基于SAILH模型的植被冠层NDVI二向性分析.pdf

基于 SAILH 模型的植被冠层 NDVI 二向性分析 梁守真 施平 周迪 中国科学院烟台海岸带研究所 烟台 264003 中国科学院南海海洋研究所 广州 510301 中国科学院研究生院 北京 100049 收稿日期 2010 01 22 修订日期 2010 04 16 基金项目 国家自然科学基金项目 30800149 中国科学院知识创新工程项目 KZCX2 YW Q07 01 信息专项 INFO 115 D01 Z005 山东省科技发展计划项目 2007GG2QT06019 作者简介 梁守真 1979 男 山东人 主要从事植被指数机理和遥感应用研究 E mail liangshzh0816 163 com 摘要 NDVI 是植被遥感中最为常用的一种植被指数 建立 NDVI 与其他冠层参数模型必须考虑其方向性问 题 本文基于 SAILH 模型讨论了连续植被冠层 NDVI的二向性特征 并分析了叶面积指数 叶倾角分布 热点参 数以及太阳天顶角和相对方位角对 NDVI的影响 研究表明冠层 NDVI在主平面观测方向存在一个明显的负热 点 前向散射方向的 NDVI 大于后向散射方向 冠层 NDVI 的二向性分布随外界参数的改变而发生变化 但每个 参数对 NDVI 二向性的影响程度不同 并且通常后向散射方向受各参数的影响要小于前向散射方向 关键词 NDVI SAILH 模型 热点效应 二向性 doi 10 3969 j issn 1000 3177 2011 01 004 中图分类号 TP79 文献标识码 A 文章编号 1000 3177 2011 113 0022 05 Analysis of NDVI Bidirectionality Based on SAILH Model LIANG Shou zhen SHI Ping ZHOU Di Yantai Institute of Coastal Zone Research Chinese Academy of Sciences Yantai 264003 SouthChina Sea Institute of Oceanology Chinese A cademy of Sciences Guangzhou 510301 Graduate University of Chinese Academy of Sciences Beij ing 100039 Abstract NDVI Normalized Difference Vegetation Index is an important vegetation index extensively used to indicate vegetation status But due to its anisotropy or bidirectionality there are many limitations when to develop the model between NDVI and vegetation parameters and the precision of model is low In order to develop reliable model it is necessary to know a bout the bidirectionality of NDVI SAILH model can model BRDF of vegetation canopy so based on the BRDF of canopy the bi directional distribution of NDVI can be calculated The result shows that NDVI has very obvious bidirectionality or anisotropy and it can be influenced by different parameters such as LAI Leaf Area Index LAD Leaf Angle Distribution hot parameter solar zenith and relative azimuth The difference between bidirectional distribution of NDVI and BRDF is that NDVI has the smallest value in the hot spot but canopy BRDF is contrary In the principal plane the value of NDVI in forward scattering di rection is larger than in backward scattering direction With the increase of LAI the NDVI increases but saturation occurs When LAI is constant other parameters can change the value and angle distribution of NDVI Because the hot spot effect