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植被遥感上机课程植被辐射传输模型

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遥感物理讲座 第十章 遥感辐射传输及模型发展

遥感物理讲座 第十章 遥感辐射传输及模型发展

0.08
HOT SPOT
HOTSPOT-DARKSPOT DARKSPOT
NADIR
in the red band Reflectance Reflectance in the Red band
0.07
0.06
0.05
DARK SPOT
0.04
0.03
0.02 -nc et al., 1999
View Factors from foliage
Sky Sunlit Foliage Shaded Foliage
Shaded Background
Sunlit Background
Multiple Scattering
Sky diffused light
《遥感物理》课程讲座-10 ----植被遥感辐射传输模型
目 录
大气辐射传输模型（6S、MODTR4） 水体辐射传输模型（GODEN） 植被辐射传输模型（RT） 植被几何光学模型（GO）
一、植被遥感模型概述
Three examples of different canopy architecture
-60 -30 0 30 60 90
View Zenith Angle View zenith angle
图 在不同观察角度上模拟的树冠反射率，相当于由传感器－地物－太阳所形成的观察平面与太阳主 平面平行。
CONIFER FOREST JUNE 6-10, 1997
Airborne POLDER Measurements and simulations of an old black spruce stand
（3）背景阴影面积（斜阴影条）： 三块面积之和为：
三、垂直视条件下的几何光学模型

遥感辐射传输模型

遥感辐射传输模型

遥感辐射传输模型*名：**学院：地球科学与环境工程学院专业：遥感科学与技术班级：遥感一班提交时间：2015年5月10日大气订正是遥感技术的重要组成部分，主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。

如果获得了大气特性参数，进行大气订正就变得相对容易，但是获得准确的大气特性参数通常比较困难。

通常有两类方法用辐射传输方程计算大气订正函数：一种是直接的方法，对于大气透过率函数和反射率函数，通过对模型的积分来得到；另一种是间接的方法，他不是直接计算所需要的大气订正函数，而是通过辐射传输模型输出的表观反射率，结合模型输入的参数来求解。

大气订正方法有很多，比如：基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。

它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气订正的方法。

其中，大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法，它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果，其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后，在遥感器上所获得的信息，其中考虑了光子与大气相互作用机理，物理意义明确，具有很高的反演精度。

大气辐射传输原理电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。

辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。

当电磁辐射为太阳辐射，而且忽略多次散射产生的漫射辐射时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为[1]（1）式中，IΛ是辐射强度， s是辐射通过物质的厚度，ρ是物质密度,KΛ表示对波长λ辐射的质量消光截面。

令在s=0 处的入射强度为Iλ（0），则在经过一定距离s1后，其出射强度可由式(1)积分得到（2）假定介质是均匀的，则kλ与距离s无关，因此定义路径长度（3）则式(2)可表示为（4）上式就是比尔定律，也称朗伯定律。

定量遥感-第四章植被定量遥感模型-3

定量遥感-第四章植被定量遥感模型-3
22
§4.3.2 叶片反射率模型
2.平板模型
R R12 T12T21 2 R23 (1 2 R23 R21 ...) R12 T12T21 2 R23 /(1 2 R23 R21 ) T T21T23 (1 2 R23 R21 ...) T21T23 /(1 R23 R21 )
23
§4.3.2 叶片反射率模型
2.平板模型 n为两种介质的相对折射指数，τ为平板的透射系数；Tij为介 质i和j的界面的透射比。两个介质界面对入射角为α 立体角范围 内辐射的平均透射比，由下式给出：
Tav ( , n)
sin 2 ( )

0
[1/ 2Ts ( , n) 1/ 2Tp ( , n)]2 cos sin d
1.随机模型（stochastic model）
随机模型通过马尔可夫链来模拟辐射传输
它将叶片分割为两个独立的组织： 栅栏组织和海棉组织。定义了四种辐 射状态：太阳光、反射、吸收、透过 以及在不同的间隔间从一种辐射状态 到另一种辐射状态的转换概率。这些 概率是以叶片物质的光学特性为基础 确定的。 给定一个表述入射辐射的初始失量，通过迭代方式直到平稳 状态，就可以获得叶片的反射率和透过率。
1.随机模型
例： 假设在下列假设条件下进行数值模拟。
（1）光线垂直直射叶子表面
（2）上表面蜡层的反射率为1% （3）上、下表皮层为透明层 （4）叶绿素a 与b 之间的比例为3 : 1，总浓度为0.024mg/cm2 （5）胡罗卜素的含量比例为25%，总浓度为0.008mg/ cm2 （6）水分含量为总重的70%，总等值水厚度为0.014cm （7） R 10, 9 =0.12, R3,9 =0.08

