（自然地理学专业论文）基于lai的航天遥感图像仿真与系统集成.pdf

福建师范大学硕士学位论文 i _ - - - _ - l _ - - - i l _ _ _ _ - l - - _ _ - - i - _ _ - - - - - - l _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a li m a g i n gs i m u l a t i o ni si n t r o d u c e d ，a n ds p a c er e m o t e s e n s i n gi m a g es i m u l a t i o np r o c e s sb a s e do nt h el e a fa r e ai n d e xa n do t h e rs u r f a c e p a r a m e t e r s i ss t u d i e di n t h ep a p e r , w h i c ha n g l i c i z i n gt h es u r f a c e r e f l e c t i v i t y , a t m o s p h e r i cr a d i a t i o nt r a n s f e ra n do p t i c a ls e n s o rt h e o r y i nt h i sp a p e rt h em o d e la n d m e t h o df o rl a ii sr e s e a r c h e da n dt h eg e n e r a t i n gi d e a sa b o u te a r t h ss u r f a c ea l b e d o b a s e di np r i o r ik n o w l e d g ei se s t a b l i s h e d t h er a d i a t i v et r a n s f e rm o d e lb a s e do nt h ei n p u t p a r a m e t e r so fm o d t r a n 4a l ei nd e e pa n a l y s i s d e t e r m i n i n gt h ep a r a m e t e r so ft h e i n t e r p o l a t i o nm e t h o da n dp o i n t s ，t h ea t m o s p h e r i cl o o k - u p - t a b l e a r ec o n s t r u c t e d 、i t l lt h e s p l i n ea n dl i n e a ri n t e r p o l a t i o n i nt h i sp a p e r , s e n s o rs p a t i a l r e s p o n s e ，s p e c t r a lr e s p o n s ea n dt h ep r o c e s so f s a m p l i n ga n dq u a n t i z a t i o na r ea l s oi n t r o d u c e d m a t l a bi su s e dt ow r i t et h ep r o c e d u r eo f p r o c e s s ，i n t e g r a t i n gt h es p a c er e m o t es e n s i n gi m a g es i m u l a t i o ns y s t e m l 似d a t ai si n p u t i nt h i ss y s t e m ，s i m u l a t i n gf o r t h ed i f f e r e n ta t m o s p h e r i cc o n d i t i o n sa n ds e n s o r ，a n df i n a l l y g o tt h ei m a g e o fa n ys e n s o r s k e y w o r d s ：l 越；p r o s a i l ；s p a c er e m o t es e n s i n gi m a g e ；s i m u l a t i o n ；l u t m 福建师范大学硕士学位论文 _ _ _ - l i _ - - l l - i _ _ - - l - i _ - i _ i _ l - l _ i i i _ _ - - _ l 一 中文文摘 中文文摘 在航天科技飞速发展的今天，能在传感器的设计阶段就可以预估最终的图像质 量，进而通过所得到的图像来优化传感器系统参数和数据获取方案，已成为航天界 关心的一大热点，也是一个亟待解决的突出问题。