only occurs when observer is in the principal plane bidirectionality of NDVI will weaken in other planes T he increase of solar zenith makes NDVI lower in the hot spot The increase of average leaf inclination angle makes NDVI increase in forward scattering di rection while NDVI in backward scattering changes very little Key words NDVI SAILH model hot spot effect bidirectionality 22 遥感信息 理论研究 2011 1 1 引 言 二向反射是自然界中物体对电磁波反射的基本 宏观现象 即反射不仅有方向性 而且这种方向还依 赖于入射的方向 物体的反射辐射与物体表面结构特 征以及物体的物质组成有密切关系 1 但在过去相 当长的时间内人们忽略了地物反射方向性的意义 而 将地物假设为各向同性 地面均匀的朗伯体 2 这种 假设在遥感应用的初级阶段用于定性分析 已经足 够 但是当遥感应用由定性分析进入定量分析阶段 后 朗伯体的假定已不能满足要求 必须考虑地物反 射的方向性问题 为了描述地物反射的方向性 Nicodemus 提出 了 BRDF Bidirectional Reflectance Distribution Function 的概念 3 但由于 BRDF 实际 测量的困难性 通常采用 BRF Bidirectional Reflec tance Factor 来代替 BRDF 在本文仍然采用BRDF 这个术语 两者之间仅用一个 即可实现互换 随着 EOS MODIS MISR POLDER SPOT ASTER ERS ASTR 等多角度遥感器陆续进入轨 道 多角度对地观测成为可能 国际上对二向反射的 研究也日趋活跃 并成为目前研究的热点 4 迄今 为止 已出现了多种描述地物 BRDF 的模型 就方 法而论 大体可以分为 3 类 辐射传输模型 光学几 何模型 计算机模型 5 此外李小文将辐射传输模 型和光学几何模型相结合建立了混合模型 6 这些 二向反射模型在各自的适用范围内很好地解释了辐 射在介质传输中的各种现象 更重要的是这些模型 的建立极大地促进了遥感定量反演的发展 植被作为陆地上最重要的组成部分 其冠层 BRDF 模型尤其受到重视 在模型中 植被层通常 被抽象为两类 一类是个体几何特征明显的离散型 以森林为典型代表 另一类是个体特征不明显的连 续植被 其典型代表为封垄后的农作物 茂密的草 地 基于这两种假设 几种经典的冠层反射率模型 被构建 比如 Li Strahler 几何光学模型 7 SAIL 模 型 8 SAILH 模型 9 GeoSail 模型 10 等 在植被 遥感研究中 人们倾向于采用多个反射率波段组合 建立的植被指数作为分析指标 而不是植被冠层的 反射信息 目前已出现几十种植被指数 NDVI Normalized Difference Vegetation Index 是国内 外最常用来监测作物长势 估算植被叶面积指数 生 物量和光合效率的指标 11 MODIS 和 SPOT 研究 小组还将多天 NDVI 的合成产品对外免费发布 以 便进行全球环境变化研究 但在目前的研究中 NDVI 的二向性考虑较少 导致基于 NDVI 的遥感 模型不仅缺乏通用性 精度也难以令人满意 因此 建立精确的 NDVI 遥感模型 必须对 NDVI 的二向 性进行分析 基于此 本研究以小麦为例 利用 SAILH 模型对植被冠层 NDVI 的二向性进行模拟 分析 NDVI 的二向性特征以及叶面积指数 LAI 叶 角分布类型 LAD 热点参数 太阳天顶角 和相对 方位角 等参数对它的影响 为建立精确的反演模 型提供一些理论参考 2 方 法 2 1 SAIL 和 SAILH 模型 本文研究的对象为封垄后的冬小麦 此时可将 其当作连续植被对待 对于这类植被 通常采用辐 射传输模型模拟其冠层 BRDF 植被辐射传输模型 的典型代表是 SAIL 模型 它是由 Verhoef 开发的 四流模型 E0 E E 与 ES 基本求解方程为 dES dx KES dE dx SES aE E dE dx S ES E aE dE0 dx wES vE uE kE0 1 式中 ES为由上而下传输的直射辐射 E0为观 测方向上的辐射通量密度 E0 L0 E 与 E 分 别代表向下和向上传输的辐射通量密度或者称为辐 照度或出射度 K k 为辐射的削弱系数 a 为消光系 数 S 为同向直射的散射系数 S 为背向直射的散射 系数 为背向系数 u v w 分别代表由 E E 与 ES向观测方向上传输的辐射亮度的转化系数 该模型将连续植被冠层假定为方位随机分布 水平均匀无限扩展的各向同性叶片组成的混浊介质 turbid medium 只在垂直方向上有限变化 冠层 可分为一层或多层 每层中的植被光学特性参数和 结构特性参数为常数 并且每层的植被元素视作吸 收和散射微粒 SAIL 模型考虑了多次散射的作 用 但忽略了冠层的热点效应 