第3章 植被冠层反射模型

第3章 植被冠层反射模型
随机模型
单片叶子的非朗伯体特性 单叶片光谱模型
平板模型 Perspect模型
叶子的剖面结构
正常生长的植被在多数情 况，其波谱特征基本上被 叶簇所控制，因此讨论植 被的波谱特征，首先应当 了解单片叶子的光谱特征， 光辐射与单叶子的相互作 用基本上包括两种物理过 程，散射(反射)与吸收。
单叶波谱特征的理论模型
随机模型
1977 年C.J.Tucker 对单片叶子的波谱特征进行了数值模拟， 他把光子与叶子的相互作用分解为十个相互独立，而又有 联系的子过程。
1
太阳 辐射
2
蜡质层 反射
6
漫反射 能量
3 栅栏组织 5
栅栏组 织散射
4
栅栏组 织吸收

9 海绵组织
海绵组 织散射
8
海绵组 织吸收
组织中有四种吸收物质，它们是液态水，叶绿素a 与b 以及胡萝卜 素，因此： 4
R4,3
(1 exp(k (i) Xpp(i)))
1
如果假定光子进入栅栏组织后被吸收的概率有一半是经多次散射得到， 则R4,5＝1／2R4,3。同理可得R8,7，其中XSM 代表第i 种物质在海绵状 叶肉层的总含量
单叶波谱特征的理论模型
随机模型模拟的黑枫树叶片反射率与实测值比较
叶子的剖面结构 单片叶子的波谱特征 单片叶子波谱特征的理论模型
随机模型
单片叶子的非朗伯体特性 单叶片光谱模型
平板模型 Perspect模型
单片叶子的非朗伯体特性
意义
是建立正确植被冠层双向反射率模型的基础 建立单片叶子的非朗伯体模型将为人们利用偏振 度测量获取更多有用的植被信息铺平道路。
第三类复杂型。如处于返青期的冬小麦 地，又如荒漠或半荒漠地区的灌从。

第六章 冠层反射率模型-辐射传输

第六章 冠层反射率模型-辐射传输

8/11 植被遥感传输理论的三个里程碑成果：
• 1950年，Chandrasekhar给出辐射传输方程的具体表达式， 并在大气和核物理等研究领域迅速得到应用和发展。 • 1953年，门司正三和佐伯敏郎（Monsi and Saeki）从实 测测定和理论推导两方面建立了光强对叶面积的依赖关系。 其中所采用的理论就是辐射传输的基本定律—BeerLambert消光定律，从而开始了用辐射传输理论对植被冠 层的研究。 • 1975年，在总结前人多年工作的基础上，Ross出版了他 的论著（俄文版），正式确定了植被内部的辐射传输方程， 进而建立植被光学特性和结构特性与辐射场之间的关系。
下标 L 表示 leaf。 uL(z)对dz在 0-H 区域积分，等于？
3/12 对于叶面积密度分布，存在：

H
0
uL (z )dz L0
式中积分上限H为植被冠层深度，z的取向向下（即z=0为 植被上界，z=H为植被下界），L0为叶面积指数（无单位
量纲），是农学、植被生态学中最重要、最常用的参数。
a(θv,υv)
a(θi,υi)
O(θi,θv,υ)
7/11
辐射传输模型
植被遥感接收的信息是植被上界的出射辐射（不考 虑大气影响），它是辐射在植被—土壤耦合体系中 多次散射和吸收的结果，而辐射传输理论可以比较 系统、较完整地描述该过程。通过辐射传输理论， 我们可以准确地计算植被上界的出射辐射量，或根 据这一信息反演植被的光学特性和结构特性，因而 从理论的高度解决了植被遥感的定量化问题。同时 在解决问题的过程中，还可以借鉴许多辐射传输理 论的最新进展和突破，从而将使这一领域充满活力。 , L )d L 1
式中积分区域 2π+ 为上半球空间，这是因为叶片只 能计算单面。对于平面平行假设，存在 gL(r, ΩL) = gL(z, ΩL) 。 叶片在2π+空间均匀分布时， g (z, Ω ) = ?