本文以l a i 等地表物理参数作为 航天遥感仿真的地表输入参数，结合大气辐射传输模拟，获得卫星入瞳处的地表反 射率信息，进而经过光学传感器模拟，最终得到航天遥感模拟图像。 叶面积指数作为全球气候变化和生物地球化学循环研究中的关键参数，是重要 地表特征参量，对叶面积指数的研究也是遥感领域一直以来关注的热点，发展了各 种比较成熟的统计和物理模型，已成为研究遥感应用问题中不可或缺的重要输 入参量。文章中选取p r o s a i l 模型作为l a i 反演的主要算法模型，经验公式为备 用算法，以平常实验积累以及我国典型地物标准波谱数据库信息为先验知识数据， 用贝叶斯反演法以迭代方式来反演l a i 信息。通过反演的l a i 值与相关配套数据， 利用查找表法获得地表反照率信息。 通过对辐射传输模型m o d t r a n 4 的重要参数进行分析，得到各参数对辐射亮 度的影响，确定了太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角、气象视距四个参数运用 样条插值方式进行插值及插值点数值和个数，并将这四个参数放置于同一个单表中。 确定地表反照率作为线性插值元素，每一组大气类型由3 张地表反照率单表构成( 反 照率分别为0 、o 5 和1 ) 。建立了样条插值和线性插值方式相结合的大气辐射传输查 找表。 对光学传感器的模拟则分别讨论了空间响应、光谱响应、m t f 变换、噪声加入 及采样和量化，研究了点扩散函数的光学点扩散函数、探测器点扩散函数、图像运 动点扩散函数和电子点扩散函数等四个方面。通过m 1 1 f 变换，将对图像的空间域 操作变换为对图像的频率域进行的操作，提高了运算速度。 利用m a t l a b 实现对各个过程的程序编码工作，集成了航天遥感图像仿真系统， 该系统能对地物波谱曲线和光谱响应函数进行模拟，生成像t o a 光谱反射率及地 表反照率图，最终实现了以l a i 图像为输入，对不同的大气状况及传感器状况进行 模拟，得到任意传感器的模拟图像。并能实现对不同传感器的性能进行评估。 v 一一 望垄堕篷奎兰堡主堂垡笙奎 一一 一_ i l _ - _ l l i l - _ - _ l - _ - _ i - _ - _ _ l _ 一 v i 目录 目录 中文摘要i a b s t r a c t i l l 中文文摘v 目录v i i 第一章绪论。1 1 弓言1 2 国内外光学成像仿真技术发展概况1 3 本文研究方案和内容4 3 1 研究基本方案4 3 2 论文主要内容安排5 第二章基于l a i 的地面反射率生成7 第一节l m 遥感反演方法概述8 1 统计模型法8 2 物理模型法9 第二节辐射传输模型研究1 1 1s u i t 模型 2s a i l 模型1 4 3p r o s a i l 模型1 5 第三节目标函数优化研究1 7 第四节地表光谱反射率生成1 9 第三章大气辐射传输模拟2 3 第一节大气辐射传输特性2 3 - 1 辐射传输相关物理量2 3 2 大气的吸收作用。- 2 4 - 3 大气的散射作用一2 8 - 4 辐射传输方程- 3 3 - 第二节辐射传输模型3 4 - v n 福建师范大学硕士学位论文 第三节大气查找表的构建。- 3 7 1 参数输入3 7 - 2 参数分析- 3 8 3 查找表的构建及查询5 1 - 第四章光学传感器模拟5 3 第一节空间响应模拟5 3 1 光学点扩散函数5 4 2 探测器点扩散函数5 6 3 图像运动点扩散函数5 6 4 电子点扩散函数5 7 5 净点扩散函数5 7 第二节光谱响应模拟5 8 第三节m t f 变换- 5 9 第四节噪声模拟。5 9 第五节采样和量化- 6 0 第五章仿真系统集成与功能实现- 6 3 - 第六章结论。- 6 9 附录1 辐亮度校正系数- 7 l - 参考文献一7 5 - 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果- 8 1 一 致谢。- 8 3 - 个人简历 v 1 1 i 第一章绪论 第一章绪论 l 引言 根据民用航天专项科研“十一五”规划，我国在继续完成原有遥感科研卫星科研 项目基础上，根据业务部门对遥感业务发展的科研需求，开展综合对地观测系统的 研制，发射了包括风云三号( f y - 3 ) 、环境减灾小卫星星座、中巴地球资源卫星0 2 b 星等众多卫星，分别在农业、林业、水利、国土、地矿、测绘、灾害和环境监测、 气象预报等行业，特别是在北京奥运，汶川地震等重大事件中发挥了重要作用。风 云四号卫星、海洋动力卫星、中巴地球资源卫星0 3 0 4 星及新一代资源卫星也在研 制当中。