下载文档原格式
实验六植物冠层分析仪测量原理与使用方法【实验目的】通过本实验使学生了解叶面积指数这一重要生态系统结构与功能参数，掌握目前国际上流行的叶面积指数测定仪器——植物冠层分析仪的使用方法，并以灌木林为例，在老师的指导下分组具体测定灌木林地叶面积指数。
【实验原理】叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）是一个重要的生态系统结构参数，定义为某一树木或林分的叶片在地面上投影的总面积。
叶面积指数不仅直接反映植物的生长状况，而且影响着植物的许多生物、物理过程，如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、碳氮循环和降水截获等。
由于叶面积的指数是一个很好反映植物对于环境变化响应的指标，又与植被的光合作用、蒸腾作用、水分利用及净初级生产力、碳氮循环直接相关，特别是在研究植被生产力与遥感数据的关系模型方面，叶面积指数显示了巨大的应用前景，因此，叶面积指数的快速和准确测定显得十分重要。
LAI是研究从叶片水平推移到森林冠层的重要参数，是一个无量纲、随着叶子数量的变化而变化的参数。
LAI值变化范围：针叶林的为0.6～16.9；落叶林为6～8；年收获的作物为2～4；绝大部分生物群系为3～19。
LAI测量方法包括直接测量法和间接测量法。
直接测量法通过先测定所有叶片的叶面积，再计算LAI，叶面积测量方法有求积仪测定法、称重法、方格计算法、排水法、经验公式计算法、异速生长法等。
其中常用的有利用叶片形状的标准形状法、根据叶面积与叶重之间关系的称重法以及利用叶面积与胸径的回归关系推算叶面积的易速生长法。
因要剪下全部待测叶片，直接测量多数属于毁坏性测量，或至少会干扰冠层，叶片角度的分布，从而影响数据的质量，直接测量法费时、费力。
间接测量法，利用冠层结构与冠层内辐射与环境的相互作用这一可定量耦合关系，通过测定辐射的相关数据推断冠层的结构特征，具体有顶视法和底视法。
间接测量法可以避免直接测量法所造成的大规模破坏植被的缺点，不受时间的限制，获取数据量大，仪器容易操作，方便快捷，还可以测定一年中森林冠层LAI的季节变化。
在遥感的实际应用中，常用很多简化的手段，如假设地面为朗伯面，排除云的存在，采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等，一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型，主要分为两类，1）采用大气的光学参数2）直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型，而且还增加了多次散射计算1. 5s模型该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率，并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合，就像吸收粒子位于散射层的上面一样，则大气上层测量的目标反射率可以表示为，海平面处朗伯体的反射率大气透过率分子、气溶胶层的内在反射率有太阳到地表再到传感器的大气透过率S为大气的反射率大气传输辐射校正模型－3 modtran该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序，在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。
lowtran7是一个光谱分辨率20cm－1，的大气辐射传输实用软件，它提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线，水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮的混合比垂直廓线，其他13种微量气体的垂直廓线，城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨的廓线，辐射参量（如消光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布），以及地外太阳光谱。
lowtran7可以根据用户的需要，设置水平、倾斜、及垂直路径，地对空、空对地等各种探测几何形式，适用对象广泛。
lowtran7的基本算法包括透过率计算方法，多次散射处理和几何路径计算。
1）多次散射处理lowtran 采用改进的累加法，自海平面开始向上直至大气的上界，全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献，逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。
再用得到的通量计算散射源函数，用二流近似解求辐射传输方程。
2）透过率计算该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时，采用参数化经验方法计算带平均透过率，在计算多次散射时，采用k－分布法3）光线几何路径计算考虑了地球曲率和大气折射效应，将大气看作球面分层，逐层考虑大气折射效应由于lowtran直接使用大气物理参数，因而需要按照下列方法计算出与lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页4.modtran辐射传输模型modtran可以计算0到50000cm－1的大气透过率和辐射亮度，它在440nm到无限大的波长范围精度是2cm－1，在22680到50000cm－1紫外波（200-440nm）范围的精度是20cm－1，在给定辐射传输驱动、气溶胶和云参数、光源与遥感器的几何立体对和地面光谱信息的基础上，根据辐射传输方程来计算大气的透过率以及辐射亮度。