定量遥感-第四章植被定量遥感模型-2

定量遥感-第四章植被定量遥感模型-2
常要引入一个中间变量，这个变量就是Ross and Nilson提 出的 G 函数，它的定义为：
1
GL (z, ) 2 2 gL (z, L ) L dL
Ω 为辐射传输方向，方向夹角的余弦：
L cos cos cos L sin sinL cos( L )
、L分别为传输方向和叶片法向的天顶角，、 L分别为两个方向的方位角。
1/27
《定量遥感》
第四章 植被定量遥感模型
武汉大学遥感信息工程学院 龚龑
第四章 植被定量遥感模型
§4.1 冠层反射率模型概述 §4.2 冠层反射率几何光学模型 §4.3 植被辐射传输模型
§4.3.1 植被辐射传输中常用参数 §4.3.2 植被辐射传输方程及解 §4.3.3 辐射传输模型改进
2
§4.3.1 植被辐射传输中常用参数
(2) G 函数
如果叶片垂直取向且方位独立，即gL(z, ΩL) = δ(μL-0)时， G 函数：
GL
(z, )
1
2
2 0
2 0
gL
(z,
L
)
L
dLdL
GL
(
z,
)
2
sin
注意绝对值 |cosυ| 在2π空间积分为4
12
§4.3.1 植被辐射传输中常用参数
(2) G 函数
当叶片均匀（或球型）取向，gL(z, ΩL) = 1
H
0 uL(z)dz L0
式中积分上限H为植被冠层深度，z的取向向下（即 z=0为植被上界，z=H为植被下界），L0为叶面积指数（无 单位量纲），是农学、植被生态学中最重要的常用参数。
叶面积指数的含义
7
§4.3.1 植被辐射传输中常用参数

遥感物理-辐射传输模型

遥感物理-辐射传输模型
首先引入叶片散射相函数γL(ΩL, Ω’Ω)，表示当 方向为Ω’的辐射入射到法向取向为ΩL的叶片时， 被散射到Ω方向的比例。
若叶片的散射特征可以看成是两个半径不同的反射 和透射半球，即：
叶片的物理特性包括叶片尺度、叶片取向、叶表 面粗糙度以及叶片光学性质（如反射率、透过率 和吸收率）等。
考虑由叶片所组成的整体性质，需要定义一些植 被群体特性参数，它们是对植被冠层结构和光学 特征的一种提炼化描述，是对全体叶片分布统计 平均的结果。这些统计量包括叶面积密度分布、 G函数和函数。
叶面积密度分布
当然，由于相互融合，两类模型现在已经区分不明显了， 即以几何光学为基础的模型加入了对多次散射的考虑，而 以辐射传输为基础的模型加入了对热点现象的考虑。
热点(hot spot)现象
所谓热点(hot spot)现象，即当传感器与太阳位于同 一方向时，传感器所接收的地面辐射最强（地面反 射率最大、地面光强最强、最热）。 几何光学模型可以较好地解释热点现象。 光照背景的比例
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上均有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象， 即当观测方向与辐射方向正好相反时，出现较强的反 射亮度。
2）植被累积面积增大
“丘形”分布
在背景土壤反射率较高（如红 光波段）而且植被较为稀疏的 情况下，反射率会出现“丘形” 分布。 原因：1）星下点背景反射率 影响较大

定量遥感-第四章植被定量遥感模型-3

定量遥感-第四章植被定量遥感模型-3
栅栏组织漫射反射出去和向下进入海绵组织，而漫射反射和进入 海绵组织的概率，取决于它们之间的质量之比。
R6,5
R5,3
/
2
Xpp (Xpp Xsm)
R7,5
R5,3
/
2
Xsm (Xpp Xsm)
15
§4.3.2 叶片反射率模型
1.随机模型
用矩阵P 表达上述过程及其间相互关系，则
0 0 0 0 0 P 0 0 0 0 0
18
§4.3.2 叶片反射率模型
1.随机模型
R9,7=1-R8,7 R5,5=1-R4,5-R6,5-R7,5 R9,9=1-R3,9-R10,9-R8,9 R2,2=R4,4=R6,6=R8,8=R10,10=1 R3,1=1-R2,1 R10,9=0.12 R3,9=0.08 R2,1=0.01
其它未涉及到Rij 值均取“零”
随机模型模拟的黑枫树叶片 反射率与实测值比较
19
§4.3.2 叶片反射率模型
2.平板模型（plate model） 最初的平板模型是将叶片当作一个吸收板，具有朗伯表面。 所需的参数为一个折射指数和吸收系数。这个模型成功地用在 模拟紧密（没有空气和细胞间隔）的玉米叶片上。
并且可由式T21＝n-2T12或观测得到，代入T21的表达式：
R (1 T12 ) 2T122 (n 2 T12 ) /(n 4 2 (n 2 T12 ) 2 ) T n 2T122 /(n 4 2 (n 2 T12 ) 2 )
23
§4.3.2 叶片反射率模型
2.平板模型 n为两种介质的相对折射指数，τ为平板的透射系数；Tij为介 质i和j的界面的透射比。两个介质界面对入射角为α 立体角范围 内辐射的平均透射比，由下式给出：