此外，我国还积极寻求国际合作，包括构建完成环境与灾害监测预报( 4 + 4 ) 星座等在内等诸多目标。面对我国日益壮大的航天事业，以及雄心勃勃的遥感计划， 尤其当我国航天遥感界已经对“以应用为导向”形成共识的时候，如何在传感器的设 计阶段就能够预估最终的图像质量，并利用模拟的遥感图像来论证新型传感器的技 术可行性，进而优化传感器系统参数和数据获取方案，已成为一个亟待解决的突出 问题，航天遥感图像仿真技术正是在情况下应运而生的。 航天遥感图像仿真模拟是基于计算机技术与遥感物理机理的航天遥感图像生成 过程的模拟技术，在优化遥感器系统参数和数据获取方案，论证基于新型遥感器的 对地观测技术可行性，模拟目标特性及遥感技术应用能力的平台等众多方面都有非 常重要的作用与意义。然而我国在这一方面的研究才刚刚起步。 2 国内外光学成像仿真技术发展概况 从2 0 世纪5 0 年代航天事业发展初期开始，仿真技术就以其高可靠性、无破坏 性、可多次重复、不受时空限制、安全和经济性而在航天工程得到广泛应用，是航 天工程中降低生产成本及风险的有效途径之一。 当时计算机技术才刚刚起步，模拟仿真技术主要是物理仿真。人们在实验室利 用人造太阳提供各种辐照度和不同谱段的照明，并布置各种不同的靶标和军用目标 模型，其试验平台可模拟卫星在轨飞行时的环境条件以及目标的运动。其中最为著 名的是2 0 世纪6 0 年代美国i t e k 光学研究中心建立了小型成像仿真系统i s f ( 王精 业等，2 0 0 6 ) 。其通过模拟太阳辐射，以缩比地物模型作为仿真目标，使用真实的光 福建师范大学硕士学位论文 学系统和传感器获取模拟场景的图像。配合大气辐射传输模型建立了一整套混成式 多光谱仿真系统( m s i s ) ，可以模拟不同的地物场景、观测条件和遥感系统，生成从 0 4 m - - 2 5 m 波段范围的多光谱图像，能反映地物场景反射、大气辐射与消光、系统 观测条件及传感器性能等多方面特性。 同一时期，美国为了建立复杂的地物模型，开始发射地球环境探测卫星，从2 0 世纪6 0 至9 0 年代，发射了多颗此类卫星，获得了大量的地表、大气和地球环境数 据。这些数据有利于建立地物模型，从而为遥感成像模拟仿真提供了坚实的基础。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术的迅速发展，遥感成像模拟仿真技术也 有了新的进展。2 0 世纪9 0 年中期，美国亚利桑那州大学和b r e a u l t 研究机构进行了 光学系统性能的可视化技术研究。在n a s a 的支持下，l a m b d a 研究公司和d e b l 同盟开展了光电仿真系统的软件开发。1 9 9 5 年由n a s a 资助的l a r c 中心公布了 p a t c o d 集成设计软件平台，目标是航天器的虚拟制造( a m u n d s e nrme t a 1 1 9 9 5 ) 。2 0 世纪9 0 年代后期，随着遥感技术的发展，逐渐出现了模拟遥感系统的 方法和软件。1 9 9 8 年，b a n o n 等以高分辨率s p o t 影像为基础模拟了c b e r s 波段4 图像。1 9 9 9 年d r i g g e r s 等人发表文章介绍了柯达公司针对胶片型遥感像机的仿真软 件p h y s i g u e ，该软件主要使用信息量来评价一个胶片类型的照相系统。2 0 0 1 年b o m e r 等人发表了关于超光谱遥感成像系统模拟方面的研究论文，文中介绍了该仿真软件 s e n s o r 的情况，欧空局e s a 的项目a p e x 已经开始应用该软件。2 0 0 2 年，v e r h o e f 和j a il 1 分别对s p e c t r a 项目的高光谱图像和多角度热红外图像进行了仿真模拟， 其突出特点是不依赖高分辨率图像，而从植被生理生化参数和气象条件入手，以冠 层辐射传输模型为基础，模拟出遥感图像。同年，美国国家宇航局( n a s a ) 的s t e r m i s 空间中心( s s c ) 开发了进行传感器仿真的算法和软件产品一触玎软件，它是一组 用来支持遥感数据需求的综合研究的数据模拟算法和数学模型的遥感系统模拟工具 箱，通过对现有的高光谱和高空间分辨率数据的特性进行提前定义，生成模拟的多 光谱图像( g a s s e rg ，2 0 0 1 ) 。另外n a s a 还提出了基于m o n t ec a r l o 的三维辐射传 输方程的高光谱遥感模拟系统。