; 纤维素含量
采用干重法测量 (m gög)。测量方法详见参考文
献[ 7 ]。
2　研究方法与结果
2. 1　水稻冠层垂直反射率模拟方法
2. 1. 1　原理
利用 FCR 模型模拟水稻冠层垂直反射率。该模
型于 1994 年由A ndres Kuu sk 提出。模型结合了N 2
K 模型和 Sail 模型, 是一个快速、可反演的植被冠
层二向反射率模型。模型中, 冠层全方位反射率由单
次散射和多次散射 (漫散射)形成, 其中, 单次散射用
N 2K 模型计算, 漫散射通量用 Sail 模型逼近。冠层
的方向反射率由式 (1)表示:Θ= (S ΚöQ Κ) Θ1 + ΘD (1)
其中, Θ1 是二向反射率中的单次散射组分, ΘD 是漫
射通量, S Κ 和Q Κ 是冠层上方某一水平面上太阳直
接辐射和总辐射。Θ1 包括冠层和土壤的单次散射,
由式 (2)表示: Θ1 = Θ1c + Θ1soil (2)
其中, Θ1c 是冠层单次散射, Θ1soil是土壤单次散射。Θ1c =∫H0 #L (r′, r, z )Λ′Λ uL (z )Q (r′, r, z ) d z (3)
其中, #L (r′, r, z ) 是冠层散射相函数, 入射方向和反
射方向用极坐标系表示, r′= (Η′, 0)是指向太阳的单
位矢量, r= (Η, 0) 是指向探测器的单位矢量, Η′和 Η
分别是 r′和 r 在极坐标系中的极角, z 是冠层深度
(到冠层顶端的距离) , Q ( r′, r, z ) 是双向联合间隙
率, 由 r′和 r 方向的间隙率及热点函数描述。
在漫散射通量的计算中引入了 Sail 模型。并考
虑了多次散射和漫散射天空光。
893 　　　作　　物　　学　　报 29 卷　

模型的具体算法和详细描述见参考文献
[8, 9, 10 ]。模型中需要输入的参数分为三类:
1) 光学参数: 叶片反射率、叶片透射率、叶面蜡
状物折射指数、土壤和薄层水体反射率。
2) 冠层结构参数: 叶面积指数、叶倾角分布、叶
的发丝状指数、叶的相对线性尺度。
3) 几何和光照参数: 太阳天顶角、观测天顶角、
太阳直接辐射和总辐射之比。
2. 1. 2　模型所需参数的计算
2. 1. 2. 1 　 叶 片 反 射 率 和 透 射 率 　 　 利 用
PRO SPECT 模型模拟叶片反射率和透射率。该模
型是一个计算叶片半球反射率和透射率的辐射传输
模型, 1990 年由 Jacquem oud 和Baret 提出。在模型
中输入以下参数: 叶的形态结构参数、叶绿素含量、
水的等价厚度、蛋白质含量、纤维素含量, 就可求出
叶片的反射率和透射率。模型适用于新鲜的绿色植
物叶片[ 11～ 14, 7 ]。本文作者曾利用该模型模拟水稻叶
片反射率, 证明该模型对水稻叶片反射率的模拟是
适用的[ 15 ]。本文中, 叶的形态结构参数取值为 1. 7,
其余参数取值如表 1 所示。利用表 1 数据, 模拟叶片
反射率, 其模拟值与实测值的相关系数均大于
0195, 均方根误差 RM SE 值均小于 0. 02。图 1 是
2000 年 9 月 16 日水稻N 2 叶片反射率的模拟值与
实测值。
表 1　　叶片生物化学组分含量
Table 1　　Biochem ical con ten t of r ice leaf
日期 (年ö月ö日)
D ate
(YearöM onthöD ay) 叶绿素含量Ch lo rophyllcon ten t(Λgöcm 2) 蛋白质含量P ro teinconten t(göcm 2) 纤维素含量Cellu lo seconten t(göcm 2) 水的等价厚度W aterequivalen tth ickness (cm )
1999ö08ö19 39. 4 0. 00088 0. 0036 0. 011
1999ö08ö28 39. 6 0. 00084 0. 0036 0. 031
1999ö09ö11 38. 6 0. 00080 0. 0030 0. 023
1999ö09ö24 25. 0 0. 00067 0. 0030 0. 018
2000ö09ö16 (N 1) 22. 5 0. 00080 0. 0049 0. 020
2000ö09ö16 (N 2) 23. 8 0. 00087 0. 0049 0. 022
2000ö09ö16 (N 3) 28. 5 0. 00092 0. 0047 0. 025
2000ö09ö16 (N 4) 29. 3 0. 00077 0. 0034 0. 028
2000ö09ö16 (N 5) 30. 5 0. 00041 0. 0034 0. 030
2. 1. 2. 2　叶倾角分布　　采用双参数椭圆分布函
数模拟叶倾角分布。模型中, 椭圆分布函数的形状由
叶倾角的集中度 Ε决定, Ε的取值范围为 0 到 1, 当 Ε
为 0 时, 植株呈球形分布, Ε为 1 时, 植株为直立型。
模型的输入参数为众数叶角 Ηm (即最大多数的叶
角)和 Ε, 输出参数是叶倾角分布函数[ 16, 9 ]。本文作者
曾利用双参数椭圆分布函数模拟水稻冠层叶倾角分
(2000 年 9 月 16 日水稻N 2 叶片反射率模拟值与实测值比较)
图 1　水稻叶片反射率模拟
F ig. 1　Sim ulation of rice leaf reflectance
布[ 17 ] , 在此不再详述。本文中 Ηm 取值为 81, Ε取值为
019985, 将模拟值与实测值比较知模拟值与实测值
的相关系数大于 0195, RM SE 值小于 0. 03。如图 2
是 2000 年 9 月 16 日水稻N 2 冠层叶倾角分布函数
的模拟值与实测值比较。
(2000 年 9 月 16 日水稻N 2 冠层叶倾角分布函数的
模拟值与实测值比较)
图 2　水稻冠层叶倾角分布模拟
F ig. 2　Sim ulation of leaf inclination distribu tion
fo r rice canopy
表 2　　不同观测时期的冠层结构参数和太阳天顶角
Table 2　　Canopy structure parameters and sun zen ith angles
日期 (年ö月ö日)
D ate
(YearöM onthöD ay) LA IL eaf area index 叶的相对线性尺度R elative linearsize of leaves 太阳天顶角 (°)Sun zenith angle
1999ö08ö19
1999ö08ö28
1999ö09ö11
1999ö09ö24
2000ö09ö16 (N 1)
2000ö09ö16 (N 2)
2000ö09ö16 (N 3)
2000ö09ö16 (N 4)
2000ö09ö16 (N 5) 1. 93. 15. 44. 82. 53. 03. 73. 94. 3 0. 460. 440. 390. 370. 410. 440. 450. 470. 47 333638413638394035
2. 1. 2. 3　其他参数　　叶面蜡状物折射指数为
993　3 期 李云梅等: 水稻冠层垂直反射率模拟