遥感物理-辐射传输模型

遥感物理-辐射传输模型
叶片的物理特性包括叶片尺度、叶片取向、叶表 面粗糙度以及叶片光学性质（如反射率、透过率 和吸收率）等。
考虑由叶片所组成的整体性质，需要定义一些植 被群体特性参数，它们是对植被冠层结构和光学 特征的一种提炼化描述，是对全体叶片分布统计 平均的结果。这些统计量包括叶面积密度分布、 G函数和函数。
叶面积密度分布
2）植被累积面积增大
“丘形”分布
在背景土壤反射率较高（如红 光波段）而且植被较为稀疏的 情况下，反射率会出现“丘形” 分布。 原因：1）星下点背景反射率 影响较大
叶面积指数
单位面积内所有叶子单面面积之总和。也可表示为叶 面面积之总和与所占面积之比。 无单位量纲，是农学、植被生态学中最重要、最常用 的参数。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上Байду номын сангаас有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象， 即当观测方向与辐射方向正好相反时，出现较强的反 射亮度。
植被辐射传输模型的假设
• 在本节中，我们考虑连续植被分布，或者植被 个体间虽有间断，但却均匀分布（其体现的效 果相当于个体密度之和在整个平面上的平均）， 这时植被叶片密度呈平面平行分布。这种假设 符合农作物、自然草场以及一些较密的森林的 状况。
植被辐射传输模型中的三个参数

植被遥感上机课程-植被辐射传输模型

植被遥感上机课程-植被辐射传输模型

直接照射冠层
直接照射冠层与非直接照射冠层
非直接照射的冠层
5-SCALE建模
叶片 独立个体的冠层 空间分布
5-SCALE软件的特色
突出植被冠层的二向性
植被光谱的二向性？
不同观测角度，观测到 不同强度的遥感反射率
5-SCALE软件的功能
使用5-SCALE的三种模式
（1）太阳平面上的反射率二向性模式 （2）单波段反射率的二向性模式 （3）太阳平面上的反射率高光谱模式
使用5-SCALE模型，可关注针叶林的 BRDF响应。
5-SCALE模型输入参数
• • • • • • • • • • • • • 观测天顶角度 太阳天顶角 相对方位角 叶面积指数 LAI 丛生指数 树木密度 树冠垂直高度 杆高 冠层半径 冠层形状（1 圆锥加圆柱；2 椭圆） 枝叶几何参数 叶片光谱 下界面（背景）光谱
植被辐射模型上机课程
焦全军 jiaoqj@
1
植被辐射传输过程
400-2500nm： 地表反射率
植被患病变色
叶绿素 chlorophylls
叶片光谱受到叶片色素的影响
花青素anthocyanins 类胡萝卜素carotenoids 叶黄素 brown pigments
输出：
叶片反射率和透过率（400-2500nm，5nm间隔）
PROSPECT模型(WINSail软件中) 实习
从WINSail软件中 打开PROSPECT
PROSPECT 界面
叶肉结构参数N 叶绿素含量 叶片含水量 干物质含量 叶黄素含量
PROSPECT 模型的参数输入表
输入参数 描述 取值范围 默认值
第二种方式：COPY文本进入EXCEL，利用分列工具，对数据进行分列