美国纽约数字成像和遥感实验室的s c o t td b r o w n 等开发了d i r s i g ( t h ed i g i t a li m a g i n ga n dr e m o t es e n s i n gi m a g eg e n e r a t i o nm o d e l ) 遥感成像模拟系统模型，采用影像合成技术模拟可见光一热红外波段的多光谱或高 光谱图像，比较完整的考虑了地表、大气( m o d t r a n 和f a s c o d e ) 与传感器作 用等三部分，但地表场景模拟采用的方法物理意义不明确。2 0 0 3 年，g a b o g g i o n e 绪论 等组合了t m 的多波段模拟全色波段。最近，法国图卢兹一个实验室介绍了辐射传 输模型d a r t ，该模型是基于m o d t r a n 的发展起来的，其利用高几何分辨率的机 载数据，对地表三维结构与大气效应进行了综合考虑和处理。此外，美国陆军夜视 电子传感器管理局研制了f l i r 9 2 软件，用于光电系统性能分析。以色列的光电工 业有限公司遥感系统开发部开发了e o a p a s 软件，用于可见光光电侦查成像系统性 能预估与评价的。m u l t i g e n p a r a d i g m 公司推出的商业产品v e g a 系列仿真模块，使 用少量参数的简化传感器模型满足了实时动态显示的目的。 在硬件制造方面具有强大优势的美国等发达国家，在发射星载传感器之前，通 常会制造具备与星载传感器相同功能的机载模拟器，用于模拟以及评价该星载传感 器的性能及应用潜力，如a i r m i s r 等。基本上是对同类传感器进行不同高度层的 数据获取能力模拟。借助这些研究手段，国外研制人员在光学遥感器的设计阶段， 就能预估最终的星载传感器所获取图像的质量。 鉴于其涉及敏感性领域，各发达国家对我国都实行了技术封锁，为了快速的发 展我国的航空航天事业，研发自主知识产权的遥感成像模拟系统已经刻不容缓。相 比于美、法等航天技术发达国家，由于我国在传感器等硬件的制造能力和信噪比等 指标方面与之有尚有差距。因此很难如国外一样通过制造模拟器来模拟，只能对遥 感的成像机理进行模拟。“七五”期间，我国航空工业总公司0 1 4 中心通过国家8 号 引进工程建立了空对空导弹红外点源制导的模拟仿真系统。同一时期，航天工业 8 3 5 8 研究所从美国引进了g o u l d 3 2 1 7 8 0 及i p 8 5 0 0 图像仿真处理系统，该系统具 有数字模拟光电制导全过程的功能。航天科工集团二院也获准建立了国家仿真中心， 开发了红夕l - $ u 导的半实物仿真系统。北京理工大学结合“七五期间参加7 5 5 1 工程中 的静态特性建模和仿真工作，开展了相应的光电成像模拟仿真的论证工作及计算机 建模工作。“九五”期间在兵器工业总公司的支持下，北京理工大学完成了光电系统 仿真技术课题的初步研究工作。“九五”期间，长春光机所与二炮合作完成了常规 导弹打击效果评估成像仿真研究的课题，长春光机所编制了遥感图像模拟软件 r s i s l 0 。中国空间技术研究院5 0 8 所也在进行遥感器成像仿真与评价方面的研究工 作，获得了一系列的科研成果。遥感信息与图像分析技术国防科技重点实验室，已 获取了大量的机载数据，并且根据所获得的机载数据进行过s p o t 等商用星载数据 的模拟试验。 中国测绘科学研究院叶泽田、顾行发等人在利用高光谱j 迢光谱数据进行遥感图 福建师范大学硕士学位论文 像模拟以及将遥感模拟图像应用于不同传感器光谱性能分析方面做了大量的研究， 对传感器的光谱模拟、m t f 模拟和大气影响模拟进行了探讨，并且利用模拟的图像 对传感器相应波段的光谱响应、大气响应特性进行了定量的比较分析。 3 本文研究方案和内容 3 1 研究基本方案 本课题来自中国科学院知识创新工程重要方向项目航天遥感图像仿真模拟 关键技术研究，本文通过设计合理物理模型与方法，由真实的卫星遥感数据反演推 出的地面物理参数作为研究问题的出发点，对叶面积指数进行反演研究，进而通过 设计合理的模型方法得到可见光近红外波段的地面反射率光谱。在生成的地面反射 率光谱的基础上，结合载荷指标和大气状况等参数的影响，研究图像模拟的关键技 术，在技术上实现对任意传感器图像的模拟，其流程图如下： 图l 基于航天遥感数据的图像模拟流程图 f i g 1f l o wc h a r to fs i m u l a t i o nb a s e do ns p a c er e m o t es e n s i n gi m a g e 绪论 3 2 论文主要内容安排 论文主要分为六章，具体内容安排如下： 第一章，主要对国内外光学成像仿真技术发展现状的阐述。 第二章，主要讨论了基于叶面积指数的地表反射率生成方法。 第三章，主要对阐述了辐射在大气中的传输及大气查找表的构建。 第四章，主要讨论了光学传感器的模拟方法。 第五章，主要对仿真系统进行设计。 第六章，主要对文章进行总结和展望。 