后来 Kuusk 将冠层 的热点效应引入到模型中 建立了 SAILH 模型 其 假设条件和 SAIL 模型一致 SAILH 模型模拟冠 层二向反射率 仅需要较少的变量参数 但模拟结果 和复杂的反射模型非常相近 12 因此本研究采用 SAILH 模型来模拟植被冠层的二向反射 23 2011 1 理论研究 遥感信息 2 2 模型参数设置 SAILH 模型的输入端仅仅需要一些常用参数 如叶片光谱 叶片反射率和透射率 冠层结构参数 叶面积指数 叶倾角分布类型和热点参数 土壤反 射率和观测几何参数 太阳天顶角 观测天顶角和相 对方位角 以及太阳入射漫辐射分量 为减少不确 定性 本文对模拟环境进行了一些相应的设置 忽略天空散射光在不同波段的差异 统一取 值为 0 1 13 当分析某一参数的影响时 只改变该参数的 值 而其他参数取标准值 表 1 叶片和土壤光谱始终保持不变 图 1 由于封垄后的小麦才能看作连续植被 因此 这里将叶面积指数取值范围设为 3 6 14 表 1 SAILH 模型中各参数的设置 参数标准值范围 太阳天顶角30 0 70 步长为 10 相对方位角0 和 180 0 90 步长为 15 叶面积指数43 6 步长为 0 5 热点参数0 2 0 0 01 0 05 0 1 0 15 0 2 0 3 0 4 叶倾角分布倾斜型 平板型 垂直型 倾斜型 极端型 球面型 图 1 SAILH 模型中土壤和叶片的光谱 2 3 NDVI NDVI Normalized Difference Vegetation In dex 即归一化差异植被指数 被认为是植被生长状 态及植被覆盖度的最佳指示因子 被定义为近红外 和红波段数值之差和这两个波段数值之和的比值关 系 计算公式为 NDVI RNIR RRED RNIR RRED 2 式中 RNIR和 RRED分别代表经过近红外波段 和红波段的反射率 NDVI 所用到的两个波段在不同的传感器中 有不同的定义 在本研究中将红波段和近红外波 段分别 定义 为 620nm 670nm 和 841nm 876nm 和 MODIS 传感器的 1 2 波段一致 因此 首先利用 MODIS 的 1 2 波段的波谱响应函数将 SAILH 模拟得到的冠层二向反射计算两个波段 的反射率 然后再根据公式 2 计算冠层 NDVI 3 模拟结果 计算结果见图 2 和图 3 横坐标表示主平面 上的观测天顶角 正负号只代表观测方向 观测 天顶角为负值表示与太阳同侧 即后向散射方向 观测天顶角为正值表示与太阳异侧 即前向散射 方向 3 1 冠层 NDVI 的二向性 从图 3 可以看出 不管参数如何改变 在不同观 测角度下小麦冠层 NDVI 都不相同 它同冠层反射 一样具有各向异性特征 这里我们采用李小文先生 提出的 BiNDVI 来表示二向性 NDVI 15 在主平面内 热点方向上 观测方向和太阳照射 方向一致 BiNDVI 总是最小 形成一个负热点 这 和冠层反射在热点处有最强的反射 即热点效应 正 好相反 那么这个热点如何形成的呢 根据公式 2 可知 NDVI 是红波段和近红外波段的比值植 被指数 因此只要分析这两个波段在热点方向的二 向反射率即可 从图 2 可以看出 在热点处 红波段 的形状比近红外更加尖锐 说明热点方向上红波段 比近红外有更强的热点效应 这是导致热点处的 NDVI 比其他方向偏低的原因 在负热点的两侧 表现为观测方向偏离热点方向越远 BiNDVI 越大 类似于冠层 BRDF 的碗边效应 我们称其为碗边 核 由于热点方向并非是在天底 因此它是一个非 对称性的碗边 由此可以看出主平面内冠层 BiND VI 可用一个负热点和一个碗边核来表示 在相同的观测天顶角下 主平面内前向散射方 向的 BiNDVI 大于后向散射方向 并且往往在前向 散射方向内观测天顶角为 70 左右时达到最大 这 就是为什么当采用最大值法进行 MODIS NDVI 合 成时 往往会选择前向散射方向有较大太阳天顶角 的像元 而不是天底观测的像元 24 遥感信息 理论研究 2011 1 3 2 不同参数对冠层BiNDVI 的影响 冠层结构参数主要影响辐射在冠层中的传输过 程 而太阳天顶角决定了辐照度的空间分布和强度 不同的太阳高度 冠层的受光面积比例会发生很大 变化 任何一个参数的改变 都可能导致辐射在空 间的分布发生改变 本研究主要分析了叶面积指数 LAI 叶倾角分布 LAD 热点参数 太阳天顶角 以及相对方位角 对 BiNDVI 的影响 3 2 1 叶面积指数的影响 从图 3 a 可以看出 LAI 主要影响BiNDVI 的大 小 表现为 BiNDVI 值随着 LAI 的增加而增加 随着 远离热点方向 不同 LAI 之间 BiNDVI 差异变小 尤 其是当观测天顶角大于 70 以后 随着 LAI 的逐渐 增加 BiNDVI 开始出现饱和现象 这主要是因为红 波段的吸收在高叶面积指数时容易饱和所致 BiNDVI 的形状随 LAI 的变化不大 但热点处 的凹槽随着 LAI 的增加越来越不明显 方差在一 定程度上可以表示一组数据的差异 因此这里我们 利用方差来表示 NDVI 随观测角度的总体变化情 况 根据统计 随着 LAI 的增加 总体方差从0 022 减小到 0 017 前向散射方向的方差大于后向散射 方向 这说明随着 LAI 增加 冠层 NDVI 的各向异 