植被遥感上机课程-植被辐射传输模型

植被遥感上机课程-植被辐射传输模型

03
植被辐射传输模型的参数
叶片结构参数
叶片厚度
叶片的厚度影响对光的吸收和反射，是决定植被辐射传输的重要因素。
叶片排列
叶片在树冠中的排列方式影响光在植被中的散射和穿透，进而影响辐射传输。
叶片表面结构
叶片表面的粗糙度和气孔分布等结构特征影响光与叶片的相互作用。
叶片色素参数
叶绿素含量
叶绿素是植物进行光合作用的主 要色素，对光的吸收和利用有重 要作用。
05
植被辐射传输模型的应用案 例
植被覆盖度估算
总结词
通过遥感数据和辐射传输模型的结合，可以估算植被覆盖度，了解地表植被的空间分布和覆盖程度。
详细描述
利用遥感数据中的光谱信息，结合植被辐射传输模型，可以反演地表植被的叶面积指数（LAI），进而估 算植被覆盖度。这种方法能够快速获取大范围的地表植被覆盖信息，对于生态保护、土地利用和气候变化 研究等领域具有重要意义。
根据实际需求和数据情况，确定模型所需 的参数，如地表反射率、大气透过率等。
模型建立与训练
数据集划分
01
将数据分为训练集、验证集和测试集，用于模型的训练、验证
和测试。
模型训练
02
利用训练集对模型进行训练，调整模型参数，优化模型性能。
模型验证
03
使用验证集对训练后的模型进行验证，评估模型的性能和泛化
能力。
植被生长状况监测
总结词
通过分析遥感数据和辐射传输模型的输出结果，可以监测植被的生长状况，了解植物的生长趋势和健康状况。
详细描述
利用遥感数据中的光谱信息，结合植被辐射传输模型，可以反演植物的生物量、叶绿素含量等信息，进而监测植 被的生长状况。这种方法能够及时发现植物生长异常，为植物保护和农业生产提供科学依据。

遥感应用模型2-植被遥感

遥感应用模型2-植被遥感

壤水分）估算；
§3.1 植被遥感
三、植物遥感原理
～～植物遥感依赖于对植物叶片和植被冠层光谱特性的认识。 ～～植物光谱特征主要依赖于植物的叶结构、组分以及含水量
等因素，健康植物的波谱曲线具有明显的特点。
～～从植物遥感——植物与光的相互作用出发，植被结构主要
指植物叶子的形状（用叶倾角分布LAD表示）、大小（叶面积 指数LAI）、植被冠层的形状、大小以及几何与外部结构—— 包括成层现象、覆盖度等来表述。
§3.1 植被遥感 ～～许多因素会影响植物的光谱特征，包括植物类型、生长阶 段、健康水平、季节和立地条件，它们使植物光谱包含了更多、 更复杂的信息。
～～当植物发生病虫害时，叶绿素水平会出现不同程度的下降， 叶细胞结构和含水量等也会发生相应变化； ～～ 通常虫害越严重，这种变化就越显著，表现为近红外波段 附近的反射率下降。 ～～ 可以在遥感图像上测定这种波谱特征的变化，并与相应的 虫害水平进行相关分析，得到统计相关的定量表达式，用于确 定未知区域植物的虫害水平。
～～ ～～ ～～
NIR和R波段的不同组合包含90%以上的植被信息。
植被指数可以有效地综合有关的光谱信号，增强植被信息，减 少非植被信息，是对地表植被状况的简单、有效及经验的度量。
因为植被本身、大气、传感器定标、传感器观测条件、太阳照 明几何、土壤湿度、颜色和亮度等的影响，植被指数有明显的地 域性和时效性，研究结果经常不一致。
§3.2 植被指数——常用植被指数定义及特点
2 比值植被指数（RVI）
RVI = NIR / R
～～绿色健康植被地区RVI远大于1，无植被覆盖的地面（裸土、人
工建筑、水体、植被枯死或严重虫害）约为1；
～～绿色植物的灵敏指示参数，与LAI、干叶生物量（DM）、叶绿素

遥感辐射传输模型

遥感辐射传输模型

遥感辐射传输模型*名：**学院：地球科学与环境工程学院专业：遥感科学与技术班级：遥感一班提交时间：2015年5月10日大气订正是遥感技术的重要组成部分，主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。

如果获得了大气特性参数，进行大气订正就变得相对容易，但是获得准确的大气特性参数通常比较困难。

通常有两类方法用辐射传输方程计算大气订正函数：一种是直接的方法，对于大气透过率函数和反射率函数，通过对模型的积分来得到；另一种是间接的方法，他不是直接计算所需要的大气订正函数，而是通过辐射传输模型输出的表观反射率，结合模型输入的参数来求解。

大气订正方法有很多，比如：基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。

它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气订正的方法。

其中，大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法，它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果，其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后，在遥感器上所获得的信息，其中考虑了光子与大气相互作用机理，物理意义明确，具有很高的反演精度。

