问题
叶片并不是向各个方向均匀反射光。叶片的解剖结构、色素和表面微观粗糙度决定了光的散射方式，进而决定了光在冠层内的分布；但多数冠层模型仍把叶片当作朗伯反射体。逐片测量叶片方向反射费时费力，因此问题在于：能否用易测的性状预测叶片的方向反射。
方法
- 方向反射测量。 自主研制的方向光谱检测仪（DSDI）由氙灯光源、光纤光谱仪以及机械控制的入射角和观测角组成，在 400–1000 nm 测量叶片两面，并以朗伯白板标定。
- 物理模型拟合。 Cook–Torrance BRDF 模型用三个随波长变化的参数描述漫反射和镜面反射，采用自适应网格搜索结合最小二乘拟合。
- 由性状预测光学参数。 堆叠集成模型（SVR、随机森林、梯度提升，以线性回归为元学习器）将叶片厚度、比叶重、色素、显微粗糙度和波长映射为 BRDF 参数。
- 冠层效应量化。 将预测参数引入基于 fastTracer 的水稻冠层光线追踪。
| 参数 | 物理含义 | 相关叶片特性 |
|---|---|---|
| σ(λ) | 微面元粗糙度 | 表皮纹理与表面起伏 |
| k(λ) | 漫反射系数 | 叶内散射 |
| n(λ) | 折射率 | 折射与界面反射 |
拖动滑块，观察各参数如何影响反射分布：粗糙度越低，光越集中在镜面方向附近的尖锐波瓣中；漫反射系数则使整条曲线均匀抬升。
- 峰值
- 0.281 sr⁻¹ 位于 31°
- 漫反射水平 k/π
- 0.095 sr⁻¹
- 镜面方向的镜面反射占比
- 66%
图 2. 交互 主平面内的叶片 BRDF
f = F(n, θh)·D(α, σ)·G(L, N, V, H) / 2π²(L·N)(N·V) + k/π，在浏览器中按研究的拟合代码计算。总 BRDF 等于漫反射半圆加上镜面方向附近的光泽波瓣。滑块范围即拟合边界；初始粗糙度 σ = 0.2 是为了让波瓣清晰可见，k 与 n 取自代码中的拟合初值。以上都不是某片实测叶片，各物种的拟合值见论文。
结果
- 材料： 玉米、水稻、棉花和杨树叶片，取自冠层上部和下部，测量叶片两面。
- 模型拟合： BRDF 拟合 R² > 0.95。
- 预测： 集成模型预测 R² = 0.83–0.99（因参数而异）。
主要结论：
- 基于物理的 BRDF 模型能够准确描述叶片的方向反射；
- 叶片的结构与生化性状包含预测 BRDF 参数所需的信息；
- 叶片光学特性的差异会显著改变冠层内的模拟光场，因此应在模型中显式表示叶片光学特性，而不是假设其均一。
这些结果把叶片尺度的表型测量与辐射传输模型、冠层光合模型联系了起来。
局限性
模型基于覆盖四个物种、两个冠层位置和叶片两面的 270 条数据建立，适用于已测的性状范围和波长范围（400–1000 nm）；用于新物种和新条件时，需要补充测量以扩展模型。冠层模拟量化了光分布的变化，与田间产量的联系是下一步工作。将数据扩展到更多基因型、环境、发育阶段和水分状况，是本研究的后续方向。
代码与数据
- BRDF 拟合脚本与粗糙度计算器
- fastTracer 冠层光线追踪软件
- 如论文所述，研究数据可向通讯作者合理索取。
