遥感应用模型课件：11植被冠层反射模型.ppt

1、 遥感获得的植被参数和所处的环境参量，如半球反射率、叶面积指数、冠层光合有效辐射比率、表面粗糙度和物候等，是地表过程模型的关键输入参数，对于驱动生物化学模型和与生物圈功能有关的其它模型也同样重要。 估算这些参数的方法在数学和物理学上已经相当成熟。简单的主要有经验方法，也有复杂的基于对植被冠层辐射特征的物理学方法。 冠层结构 一维辐射传输公式 边界条件 热点效应 非均质冠层公式冠层辐射特征很大程度上依赖于冠层结构。不同建模技术反映不同尺度下的冠层结构。辐射传输模型中，植被冠层可假设为一维混合介质（如大气和水），冠层单元是随机分布的，对于一维情况，冠层水平无限均匀，垂直方向有限变化。许多冠层的叶面

2、积体密度分布趋向于离冠层顶部越近越高。 水平型函数对应于叶片主要呈水平分布的冠层；竖直型函数对应于叶片主要呈垂直分布的冠层；倾斜型函数对应于叶片分布在大约45度角范围内的冠层。 除LAI和LAD之外，在冠层辐射传输建模中还需要考虑的另外一个特征是叶片的大小。一维辐射传输公式 经典的辐射传输方程是针对“点”颗粒的离散介质，颗粒的尺寸远小于它们之间的距离，冠层却因为叶片尺寸很大而不同。经典的辐射传输方程必须经过修改以适应冠层单元的尺寸。 早期模型：Suits（1972）模型假设树冠只是由垂直和水平的树叶组成,并将冠层结构、太阳与观测几何参数化；Verhoef（1984）扩展到适用于任意叶倾角的SA

3、IL冠层模型，后来1996年考虑土壤背景的各向异性，修正了SAIL模型。一维辐射传输公式镜面反射、朗伯反射和朗伯透射冠层中光子与叶片的相互作用有三种方式：镜面反射、朗伯反射和朗伯透射。每种情况发生的概率由冠层的结构和它的光学属性决定。边界条件 为求解冠层辐射传输方程，需要确定上边界（大气底层）和下边界条件； 大气上边界条件只有直接的太阳辐射入射，而冠层的上边界条件需要由太阳直射辐射和大气底层下行天空散射辐射的分布同时定义； 将大气和冠层结合起来，同时解大气辐射传输方程和冠层辐射传输方程，幸运的是虽然冠层上行辐射对天空下行辐射很敏感，冠层的反射却不敏感，对天空辐射分布的合理近似估计就可以满足冠层

4、反射的计算。热点效应 许多地类的方向反射模型的重要特性之一就是热点，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。热点效应 经典的辐射传输理论不能解释此现象，因为它假设所有散射在空间上随机分布，且与散射介质的相关性极小，所以方程中没有考虑阴影。实际冠层在多个尺度上显示出异质性，叶子组分的尺寸有限。当观测方向与入射方向一致时，这些组分投射的阴影被隐藏了，导致较高的反射率值。因此，经典辐射传输方程必须根据冠层热点模型进行修正。热点效应 根据冠层中自由散射区（空洞）调整向外辐射的传输，提出了物理上严格的热点定义，对由叶子和有限深度的空洞（孔隙）组成的冠层，将孔隙定义为两种圆柱：一个沿着入射方

5、向，而另一个沿着观测方向。两个圆柱共底，也就是树叶上的圆形太阳光斑。用两个圆柱重叠部分除以观测方向的体积来定量热点效应。与前面的热点模型的情况不同，孔隙的尺寸没有被用来描述叶子上的太阳光斑，它取决于叶子的大小和形状。然而在该模型应用中面临的一个实际挑战就是如何恰当地确定“空洞”的平均尺度。 上面提出的模型的热点核基本上是水平圆形叶子的假设下导出。叶间的孔隙类型也有此假设。实际的冠层中，散射体（叶子）通常不是圆形，倾角也非水平。模拟表明即使是等面积而形状不同的叶子，冠层热点形状也不同。热点效应 为了考虑叶子形状的影响，除了叶子平均尺度（直径）外，必须引入树叶几何特征的第二个参数（平均宽度）。19

6、94年提出的一个两参数（长和宽）热点模型（矩形模型），证明比盘子模型或指数模型更灵活些，并能应用于许多种叶子，结果表明，当平均叶倾角为25度左右热点效应最显著。 有限尺度散射公式把冠层抽象成由随机分布的叶簇和孔隙组成的二元介质。热点公式用来确定光子路径上的孔隙分布，因考虑了冠层中的消光截面与微分散射截面而间接地考虑了热点效应。从理论角度讲，如果将来与更精确的热点结合，这个方法可以处理任意次散射的热点效应，并且可以完全解决辐射传输中的热点效应问题。 测量表明热点效应可以准确推断冠层结构，并且可以反演出叶子大小和形状、树冠大小，以及低叶面积指数的冠层高度等冠层结构参数。非均质冠层公式 1991年冠

