植被遥感上机课程-植被辐射传输模型共59页文档

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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

大气校正 的常用方法
（1）暗目标法 （2）不变地物法
—经验线性法等。 （3）直方图匹配法 （4）基于大气传输模型法:
— 6S、MORDTRAN、LOWTRAN、 ATREM 、 FLAASH（耦合MODTRAN ）等。
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本次上机内容
一、计算表观反射率 二、ENVI的FLAASH大气校正 三、ENVI的经验线性法大气校正
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打开Empirical line 模块
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选择BIL或者BIP格式辐亮度文件
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图像roi
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地面测量数据 （sandandwater.txt）
暗目标：水体 亮目标：湖边沙土地
ROI选择
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处理结果
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BIP； （2）数据带有wavelenth值，如果是高光谱数据要求带有
FWHM值，这些值可以在头文件里或者单独的ASCII 文件里编写好。 （3）根据输入数据单位，计算缩放因子。
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1 打开FLAASH模块，输入数据 2 输入Radiance Scale Factors
这是一个单位转换因子 ， FLAASH要求输入的是 uw/cm2*sr*nm，而计算的Lλ的单位是w/m2 *str*um，因 此转换因子为10。FLAASH的转换因子是除法。 3设置输出参数，包括：Output Reflectance File、Output Directory for FLAASH Files、和Output Directory for FLAASH Files 4输入中心经纬度 5设置传感器参数、成像参数 6设置大气模型及气溶胶模型 7设置气溶胶反演波段

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

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§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 )
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§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

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)
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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 ) = ?

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。
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《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

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

1. 叶绿素 植被叶子中含有 多种色素，如叶 青素、叶红素、 叶绿素等，在可 见光范围内，其 反射峰值落在相 应的波长范围内 。
叶绿素a和叶绿素b导致以0.45μm和0.67μm为中心形成两 个强烈的吸收带。
不同生长状态的橡树叶子
不同橡树叶子的反射特性
2. 叶子的组织构造
绿色植物的叶子是由上表皮、叶绿素颗粒组成的栅 栏组织和多孔薄壁细胞组织（海绵组织）构成的。
遥感地学分析
Geography Analysis for Remote Sensing
第5章 植被遥感
主要内容
一、植被遥感原理 二、植被分类 三、植被生态参数 四、植被指数与地表参数的关系 五、中国及中亚地区荒漠化遥感监测研究
一、植被遥感原理
植被遥感不仅依赖于对单张植物叶片的光谱特性的 认识，还需要进一步认识植被冠层的光谱特性。
冬季多数植物凋零----长年常绿植被 同种植被在不同季节的波谱特征差异 不同植物生长期的不同，光谱特征也有差异
植物季节性规律
各种作物的生 长期和收获期 的差异
3. 根据植物的生态条件的不同来区分植被
不同种类的植物有不同的适宜生态条件，如温度、 水分、土壤、地貌等。 比如：（我国北方山坡的阴阳面差异性）
低植被覆盖度时（＜15%），植被NDVI值高于裸土NDVI 值，植被可被检测出来，但因植被覆盖度很低（如干旱、 半干旱地区），其 NDVI很难指示区域生物量；
中植被覆盖度时（25—80%）， NDVI值 随生物量的增 加呈线性迅速增加；
高植被覆盖度时（＞80%）， NDVI值 增加延缓而呈现 饱和状态，对植被检测灵敏度下降。
被指数饱和为代价来减少大气影响； (2)根据蓝光和红光对气溶胶散射存 在差异的原理。采用“抗大气植被 指数(ARVl)对残留气溶胶做进一步 的处理；(3)采用“土壤调节植；波 指数(SAVl)”减弱了树冠背景土壤变 化对植被指数的影响；(4)综合 ARVI和SAVI的理论基础。形成 “增强型植被指数(EVI)”。它可以 同时减少来自大气和土壤噪音的影 响。

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