性特征减弱 前向散射方向 NDVI 随观测角度变化 比后向散射方向大 3 2 2 叶倾角分布的影响 不同叶倾角分布 LAD 类型的平均叶倾角不 同 平板型 垂直型 倾斜型 极端型 球面型的平均 叶倾角分别为 26 76 63 24 45 41 6 57 3 13 25 2011 1 理论研究 遥感信息 由图 3 b 所示 叶倾角分布对 BiNDVI 的影响主要 集中在前向散射方向 后向散射受其影响不大 前 向散射方向的 BiNDVI 随平均叶倾角增加而增加 因此垂直型的植被冠层在前向散射方向有最大的 BiNDVI 而热点方向的 BiNDVI 与平均叶倾角呈负 相关关系 随着平均叶倾角的增加 总体方差从 0 013 上 升到 0 027 说明叶倾角对 NDVI 的二向性影响明 显 并且平均叶倾角越大 各方向的差异就越大 3 2 3 热点参数的影响 SAILH 模型中 热点参数 被定义为叶片平均 长度 D和冠层高度的比值 从图 3 c 可以看出 对 BiNDVI 的影响主要集中在热点附近区域 同一观测 角度下 越大 BiNDVI 越小 但热点方向的 BiND VI 并不随 变化 这是因为热点参数增大时 叶片 之间空隙会减少 穿透叶片到达土壤的辐射也就会 减少 这样除热点外 其他观测方向所观察到的光照 叶面的百分比都随之而增大 16 也就是除热点外其 他方向的 BRDF 会随着热点参数的增加而变大 在热点两侧 越靠近热点 BiNDVI 值越小 当 为 0 01 时 总体方差为 0 012 当增加到 0 4 时 方差 为 0 020 这说明 越大 各向异性越显著 3 2 4 太阳天顶角的影响 太阳天顶角 的增加会导致前向散射方向内 BiNDVI 变大 而后向散射方向相反 图 3 d 热 点方向的 BiNDVI 随太阳天顶角的增加而减小 随 着天顶角从 0 增加到 70 BiNDVI 的方差也从 0 012增加到 0 035 这说明太阳天顶角越大 ND VI 的二向性表现越明显 当太阳垂直照射时 NDVI 的二向性最弱 后向散射方向的方差也随着天顶角 的增加从 0 14 增加到 0 26 前向散射方向则相反 方差从 0 时的 0 14减小到 70 时的 0 11 这说明后 向散射方向有更强的二向性 3 2 5 相对方位角的影响 随着相对方位角 的增加 观测方向越来越偏 离主平面 此时 冠层 BiNDVI 没有明显的负热点出 现 整体形状象一个倾斜的 S 图 3 e 在前向散 射方向 BiNDVI 随相对方位角的增加而减小 后向 散射方向则相反 总体方差在主平面时为 0 019 当方位角从 0 逐渐 增加到 90 总体方差逐渐减小到 0 006 并且除主 平面外 其他方位角平面上的方差都比较小 这说 明主平面上的 NDVI 二向性最明显 并且冠层 ND VI 的二向性随着方位角的增加而减小 4 结束语 二向性是自然界中地物对电磁辐射反射的一种 普遍现象 由地物二向反射率计算得到的 NDVI 也 表现出强烈的二向性 并且 NDVI 的二向性特征受 叶面积指数 叶倾角分布 热点参数以及太阳天顶 角 相对方位角等因素的影响 前向散射方向内不同观测方向的 NDVI 通常 比后向散射方向的值要大 并且受各个参数的影响 也比后向散射方向大 红波段和近红外波段热点效 应的差异使得冠层 NDVI 在热点方向形成了一个 负的热点 使得 NDVI 的二向性更加显著 在没有 热点效应的观测平面上 NDVI 的二向性特征要比 存在热点效应的主平面上弱很多 因此在应用遥感数据或者地面实测光谱数据提 取的 NDVI 分析地面植被时 必须考虑 NDVI 的二 向性 否则很难判别地面植被的实际状态 但在实 际操作中 NDVI 的各向异性又很难处理 主要是缺 乏可靠的多角度观测数据 目前很多传感器都是垂 直对地观测 尽管 MODIS 可以进行多角度对地观 测 但是由于分辨率较低 受云影响较大 有时很难 找到足够可靠的像元来进行 NDVI 的 BRDF 合成 因此目前 MODIS NDVI 产品仍然是采用 MVC 或 者 CV MVC 法进行合成 由于 SAILH 模型只适合于连续植被 只有叶 面积指数生长到一定程度以后才能使得植被 连 续 而在遥感图像中 很少有像元很够完全满足这 个条件 像元更多的是连续冠层与离散冠层混合体 这使得本文所讨论的 NDVI 二向性适用范围就受 到了一定的限制 此外 我们将各参数分开进行讨 论 但实际上各参数往往都是协同变化 尤其是冠层 结构参数 因此 本文所做的只能是初步研究 更深 入的分析需要建立更加复杂的计算机模型 比如蒙 特卡洛模型 光线追踪模型等 参考文献 1 李小文 汪骏发 王锦地 等 多角度与热红外对地遥感 M 北京 科学出版社 2001 2 徐希孺 遥感物理 M 北京 北京大学出版社 2005 3 Nicodemus F E Richmond J C Hsia J J Geometrical Considerations and Nomenclature for Reflectance M Ernest Am bler National Bureau of Standards 1977 下转第 86 页 26 遥感信息 理论研究 2011 1 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