7、层被分成矩形单元的矩阵，简单地假设辐射传输被限制在有限的方向上；1996年扩展形成离散各向异性辐射传输（DART）模型。模型场景由平行管状单元组成，每个单元可能包含景观的不同组分（如叶子、树干、草、水、土壤）。它们由各自的散射相位函数和单元内元素的结构特征决定。用确定的核和离散坐标方法模拟辐射传输。非均质冠层公式非均质冠层公式 1986年提出了行播作物冠层（二维非均质冠层）的混合模型，假设植被冠层由成行的子树冠组成。每个子树冠都有椭圆形的截面，并且可以用SAIL模型描述的混合介质来处理。这个模型可以反演，其反演的参数与实测物很吻合。 1997年提出了一个半离散辐射传输模型，考虑了叶子的数量、大

8、小和倾角，以及整个冠层的高度。将植物冠层的离散特征引入公式来计算一次散射，而多次散射由混合介质的一般辐射传输公式近似。 2000年随机理论，将叶子冠层看做有局部非均质的水平均匀、各向异性的混合介质，并用了一个随机平均化方法，这些方法不仅可以得到平均辐射，还有协方差、峰度和更多其他可以用来估算冠层结构和其他特性的信息。 缺陷：冠层的叶子被看做没有尺度的颗粒。虽然已经提出了热点效应的一些经验关系函数，但是考虑叶子尺度的冠层辐射传输方程理论还没有得到完善。非均质冠层公式 冠层模型需要由叶片的微观结构和物质属性决定散射单元光学性质，从冠层反射率观测值反演叶片的生物化学属性也需要叶片的光学模型。 “平板

9、”模型 针叶模型 光线追踪模型 随机模型 混合介质模型“平板”模型 PROSPECT模型模拟叶片从可见光到中红外波段的反射率和透射率，认为它们是叶片结构参数和生物化学参数的函数。它基于1969年的所谓平板模型，把叶片看做一个表面粗糙的均匀平板。 把非致密型叶片当作由N层平板夹、N-1层空气组成。 原始的PROSPECT模型只要三个参数：结构参数、叶绿素和水含量，就可以计算任何新鲜叶片在全部日照区域的反射率和透射率。PROSPECT模型针叶模型 LIBERTY模型（叶片综合生物化学表征反射率和透射率），假设叶片的细胞结构可以看做球形细胞，LIBERTY根据单位面积中的成分含量，将叶片的单个主要化

10、学要素（叶绿素、水、纤维素、木质素、蛋白质）的吸收系数线性求和。用综合结构参数（细胞平均直径、叶厚度和细胞间的空隙大小）来修正交叠的和单个针叶的反射率和透射率光谱。光线追踪模型 要求具体描述单个细胞以及它们内部组织的统一构成，也必须定义叶片物质（细胞壁、细胞质、色素、空气穴等）的光学常数。利用反射、折射和吸收定律，它就可以模拟入射到叶片表面的单个光子的传播。只要模拟足够数量的光线，则可能从统计上正确估计叶片的辐射传输。该技术在应用中有多种变形。 在多种方法中，只有光线追踪技术可以从微观考虑叶片内部复杂的光学结构，但该方法需要大量计算，因此这个方法适合用来验证简单模型或理解叶片水平上的光子传播过

11、程。随机模型 随机模型基于马尔科夫链理论，像“栅栏组织的吸收”或“海绵组织的散射”，随机变量光子状态只能取离散值。用一个状态向量的元素描述这些状态发生的概率。混合介质模型 将叶片看做一片有散射和吸收特性的厚板物质。N-流方程简化了辐射传输理论，方程的解可得到散射率、反射率和透射率的简单解析形式。 二流模型和四流模型以前向模式成功地计算出叶片的光学参数。将叶片分成四个平行层：上表皮、栅栏组织、海绵组织和下表皮，更加完善了该模型。 1990年将叶片描述成一片表面不规则、含水的厚板，内部包含随机分布的球形颗粒。 1999年，把叶片看做能散射和吸收光线的一个生物化学物质均匀的混合物。 所有这些模型都能

12、如实地模拟重现叶片的光学特性。混合介质模型 近似解：更快更容易求解，但精度不高。 数值解：很精确但是迭代求解过程计算量很大，例如：高斯赛德尔算法。近似解近似解可以通过用一组微分方程组近似冠层辐射传输方程，然后求解向上和向下的辐射通量得到，比如KM理论；或是把冠层辐射场分解为非散射、一次散射和多次散射三个部分，然后通过非迭代计算的方式估计多次散射。基于KM理论的缺陷：不适合于方向反射（依赖于天顶角和方位角）的计算。对于植被冠层通常必须经验或半经验地确定。因此，目前这类简化方法主要用于多次散射的近似。冠层辐射场的分解：为了在精度和效率之间寻求平衡，采取的策略是为0次和1次散射部分寻求一个精确解，对