福建师范大学硕士学位论文 _l _ _ _ - 6 - 第二章基于l a i 的地面反射率生成 第二章基于l a i 的地面反射率生成 在全球气候变化和生物地球化学循环的研究中，植被处于非常重要的地位。各 植被参数是大多数生态系统模型、生产力模型、全球气候等模型中的重要地表特征 参量，在碳循环、能量守恒、环境影响评估等研究方面发挥着重要作用。叶面积指 数( l e a f a r e ai n d e x ，l a i ) 就是植被参数中极其重要的一员。 关于叶面积指数的定义有很多种，但适用性都存在一定的问题，为了较好地解 决了针叶、棱柱状叶、桶状叶及其它形状叶片叶面积指数的定义问题，c h e n 等提 出了不考虑叶片的形状问题，将叶面积指数定义为单位地面积上总叶面积的半， 目前这一定义被广泛地认可和应用( c h e njm ，1 9 9 2 ) ，在本研究中l a i 也采用这 一定义。 l a i 可为植物冠层表面最初能量交换描述提供结构化定量信息，对群落的光分 布、光能利用和产量有显著影响，决定着地表面植被的生产力。进而影响着地表和 大气之间的相互作用，因此l a i 是生态系统研究中最重要的结构参数之一。 自1 9 4 7 年w a m o n 首次提出l a i 概念以来，经过半个多世纪的发展，l a i 广泛 应用于生物地理化学模型( l a n d s b e r gj j e t a l ，1 9 9 1 ) 、水循环模型( 张佳华等，2 0 0 2 ) 、 净初级生产力模型( 张佳华，2 0 0 1 ) 、生态系统功能模型( r u n n i n gs w ，1 9 8 8 ) 、作 物生长模型等( 刘晓冰等，2 0 0 1 ) ，在农业、林业、生物学、生态学、水文学等领域 得到广泛应用。 近几十年来，国内外学者对植被l a i 估算做了大量研究，对不同尺度的空间范 围，所采用的估算方法也不尽一致，小尺度的植被叶面指数估算方法一般是传统的 地面测量估算法，大致包括破坏性采样法、落叶收集法、异速生长方程法、光学仪 器法和倾斜点嵌块法等5 种方法( g r e g o r yp e ta 1 ，2 0 0 3 ) 。传统的l a i 地面测量获 得信息有限，而且不能呈面状分布，为满足大尺度模式的需求，对l a i 的观测必须 要有一个长时间序列，并且要能代表所选区域的典型地表特征，因此区域尺度乃至 全球尺度的l a i 估算仅靠地面观测是很难行得通的。随着遥感学科的飞速发展，遥 感应用技术为大区域尺度l m 的快速准确估算提供了可能，也是目前最有效手段。 福建师范大学硕士学位论文 第一节l a i 遥感反演方法概述 叶面积指数的遥感反演方法可以归纳为两大类：统计模型法和物理模型法。 1 统计模型法 统计模型法通常是以植被指数为自变量，利用植被冠层光谱反射特征，通过经 验公式算出叶面积指数。 绿色植物进行光合作用时，叶绿素在红波段具有强烈的吸收作用，使得红光波 段具有较低的反射率。而在近红外波段，植被的细胞结构特别是木质素成份吸收作 用很弱，使得红外波段具有较高的反射率。植物在红光( r ) 和近红外( n 瓜) 波段 的这种反射差异便是遥感定量统计分析叶面积指数的理论基础。将两个光谱波段数 据进行相应的运算，便可得到能够反映植被信息的各种物理量，即各类植被指数。 在众多的两波段植被指数中，常应用于l a i 反演计算的是绝对比值植被指数 s r 、归一化差值植被指数n d vi 和垂直植被指数p v i ，如下公式所示： s r = 岛p , ( 1 一1 ) n d v i = ( ，气一所) ( ，气+ p ，) ( 1 - 2 ) 尸玎= 如一a p , 一6 ) ( 口2 + l 了门 ( 1 3 ) 式中，见和岛分别是近红外波段和红外波段反射率，a 、b 为系数。 s r 对植被变化敏感性强，且与生物物理参数的线性关系显著( c h e njm ，1 9 9 6 ： c h e njm & c i h l a rj ，1 9 9 6 ) ，被广泛应用于l a i 的反演。n d v l 具有固定不变的区间 ( 1 1 ) ，避免了当所一0 时s r 的值会无限增大的情况，也得到广泛的应用。张 晓阳等( 1 9 9 5 ) 推导出利用p vi 估算l ai 的理论模式，并应用水稻观测数据加以 验证，证实p vi 估算l a i 既有较强的理论基础，又可以消除土壤背景的影响。 此外，多光谱植被指数还发展了3 波段指数，常见的有大气阻抗植被指数 ( a v 砒) 、修正植被指数( m n d v i ) 和减少的绝对比值植被指数( r s r ) ，如下公 式所示( 张万昌等，2 0 0 3 ) ： a v r i = 瓴一 ) h + 几) 0 4 ) 气溶胶类型有关的参数。 