大气辐射传输原理电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。

辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。

当电磁辐射为太阳辐射，而且忽略多次散射产生的漫射辐射时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为[1]（1）式中，IΛ是辐射强度， s是辐射通过物质的厚度，ρ是物质密度,KΛ表示对波长λ辐射的质量消光截面。

令在s=0 处的入射强度为Iλ（0），则在经过一定距离s1后，其出射强度可由式(1)积分得到（2）假定介质是均匀的，则kλ与距离s无关，因此定义路径长度（3）则式(2)可表示为（4）上式就是比尔定律，也称朗伯定律。

第二章 植被遥感应用模型

第二章 植被遥感应用模型

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内部的多次反射与折射，向上反射穿出上表皮层便构成反射光，向下折射穿出下表皮层便 形成透射光，这一过程具有明显的随机性质，因此反射率与透射率是相近的。这一波段范 围内具有很宽很强的反射峰是植被所独有的波谱特征，当叶子发生枯萎或因缺水而凋谢， 这意味着细胞的萎缩，折射率差异的减少，其宏观表现为这一波段的反射率值明显下降。 (3)1.1μm-2.5μm 这一波段范围的波谱特征基本上被液态水的吸收特性所控制，图 2-1-5 展示了液态水 的吸收特征。对可见光而言，液态水是相当透明的，但在近红外波段它存在两个强烈的吸 收峰，中心分别在 1.42μm 与 1.96μm，这就造成了叶子在这两个中心带上存在两个强烈的 吸收谷，其谷深与液态水含量有关。 基于能量守恒原理，反射率(ρλ)，透射率(τλ)与吸收率(αλ)，三者之和等于“1” 。 ρλ + τλ + αλ = 1 它们三者之间相互关系示意图 2-1-6 (4)单片叶子的波谱从以 0.68μm 为中心的反射率极小值过渡到从 0.8μm 开始的反射 峰， 其间必存在一个拐点，也就是∂(∂ρλ) / ∂(∂λ)= 0 的点，我们称拐点所对应的波长为“红 边” ，显然“红边”的变动与叶子内部的物理状态密切相关，例如任何原因引起近红外反射 峰的降低，均为引起“红边”位置的迁移，所以“红边”概念对排除外来干扰，特别是对 来自土壤背景的干扰，提取植被状态信息是十分有用的，有关问题我们将在成象光谱仪的 遥感信息提取方法一节中详述。 通过以上分析，单叶面的波谱特征基本上被叶子内部所含物质种类、数量以及叶子内 部结构，叶子物理状态所控制，因此可以判断不同生育期的叶子亦可能展示出波谱特征上 的差别 ，图 2-1-7 展示了白色橡树叶的反射率，波谱随季节的变化规律。 应该注意到 4 月 17 日嫩叶的反射率光谱特征是以 0.68μm 为中心的强吸收谷还没有形 成，这表明嫩叶内的叶绿素，含量还较低，同时 0.74μm-1.1μm 波段的反射峰值却很高， 接近 50%，这表明嫩叶内的细胞是充分膨胀的，叶子表面的蜡层还没有充分形成，随着时间 推移吸 收谷和反射峰逐步形成，叶子成熟后其波谱特征少变，当叶子接近枯萎，首先以 0.68μm 为中心的吸收谷被填塞，随之红外反射峰值逐步减小。 多层叶子重迭时叶子反射率波谱特征由图 2-1-8 所示，所展示的为棉花叶子重迭时的 波谱。 当层数增加时， 0.7μm-1.1μm 波段的反射峰值亦随之增加， 并逐步趋近于一个极值， 而吸收谷基本不变，这是因为单叶片在 0.68μm 附近的吸收率往往高达 90%以上，而反射峰 值一般低于 50%，换言之反射与透射具有相近的数值。 1.3 单片叶子波谱特征的理论解释 1977 年 C.J.Tucker 对单片叶子的波谱特征进行了数值模拟， 他把光子与叶子的相互作 用分解为十个相互独立，而又有联系的子过程，由图 2-1-9 展示对该图作如下说明： (1)代表太阳辐射 (2)代表由表面蜡层直接反射的太阳辐射 (3)栅网薄壁组织 (4)薄壁组织内的吸收过程 (5)薄壁组织内的散射过程 (6)由薄壁组织向上的漫辐射 (7)海绵状叶肉层
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w05 w10 w15 w20
0 400 900 1400 1900 2400
不同的叶片水分含量模拟的叶片反射率（左）和透过率（右）
冠层模型
实习内容：
连续型冠层模型(SAIL为例)
