问题
叶片表面并不均匀反射光。其解剖结构、色素和微观粗糙度会改变辐射在冠层中的散射方式，然而许多冠层模型使用简化的光学输入。逐叶测量方向反射既慢又费力，因此问题在于：能否用更易测量的性状来替代它。
方法
- 测量方向反射率。 自制的方向光谱检测仪（DSDI）由氙灯光源、光纤光谱仪和机械控制的照明与观测角度组成，在 400–1000 nm 测量叶片上下两个表面，并用朗伯白板定标。
- 拟合物理模型。 用 Cook–Torrance BRDF 以三个随波长变化的参数表示漫反射与镜面反射，通过自适应网格搜索和最小二乘拟合。
- 由性状预测光学参数。 堆叠集成模型（SVR、随机森林、梯度提升，线性回归作为元学习器）把叶厚、比叶重、色素、显微粗糙度和波长映射到 BRDF 参数。
- 检验冠层尺度的后果。 把预测参数引入基于 fastTracer 的水稻冠层光线追踪流程。
| 参数 | 物理含义 | 相关叶片属性 |
|---|---|---|
| σ(λ) | 微面元粗糙度 | 表皮纹理与表面不规则性 |
| k(λ) | 漫反射系数 | 内部散射 |
| n(λ) | 折射率 | 折射与界面反射 |
拖动滑块，看每个参数如何塑造反射分布：粗糙度越低，光越集中在镜面方向附近的尖锐波瓣中；漫反射系数则让整条曲线均匀抬升。
- 峰值
- 0.139 sr⁻¹ 位于 85°
- 漫反射水平 k/π
- 0.095 sr⁻¹
- 镜面方向的镜面反射占比
- 18%
图 2. 交互 主平面内的叶片 BRDF
在浏览器中按研究所用的 Cook–Torrance 模型计算，实现与其拟合代码一致。滑块范围即拟合边界；初始值取自代码中的拟合初值，并非某片实测叶片。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： 集成预测 R² = 0.83–0.99，因参数而异。
结果支持的结论：
- 方向叶片反射率可以用基于物理的 BRDF 模型准确表示。
- 结构和生化叶片性状包含预测 BRDF 参数的有用信息。
- 叶片光学多样性可以实质性地改变模拟的冠层光场，不应总被当作均匀处理。
这为把叶片尺度的表型与辐射传输、冠层光合模型联系起来提供了一条途径。
局限性
该模型基于覆盖四个物种、两个冠层位置和叶片两面的 270 条数据开发，是研究模型，而不是通用估计器。
- 超出已测性状与波长范围的预测需要新的验证。
- 光线追踪结果展示的是模拟光分布的变化，本身并不能证明田间产量提升。
- 面对新物种或需要高精度光学参数时，直接光学测量仍然重要。
- 未来数据集应覆盖更多基因型、环境、发育阶段和水分状况。
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
- 如已发表论文所述，研究数据可向通讯作者合理请求获取。