实习三 植被冠层反射率模型一、实习目的学习和掌握叶片反射率模型PROSPECT 和冠层反射率模型Sail 的使用。
二、实习内容（1）熟悉Prospect 和Sail 模型的输入参数和输出结果；（2）利用实测数据进行叶片反射率和冠层二向反射率的模拟； （3）利用模型进行一些基本原理的验证。
三、实习步骤 （1）叶片反射率1、安装WinSail 程序，打开Prospect ，点击Options ——Winsail (multiple wavelength ) generation mode ，波长范围为400——2400nm ，所以在Lower wavelength 中输入400，在Upper wavelength 中输入2400，wavelength increment （波长间隔）中输入5，叶片叶肉结构Leaf mesophyll structure index ，输入1.3。
2、利用Prospect 模型分别模拟苜蓿、莴苣、玉米、向日葵和水稻五种作物的叶片反射率和透射率。
分别在Chlorophyll content （叶绿素含量）、Water content （含水量）、Dry matter content （干物质）中输入5中作物对应的参数，最后点击Calculate multiple Rf/Tr values (%)，得出各自的运行结果。
3、将五组数据导入到excel 表格中，每组数据对应两个数值，即叶片反射率Ref 和透射率Tr ，将透射率删除，插入图表，绘制各作物的叶片反射率光谱曲线，横轴表示波长，纵轴表示反射率，光谱曲线如下图所示：5种作物叶片反射率010203040504008001200160020002400波长（nm）反射率苜蓿Ref 莴苣Ref 向日葵Ref 玉米Ref 水稻Ref（2）冠层反射率1、运行Winsail 程序，分别输入太阳赤纬、纬度等相关参数，在Leaf Reflectance/Transmittance 中导入刚刚利用Prospect 求出的各作物的叶片反射率，Background Spectrum 选择SOIL_SAIL ，Background reflectance 选择rsoil.dat ，最后点击运行。
【辐射传输】名词解释2-3立体角（Ω）被定义为锥体所拦截的球面积（σ）与球半径（r）平方的比值。
单位：球面度（sr）2-7辐射通量：单位时间通过某一表面的辐射能量。
也称功率。
2-8辐射通量密度：单位时间、单位面积上所通过的能量。
2-9辐射量度：单位时间、单位立体角垂直于辐射方向的单位面积上所通过的能量。
在一些参考书上也称为辐射强度。
2-13二项性反射分布函数：反射方向辐射亮度与入射方向辐射通量密度的比值。
2-14二项性反射率因子：反射方向辐射亮度与理想漫反射体在该方向的反射辐射亮度之比。
2-14理想漫反射体：100%反射且各向同性（朗伯体）2-15反照率：一般定义为目标物的反射辐射通量密度与入射辐射通量密度的比值。
2-15黑空反照率（Black-Sky Albedo）：将BRDF在所有反射方向上进行积分。
有时也称方向-半球反射率等。
2-15白空反照率（White-Sky Albedo）：将黑空反照率在所有入射方向上进行积分。
有时也称为双半球反射率等。
2-16宽波段反照率就被定义为在一定波长范围内的地表上行辐射通量密度与下行辐射通量密度的比值2-17黑体：完全的吸收体和发射体。
2-33基尔霍夫定律：在热力学平衡条件下，某介质的单色发射率等于它的单色吸收率。
2-36散射（Scattering）是这样一种物理过程：位于电磁波路径上的粒子，通过这种过程从入射波中连续地提取能量，并且将此能量向各方向重新辐射出去。
2-36吸收（Absorption）：粒子将电磁辐射的能量变成自己的能量。
2-36消光（Extinction）：表示介质对光的移除，使其能量衰减。
消光= 散射+ 吸收。
2-40消光截面：表示粒子由初始光束中所移除的能量大小。
当对粒子而言时，截面的单位是面积（cm2），因此，以面积计的消光截面（extinctioncrosssection）等于散射截面与吸收截面之和。
2-43热点：即与太阳入射方向正好相同的观测方向附近有一个反射峰值。
测绘技术陆地卫星图像的大气校正与反射率获取方法测绘技术是现代科技的重要组成部分，涉及到多个领域，包括地理信息系统、遥感技术和测绘仪器等。
其中，测绘技术中的大气校正与反射率获取方法在陆地卫星图像处理中起着至关重要的作用。
本文将探讨大气校正与反射率获取方法在测绘技术中的应用。
一、大气校正的意义与目的大气校正是将卫星图像中因大气吸收、散射等原因引起的扰动进行校正，以获得真实的地物反射率。
大气校正的目的是消除大气影响，提高图像的可解译性和定量性。
大气校正能够使卫星图像更加精确和真实地反映地表特征，为后续的测绘工作提供准确的数据基础。
二、大气校正的原理与方法大气校正的原理是基于大气对太阳辐射的吸收、散射以及陆地表面反射的特性。