连续型冠层模型——SAIL模型为例
SAIL模型假设冠层具有如下性质： 冠层水平且无限延伸； 冠层组分只考虑叶片； 冠层分布是各向同性的。
存为一个文件， PROPECT的叶片反射率和 透过率光谱，可为WINSail 使用。
结果范例
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 900 1400 1900 2400
波长（nm）
w05 w10 w15 w20
0.5
w05 w10 w15 w20
0.4 0.3 0.2 0.1
w05 w10 w15 w20
(1-4) 1.3
(0.001-0.005g/cm2) 0.003 g/cm2 (0.003-0.03g/cm2) 0.012 g/cm2 (0.5、1 ～8) 3 （0-90 度）57 度 0.25 0 0 30 0
SAIL模型的WIN版本
LAI
光源与观测参数
叶片倾角分布函数
叶片与土壤参数
冠层的多层结构
射等）的过程。
正演
植被参数
模型
反演
遥感光谱
构建了地物理化、结构的特性与地物辐射特性的关系。
植被辐射模型可以做什么？
（1）反演植被参数
Meroni, et al. (2004)基于DAIS航空 高光谱影像，利用PROSAIL模型， 反演了植被LAI参数。
Meroni, M., R. Colombo, et al. (2004). "Inversion of a radiative transfer model with hyperspectral observations for LAI mapping in poplar plantations." Remote Sensing of Environment 92: 195-206.
Zarco-Tejada, P. J., J. R. Miller, et al. (2004). "Hyperspectral indices and model estimation in open-canopy tree crops." Remote Sensing of Environment 90(4): 463-476.
使用5-SCALE模型，可关注针叶林的 BRDF响应。
5-SCALE模型输入参数
• • • • • • • • • • • • • 观测天顶角度 太阳天顶角 相对方位角 叶面积指数 LAI 丛生指数 树木密度 树冠垂直高度 杆高 冠层半径 冠层形状（1 圆锥加圆柱；2 椭圆） 枝叶几何参数 叶片光谱 下界面（背景）光谱
尝试回答的问题
• • • • 叶绿素 可见光-近红外吸收？特征？ 叶片水分 近红外-短波红外吸收？特征？ 叶片干物质 短波红外吸收？特征？ ……
• 叶面积指数对植被光谱的影响 ? 波段范围？强度 如何？
本次上机目的
• 掌握几种流行的植被冠层光谱模型，分析 不同参数对应的光谱特征。 • 简单来说：
新鲜叶片 T A R 干枯叶片
鲜叶片和干叶片的反射率光谱（R）和透过率光谱（T）
叶片模型
实习内容：
平板模型，以PROSPECT为例
PROSPECT 模型 早期的PROSPECT模型
针对紧密叶片的，对于双子叶和衰 老叶片是不合适的，也即还没有考虑叶 片内空气间隔等的影响。
PROSPECT的改进之一
直接照射冠层
直接照射冠层与非直接照射冠层
非直接照射的冠层
5-SCALE建模
叶片 独立个体的冠层 空间分布
5-SCALE软件的特色
突出植被冠层的二向性
植被光谱的二向性？
不同观测角度，观测到 不同强度的遥感反射率
5-SCALE软件的功能
使用5-SCALE的三种模式
（1）太阳平面上的反射率二向性模式 （2）单波段反射率的二向性模式 （3）太阳平面上的反射率高光谱模式
冠层
叶片
太阳与观测环境
PROSAIL模型的参数输入表
输入参数 Cab 描述 叶绿素含量 取值范围及默认值 (5～80μg/cm2) 40μg/cm2
N
Cm Cw LAI LAD Sl Theta_s,Phi_s Theta_v,Phi_v
叶片结构参数
干物质含量 水分含量 叶面积指数 平均叶倾角 热点大小 太阳方位角和天顶角 遥感器方位角和天顶角
第二种方式：COPY文本进入EXCEL，利用分列工具，对数据进行分列
植被遥感模型
叶片光学模型 扁平叶模型——学习PROSPECT（Jacquemoud,1990） 针叶模型——学习LIBERTY（Dawson et al, 1998） 植被冠层模型 连续型冠层模型——学习SAIL（Verhoef, 1984） 几何光学模型——学习5-SCALE(Chen J M,1997 ）