(图中所示为 1999 年 8 月 19 日、8 月 28 日、9 月 11 日和 9 月 24 日的水稻冠层垂直反射率的实测值与模拟值, 其RM SE 值
分别是 0. 02、0. 026、0. 028 和 0. 009, 相关系数分别是 019892、019871、019959 和 019991, 波段数为 109。)
图 3　1999 年水稻冠层垂直反射率模拟结果
F ig. 3　Sim ulation resu lt of nadir reflectance fo r rice canopy in 1999
(图中所示为 2000 年 9 月 16 日, 不同氮素水平 (N 1、N 2、N 3、N 4、
N 5)水稻冠层垂直反射率实测值与模拟值, 其RM SE 值
分别是 0. 0276、0. 0191、0. 0438、0. 0162 和 0. 0360, 相关系数分别是
019992、019987、019958、019992 和 019959, 波段数为 109。)
图 4　2000 年水稻冠层垂直反射率模拟结果
F ig. 4　Sim ulation resu lt of nadir reflectance fo r rice canopy in 2000
004 　　　作　　物　　学　　报 29 卷　

112, 叶的发丝状指数参照文献取值为 011 [ 9 ] , 太阳
直接辐射和总辐射之比= 1- 散射辐射ö总辐射, 叶
的相对线性尺度= 平均叶宽ö平均叶长, 观测天顶角
为 0, 不同观测时期的冠层结构参数和太阳天顶角
见表 2。
2. 2　冠层垂直反射率模拟结果
对 1999 年和 2000 年冠层垂直反射率进行模
拟, 其模拟结果如图 3、图 4。
3　结论
结合椭圆分布函数、PRO SPECT 模型和 FCR
模型, 输入三组参数: 1) 冠层结构参数, 2) 叶片生物
化学组分参数, 3)几何和光照参数, 模拟光在水稻群
丛内的辐射传输过程, 求出冠层垂直反射率, 其模拟
结果与实测值的相关系数大于 0198, 均方根差
RM SE 小于 0. 05, 说明该方法是可行的, 该模拟方
法的实现, 对利用遥感手段探测作物叶面积指数和
叶绿素含量, 从而进行作物长势监测和产量估算是
非常有意义的。
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