常见的大气校正方法包括大气传输模型法、辐射传输模型法和方法转换法等。
其中，大气传输模型法是将大气光通量和大气的散射成分分开计算，进而校正图像。
辐射传输模型法则是通过建立大气模型，利用辐射传输方程求解大气校正系数。
方法转换法则是通过选择合适的目标和背景进行校正，从而获得真实的地物反射率。
三、反射率获取方法反射率获取方法是在大气校正基础上，通过分析卫星图像中的光谱数据，计算地物的反射率。
常用的反射率获取方法包括比值法、冠层反射率模型法和统计学方法等。
比值法是通过地物的光谱特征反映地物的反射率，通过计算不同波段之间的比值，来获得反射率信息。
冠层反射率模型法是通过建立地物与大气之间的传输模型，将卫星观测值与地物的反射率联系起来。
统计学方法是通过统计分析卫星图像中的光谱分布，来获得地物反射率的估计值。
四、测绘技术中的应用大气校正与反射率获取方法在测绘技术中有着广泛的应用。
首先，在地理信息系统中，通过对卫星图像进行大气校正和反射率获取，可以获取准确的地表反射率，提供高质量的地表特征信息。
其次，在环境监测领域，通过大气校正和反射率获取可以对空气质量、土壤水分等环境因素进行精确监测。
此外，大气校正和反射率获取也广泛应用于农业、遥感地质勘探等领域，为相关工作提供重要的支持。
反射率基法辐射定标原理和流程介绍文章对反射率基法辐射定标进行介绍，并详细描述了定标原理，对定标过程中涉及到的公式给予解释说明，并给出了单点法和两点法的定标系数计算公式。
对定标过程中用到的6S辐射传输模型进行了简要介绍，针对可见光近红外场地定标试验，对6S输入参数也进行了说明，最后对定标具体流程进行了介绍。
标签：反射率基法；6S辐射传输模型；原理引言反射率基法作为目前使用最广泛的场地定标法，已成功对多颗卫星传感器进行了在轨辐射定标，是目前在轨辐射定标中不可或缺的定标方法之一。
反射率基法需要测量场地反射率、大气气溶胶光学厚度、臭氧含量及其他气象参数，利用辐射传输模型计算出大气吸收和散射透过率，最终得到场地大气层顶表观反射率和表观辐亮度，同场地图像平均DN值的比较，即可得到传感器的绝对辐射定标。
文章主要对反射率基法辐射定标进行介绍。
1 反射率基法定标原理场地定标是指在地面上选取均匀区域作为辐射定标场，当卫星过境时，通过地面或飞机上准同步测量，实现在轨卫星遥感器的辐射定标。
场地定标方法包括以下三种：反射率基法、辐亮度法和辐照度基法[1]。
反射率基法辐射定标是在卫星传感器过境时，在辐射校正场同步进行场地反射率测量、大气消光测量、常规气象观测，并用gps设备记录测量过程中的定位信息。
对以上观测数据进行处理，获得场地反射率、水汽含量、气溶胶光学厚度等辐射定标过程中需要的参数。
将所得参数输入相应的辐射传输模型，计算得到卫星传感器入瞳处各光谱波段的表观辐亮度或表观反射率，其中针对不同传感器还需要光谱响应函数进行卷积处理。
同时，还需对同一时刻卫星图像进行处理，根据定位信息提取并计算测量场地的平均计数值。
最后将计算得到的表观辐亮度或表观反射率与卫星传感器图像平均计数值比较，得到卫星各波段表观辐亮度或表观反射率定标系数[2，3]。
对于卫星传感器第i波段，其等效表观辐亮度Li与传感器探测得到的计数值DNi的关系为：式中，ai为传感器第i波段辐亮度定标系数的增益；DN0i为计数值的偏移量。
第六章散射和吸收（Scatter and Absorption）§6.1描述衰减的术语（Terms Describing Attenuation）§6.2辐射传输方程Ⅰ（Radiative Transfer EquationⅠ）§6.3大气层和大气窗（Aerosphere & AtmosphericWindows）§6.4辐射传输方程Ⅱ（Radiative Transfer EquationⅡ）§6.1.1复折射率和穿透深度（Complex Index ofRefraction & transmittance depth ）复折射率（complex index of refraction ）的表达式如下它的实部n ′是折射率（refraction index ），它表明电磁波在两介质的界面处传播速度和方向的变化。
n n ′′−′=i n图6-1：折射和反射如图图6-1所示，在海-气界面，反映这种变化的是斯奈尔折射定律（Snell’s Refraction Law ）（6-2）式中n ′是电磁波从空气向海水传播时在海水的折射率，θ1是入射角，θ2是折射角，c 和v 分别是电磁波在空气和海水中传播的相速度（phase speed ），这里v 指复相速度的实部。
斯奈尔折射定律（Snell’s Refraction Law ）•使用测量折射的仪器可测得在可见光范围介质的折射率n ′。
如果已知海水的相对电容率εεr ，则可使用（6-3）来计算复折射率n = n ′−i n 〞•在微波波段里，相对电容率εεr 可从德拜方程获得。
复折射率的虚部表示电磁波在介质中传播的衰减程度。
把（,6-1）和（6-2）代入麦克斯韦方程组的解，可得到（6-4）式中E x （ω, z ）代表电场强度（electric field intensity ），ω= 2πf 代表电磁波的角频率（angular frequency ），z 是沿电磁波传播方向的坐标，E x0是电场强度（electric field intensity ）在传播过程开始点（z = 0）的振幅，脚标x 代表电场强度沿x 轴方向振动，它与电磁波的传播方向z垂直。