植被辐射传输过程
400-2500nm： 地表反射率
植被患病变色
叶绿素 chlorophylls
叶片光谱受到叶片色素的影响
花青素anthocyanins 类胡萝卜素carotenoids 叶黄素 brown pigments
地物辐射模型
描述辐射传播，与地物发生相互作用（吸收、散射、发
输出：
叶片反射率和透过率（400-2500nm，5nm间隔）
PROSPECT模型(WINSail软件中) 实习
从WINSail软件中 打开PROSPECT
PROSPECT 界面
叶肉结构参数N 叶绿素含量 叶片含水量 干物质含量 叶黄素含量
PROSPECT 模型的参数输入表
输入参数 描述 取值范围 默认值
叶片模型
实习内容：
针叶模型，以LIBERTY为例
针叶模型
Dawson et al. (1998)发展了针叶的叶片辐射传输模型 LIBERTY 。
LIBERTY模型通过若干层细胞的反射率和透过率的 迭代过程求得单个针叶的反射率和透过率，需要3大 类、共9个输入参数。
LIBERTY的针叶内辐射传输模型
植被辐射模型可以做什么？
（2） 模型正演的应用 植被参数
1）调整某一个参数
植被遥感 模型
遥感光谱 模拟结果
2）查看参数调整带来的模拟结 果变化； 3）进而发现敏感参数、及对应 的敏感波段； 4）优选植被指数等
Zarco-Tejada, et al. (2004)利用植被 遥感模型模拟光谱，比较不同植被 指数的性能。
耦合模型： （1）PROSPECT + SAIL （2）LIBERTY + 5-SCALE
植被的叶片类型
叶片的类型差异
扁平叶（阔叶）
学习PROSPECT（Jacquemoud,1990）
针叶
学习LIBERTY（Dawson et al, 1998）
植被的冠层类型
冠层的类型差异
连续型冠层（均一、混沌）
假设叶片是由N层同性层叠起来的， 被N-1层空气间隔分割开来。 N不一定是整数。
N被称为是叶肉结构指数。
PROSPECT模型含有以下参数：
N－叶肉结构参数（叶肉层数）
Cab－叶绿素含量（叶肉透过系数θ有关 ）
Cw－叶片含水量（叶肉透过系数θ有关 ） Cm－干物质含量（叶肉透过系数θ有关 ） n － 叶肉界面折射指数n；（叶肉界面的折射属性） α－ 最大入射角α（叶表面粗糙度）
太阳入射平面的二向性
植被分布参数
叶片与下界面属性
冠层形状
太阳与观测参数
四种工作模式
枝干属性
使用5-SCALE的三种模式
（1）太阳平面上的反射率二向性模式
太阳入射平面的二向性
使用5-SCALE的三种模式
（2）单波段反射率的二向性模式
二向性
太阳平面
使用5-SCALE的三种模式
（3）太阳平面上的反射率高光谱模式
• 单独使用WINSail模拟
– 分析冠层结构参数和反射率光谱的关系
冠层反射率随：叶面积指数LAI、平均叶倾角LAD 的变化
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• WINSail结合PROSPECT
– 分析叶片参数对冠层反射率的影响
冠层反射率随：a) 叶肉结构参数N; b) 叶绿素 Cab; c) 水含量Cw; d) 干物质Cm
1）调参数：固定其他参数不变，改变一个参数的设 置；（模型软件输入） 2）转模型：获得不同参数对应的光谱数据集；（模
型软件输出文本文件）
3）敏感性分析：分析参数变化带来的光谱变化。
（文本文件导入EXCEL ，在EXCEL表里面展示、分析）
文本文件导入excel
第一种方式：使用EXCEL直接打开文本文件，输入分列符号设置，进行分列
Cab
N
叶绿素含量
叶片结构参数
5～80μg/cm2
1-4
30μg/cm2
1.3
Cm
Cw
干物质含量
水分含量
0.001-0.005g/cm2
0.003-0.03g/cm2
0.005 g/cm2
0.012 g/cm2
PROSPECT模型(WINSail） 两种数据获取方式： 单波段 多波段
模拟计算
PROSPECT模型(WINSail）
叶倾角分布函数
分布类型 喜平型 喜直型 喜斜型 喜极型 均匀性 球面型 分布函数 2(1+cos(2θ))/π 2(1-cos(2θ))/π 2(1-cos(4θ))/π 2(1+cos(4θ))/π 2/π sinθ 平均叶倾角（°） 26.76 63.24 45 45 45 57.3 标准差（°） 18.5 18.5 16.25 32.9 26 21.6