计算a v r i 时引入蓝光波段，减少了由于大气气溶胶引起的大气散射对红波段 的影响，使得a v r i 对大气的敏感性比n d v i 小得多，对于未进行任何大气校正的 图像处理较为有效。m n d v i 和r s r 计算时则引入短红外波段，增加了对植被下垫 面的土壤和其它背景的敏感性，从而抑制背景的影响。 随着高光谱技术的发展及广泛应用于植被遥感，高光谱波段窄且连续的波谱特 性使得叶面积指数的研究有了进一步的突破，利用高光谱数据可以构建许多对l a i 更为敏感的植被指数，或者将常规的植被指数变为连续的形式( 浦瑞良等，2 0 0 0 ) 。 以各类植被指数作为自变量x ，以l a i 作为因变量建立估算模型，即 l a i = f ( 力。常见的形式有( q i je t a l ，2 0 0 0 ) ： 工4 ，= a x 3 + b x 2 + 饿+ d ( 1 7 ) l a i = a x 扫+ c( 1 8 ) 1 叫一南( 1 - ” 以上各式中a 、b 、c 、d 均为经验系数。 统计模型法属于经验性的，虽然形式灵活，但易受对不同的数据源需要重新拟 合，参数模型需要不断地调整，推广性差。因此许多学者致力于具有普适性的物理 模型研究。 2 物理模型法 目前主要的植被遥感模型可以分为辐射传输模型、几何光学模型、混合模型以 福建师范大学硕士学位论文 及计算机模型。 ( 1 ) 辐射传输模型( r a d i a t i v e - t r a n s f e r ) 辐射传输理论最初是用于研究光辐射在大气中传输的规律，主要适用于水平均 匀植被或浑浊介质。基于平行平面的辐射传输模型由于有描述真实世界的准确性与 计算的简便性两者的优势，迅速应用于植被遥感中。 在辐射传输模型中，植被冠层被假设为一维混合介质，冠层单元是随机分布且 水平无限均匀，垂直方向有限变化。对于某一特定时间的植被冠层而言，一般的辐 射传输模型为( 宫鹏等，1 9 9 6 ) ： s = f 以，见，虬，或，虮，c )( 1 1 0 ) 式中，s 为冠层或叶片的反射率或透射率；名为波长；见和虬分别为太阳天 顶角和方位角；或和分别为观测天顶角和方位角；c 为一组关于植被冠层的物理 特征参数( 圳、叶面指向、植被生长姿态等) 。从数学角度看，要求得l a i ，只需 得到上述函数的反函数，即以s 为自变量得到l a i 等参数，这就是辐射传输模型的 基本原理。 用于反演l 吣的辐射传输模型比较多，最常见的有s u i t s ( s u i t s ，g h ，1 9 7 2 ) ， s 脚l ( v e r h o e fw ，1 9 8 4 ) ，n i l s o n k u u s k ( 1 9 8 9 ) 等模型。 一般比较复杂的传输模型都不能直接用来反演l ，a i ，而是把l ，a i 作为输入值， 采用迭代等优化技术逐步调整模型参数，直到模型输出结果与遥感观测资料达到一 致，最后的迭代结果就是反演结果。上述逐步优化的过程，即反演的过程，主要途 径有迭代法、神经网络法、查找表法等。 ( 2 ) 几何光学模型( g e o m e t r i c o p t i c a l ) 几何光学模型是基于“景合成”的一种模型，其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，圆锥体，椭球体) ，用结构参数( 株密度、树冠 大小、高度等) 来表达植被的几何结构和空间分布，用几何光学理论计算观测视场 内植被的光照部分和阴影部分，观测的结果是两者亮度的面积加权和。 在众多几何模型中，影响力较大的有l i 。s t r a l d e r 模型( l ix & s t r a h l e r a ，1 9 8 5 ， 1 9 8 6 ) ，该模型从像元尺度出发，建立了植被结构参数( 覆盖度，平均树高度，平均 冠幅尺寸等) 与冠层双向反射分布函数的关系且考虑了共同遮蔽效应。在此基础上 第二章基于l a i 的地面反射率生成 发展起来4 尺度模型( c h e njm ，1 9 9 7 ) ，则突出了植冠不同尺度结构( 群落、单冠、 分枝和抽枝) 的影响，引用了一些新的模拟方法来模拟树木的非随机分布及根据视 觉因子采用多级散射方案来计算到达遮蔽树叶和背景的反光量等。 几何光学模型由于抓住了地物散射和大气散射的主要差别，有简单明晰的优点， 适用于处理不连续植被及粗糙地表等辐射传输模型难以适用的地物。 ( 3 ) g o r t 混合模型 g o r t 混合模型即几何光学模型( g o ) 和辐射传输模型( i 玎) 两模型的混合 使用。利用几何光学模型在解释阴影面积和地物表面空间相关性上的基本优势，同 时引入辐射传输模型在解释均匀介质上的多次散射上的优势，分两个层次来建立承 照面与阴影面反射强度的辐射传输模型。