13、多次散射贡献进行近似。 假定冠层由一系列以指定方式置于地表的规则几何形状（如：圆柱体、球体、圆锥体、椭球体）构成。对于稀疏植被冠层，反射率/辐射亮度为不同光照/阴影组成部分的面积加权和。不同组分部分根据几何光学理论计算得到。 一棵树被视为一个木棒上支撑着一个椭球体，树的个数因每个像元而不同，服从泊松分布。每个像元的反射为四个分量的面积加权和。四个分量：光照冠层、光照背景、阴影冠层、阴影背景。 辐射传输模型和几何光学模型都是把冠层视为一个整体，用定义具有平均属性特征的体积元素来表征。精确计算一个复杂冠层结构上的辐射分布需要计算机模拟模型。给定一个描述冠层中植物整体的结构模型（该模型由基本几何体构

14、成，如三角面、参数曲线等）和给定的视角及入射条件下不同面之间的辐射传输解法，就可以对主要植被的一组给定的辐射特征进行模拟。两个典型的方法如下： 蒙特卡罗光线追踪模型 辐射度模型蒙特卡罗光线追踪模型 建立在光子在植被冠层中路径采样的基础上。当场景复杂度上升时，此方法需要处理时间并不会明显增加，因此光线追踪方法更容易得到辐射传输的通解。 冠层反射率的本质是冠层BRDF被视为是一组采样光子从一个方向入射到冠层后，从另一个以给定方向为中心的某单位立体角内出射的平均概率。 按照上面的原理，算法的目标是通过对光子打入场景内部整个过程的模拟计算概率。主要的计算问题变成检测一组光线与已定义场景的几何结构的交点

15、。 光子在点上反射、透射和吸收的概率之和等于1。(BRDF) 一个函数定义一个表面的光谱和空间反射属性。 前向和后向光线追踪 各种MCRT算法间的一个重要区别是它们涉及前向跟踪还是后向跟踪。前者，采样光子的轨迹追踪过程为从光源到传感器；后者为从传感器到光源。冠层场景生成 通过三维扫描的方法，立体测量学，手动测量等的算法生长模型，或者由植物生长规律驱动的模型来实现。 1999年，该模型将冠层要素的生长作为温度与碳利用率的函数，然后耦合到冠层光照与温度的三维空间变量中去。森林光线追踪算法 森林的宏观结构由一组被放在水平板上的三维几何体表示。这些几何体定义了树冠的形状、大小和重叠等。树冠的坐标可以直

16、接指定，或者由生长模型或者统计分布估计得出。在每个树冠内部，树叶由结构参数如叶面积密度、角度分布、大小和叶片光学特征（反射率和透射率）近似描述。 该方法的优点是一条单一的光子路径可以用于模拟任意波段的反射。植物学植物建模系统模型 冠层场景生成、天空辐射生成、ARARAT（高级辐射光线追踪器）的射线跟踪器。为产生冠层场，需要用到L系统。BPMS中的拓扑串可以生成叶片冠层的测量关键参数，如叶片数、冠层高度、叶长度和冠层变量特征。L系统用来克隆植物。 冠层生成以后，光线追踪器可以用来根据给定的照射条件（太阳直射光和天空漫射）模拟冠层辐射场。 可以用来理解冠层辐射场的特征；验证其他简单模型，及训练从遥

17、感图像中提取生物物理参数的反演模型。SPRINT模型 为解决普通MCRT跟踪法对千米尺度场景的内存消耗与计算时间需求的问题。 SPRINT（模拟辐射拦截的光子传播）模型 主要不同在于随机选取的步骤里，光子会从每个碰撞点像连续的波一样向外传播。会改变在各个观测方向的BRDF的计算值。因此可以比传统蒙特卡洛射线追踪快1000倍。辐射度模型及应用优点：一旦辐射传输能够解决，在任意视角的冠层反射率都能模拟。保留了每片叶子作为反射和透射表面的离散特性。局限：构建可视因子矩阵和求解辐射传输的初始计算负荷。辐射度模型及应用辐射度模型及应用 辐射度模型作为一种计算机模拟模型具有很多优点，它对理解植被-辐射相互

18、作用过程和研究植被冠层辐射机理具有重要的理论价值。传统的辐射度模型假设冠层内叶片为朗伯体。但随着对叶片特性的深入研究发现，叶片的反射特性不能单纯的看成是理想漫反射过程。 为了消除传统辐射度模型的朗伯假设，完善辐射度模型，利用Phong光照模型模拟叶片表面非朗伯（镜面反射）部分的分布特性，在基于真实结构冠层场景的辐射度模型（RGM）的基础上，增加了叶片镜面反射分量的计算。 以玉米冠层为例，比较并分析叶片的镜面反射分量对冠层辐射分布的影响。 近几年新辐射传输模型发展较慢，但涉及领域较广。 经典几何光学模型从本质上描述了太阳辐射和地表的相互作用。几何光学模型近来用于确定森林类型和估算生物物理参数。 计算机模拟模型发展没有太大进展。小结 辐射传输模型适用于稠密植被冠层。 几何光学模型还是更适合稀疏的规则形状的冠层。 上述两种模型已经有人研究综合成为混合冠层模型。 计算机模拟模型主要用于理解辐射变化特征和验证一些简单模型。