在混合模型中，群体仍向几何光学模型那 样被处理成具有一定几何形状和空间分布特征的植株集合，植株的每一组分又类似 于辐射传输模型，被认为是光学性质已知的吸收和散射体，同时还考虑群体的多次 散射作用。 g o r t 混合模型是通用的模型，它既适合于稀疏群体，也适合于密闭群体。将 它用于不同太阳高度时，对森林反照率和b r d f 的计算，可获得较好的结果。 ( 4 ) 计算机模拟模型 辐射传输模型和几何光学模型把冠层看成一个统计整体，用定义具有平均属性 特征的体积元素来表征。而要精确计算一个复杂冠层结构上的辐射分布则需要更加 精确的模型。随着计算机技术的发展，计算机高速的运算能力能够实现对地表进行 三维结构的模拟。其模拟方法主要包括蒙特卡洛模型法和真实景观模型法。 基于计算机的蒙特卡洛模型法通过构建一些概率模型( 如三维冠层内光子的作 用过程) 并在该基础上进行随机模拟和统计实验，进而估算这些模型的近似解的数 值方法。真实景观模型法则是先进行地表真实三维场景模拟，再用蒙特卡洛方法进 行光子追踪，或用计算机图形学方法计算场景植被的反射( 武佳丽，2 0 0 9 ) 。 第二节辐射传输模型研究 辐射传输模型是植被二向性反射模型研究的基础。辐射传输理论最初是从研究 光辐射在大气中传输的规律和粒子在介质中的输出规律时总结出来的规律性知识。 福建师范大学硕士学位论文 辐射传输模型偏重于光的电磁波特性，在模型中，冠层被假设为平面平行的无限延 伸的均匀或者浑浊介质，忽略了元素的非随机尺寸、距离和空间结构。冠层的元素 被认为是随机分布的，类似于浑浊介质中的粒子。 n 通量模型在k - m ( k u b e l k a - m u n k ) 理论的基础上发展起来，是对辐射传输模 型的简化。它把叫片看作是充满散射和吸收物质的厚片，通过对方程的求解可以得 到叶片反射率和透过率的简单解析值。二通量模型( a l l e n r i c h a r d s o n 模型1 9 6 8 ) 和和四通量模型都成功的用于描述叶片辐射传输的前向过程，能够得到冠层高度、 冠层反射率和土壤反射率的关系； p a r k - d e e r i n g 模型( 1 9 8 2 ) 在a l l e n - r i c h a r d s o n 模型上作了改进，允许前向和后 向漫射通量具有不同的吸收和散射系数。 但上述模型扩展到多层冠层则受到很大限制，且没有将冠层反射与植被的结构 特征和光谱特征相联系。 s u i t s 模型首先在上述问题上有所发展，在模型中，既考虑了太阳和观测角度， 也考虑了冠层结构参数，冠层被理想化为水平的和垂直的各向同性叶片的混合体， 且叶片均具有漫散射的反射和透射特性( s u i t s ，gh ，1 9 7 2 ) 。v c r h o c f ( 1 9 8 4 ) 对s u i t s 模型做了扩充，发展成为s a i l ( s c a t t e r i n gb ya r b i t r a r i l yi n c l i n e ml e a v e s ) 模型； y o u k h a n a 在s u i t s 模型中引入了任意的叶倾角分布，称为s u i t sp r i m e 模型。 在s a i l 模型中，假定叶面的倾角为方位随机分布，将冠层反射率作为观测角 度的一个函数，吸收和散射系数与叶倾角相关，利用叶倾角分布函数为权重来计算 任意叶倾角分布的吸收和散射系数。而s u i t s 模型则可以看作是s a i l 模型的一个 特例，即当植被冠层只包含水平和垂直平面的情况。k u u s k ( 1 9 8 5 ) 对s a i l 模型 做了改进，考虑进了热点影响，生成了s a i l h 模型，计算单次散射二向反射率的贡 献时，考虑进了叶片的尺寸以及相应的阴影影响。 1s u i t 模型 s u i t 模型的基本特点是把冠层元素( 叶子、树干、花、穗等) 均投影到水平面 与垂直面上，用它们的投影面积去代替任意取向的叶子对光大散射、吸收与投射作 用，并确定叶子的反射、散射具有漫反射性质( s u i t s ，gh ，1 9 7 2 ) 。 第二章基于l a i 的地面反射率生成 图i - is u i t 模型概念图 f i g 1 ic o n c e p tm a po fs u i tm o d e l s u i t 模型本质上属于k m 方程类型，是个四流( e + ，e 一，e o ，e ) 九参数 微分方程组， 其形式如下： 孕：k e , ，( 1 - 1 1 ) 比 车：ae一一be+-ce,，(1-12)a13 1 3 一= 一， 口z 军：施一一以+ + 啦，( 1 - 1 3 ) a z 箪：征+ + v e 一+ c o f + k e o ( 1 - 1 4 ) a z 其中，e 一和e + 分别代表向下和向上传输的辐射通量密度；k 为直射辐射的削 弱系数；e 为由上而下的直射辐射通量密度；a 为消光系数；b 为背向散射系数； 为同向直射辐射的散射系数：c 为背向直射辐射的散射系数；e o 为观测方向上的辐 射通量密度( e o = 砜) ；f + 代表由植被加土壤系统构成的由下向上传输的镜面反 射辐射；”、1 ，、缈分别代表由e + 、e 一、f + 向观测方向上传输的辐射亮度的转化 系数，z 为任意高度。 植被的冠层反射率r 为 r = e o ( e , + ) ( 1 1 5 ) 福建师范大学硕士学位论文 其中e ，= f 一0 = o ) ，= e 一0 之o ) ，f 一为向下传输的平行辐射的辐照度。 2s a i l 模型 s a i l ( s c a t t e r i n gb ya r b i t r a r i l yi n c l i n e dl e a v e s ) 模型( v e r h o e f w ，1 9 8 4 ) 是在s u i t 模型的基础上发展起来的，是最为经典的辐射传输模型之一。s a i l 模型与s u i t 模型 最大的不同之处在于以接近现实的任意取向的叶子去代替s u i t 模型的水平投影与垂 直投影。因此，讨论s a i l 模型的重点在于如何导出辐射传输方程中各系数与植被几 何参数间的函数关系。 s a i l 模型的求解方程与s u i t 模型完全相同，只是所用的符号有所不同，其方程 组如下： 车：c e , ，( 1 - 1 6 )t d e - = 一s e 。+ a e 一一a 匠+ ， d x 孕：s 巨+ e r e 一一a e + ， 戗 拿：啦+ 洒一+ u e + 一舾o d x ( 1 1 7 ) ( 1 - 1 8 ) ( 1 - 1 9 ) 其中，仃为背向散射系数；s 为同向直射辐射的散射系数；s 为背向直射辐射 的散射系数；x 为任意高度。方程组的九参数都是b 的函数，其公式如下： 口( b ) = l 缸一c o + r ) 2 + 0 ，一f ) 2 c o s 2 幺) ( 1 - 2 0 ) 仃娼) = 三- 口 ) ( 1 - 2 1 ) f ( 岛) = 【( p + f ) 2 】七( q ) + 【( p f ) 2 】f c o s 2q ( 1 - 2 2 ) s c o , ) = 【( p + f ) 2 】尼( 岛) 一【p r ) 2 l c o s 2 岛 ( 1 2 3 ) 七 ) = ( 2 1 刀r ) l 【( 尾- a 2 ) c o s o l + s i n 尻t a n 0 ，s m o , 】 ( 1 - 2 4 ) r ( g ) = ( 2 1 u ) l 【( 尾- x 2 ) c o s 0 i + s i n 尾t a n o s i n g 】 ( 1 2 5 ) 第二章基于l a i 的地面反射率生成 “( 1 9 1 ) = 【( p + f ) 2 】足( q ) + ( p - r ) 2 l c o s 2b( 1 2 6 ) v ( 岛) = 【( p + f ) 2 】k ( 岛) 一【( p f ) 2 】c o s 2 只( 1 2 7 ) ， 缈( q ) = 兰【矽一履( p + f ) 】( 2 c o s 2 只+ s i n 2 幺t a n o , t a n 0 。c o s 力 z 万 + 去c p s ；n f l 2 ( 2 c o s 20l一s届鲥n2已tan，taneocos伊n,cospbo) m 2 8 ， z a 1 其中，三_ l a i h ，h 为冠层高度；屈= a r c c o s ( - c o t o , c 0 t b ) 。 尾= r r c a ：o s ( 一c o t o , c o t 0 1 ) ：当伊 展一尾 时，入射光线落在叶子反面；当9 = 屈一尾时，入射光线与叶子相切。9 厨为太阳直 射辐射的临界角，为观测方向的临界角，届，及及属在不同条件下的取值公式 见表1 1 ： 表i - i 届，尾及尾的取值公式表 t a b 1 - 1v a l u e so f p l 。p 2 a n dp 螽懈 b 。b 1b 、 伊1 9 丑，一妒肋i 伊 l 伊出一缈踟i 2 万一缈母一缈如 一i 妒 一i 缈2 7 一一 一i 缈z 7 一一 伊 z 7 一缈毋一缈勘 伊2 x 一一缈踟 i 妒西一伊b d i 2 x 一矽毋一伊肋伊 如果0 = o 或0 = 昙，则s a i l 模型变成s u i t 模型。 z s a i l 模型计算精度高，运算速度快，验证也比较成熟，因此本文采用s a i l 模 型作为l a i 反演的基础。 3p r o s a i l 模型 p