植被遥感上机课程-植被辐射传输模型

1、植被辐射模型上机课程,焦全军 ,植被辐射传输过程,400-2500nm： 地表反射率,.,叶片光谱受到叶片色素的影响,植被患病变色,地物辐射模型 描述辐射传播，与地物发生相互作用（吸收、散射、发射等）的过程。,构建了地物理化、结构的特性与地物辐射特性的关系。,植被参数,模型,正演,反演,遥感光谱,Meroni, M., R. Colombo, et al. (2004). Inversion of a radiative transfer model with hyperspectral observations for LAI mapping in poplar plantations. R

2、emote Sensing of Environment 92: 195-206.,（1）反演植被参数,植被辐射模型可以做什么？,Meroni, et al. (2004)基于DAIS航空高光谱影像，利用PROSAIL模型，反演了植被LAI参数。,Zarco-Tejada, P. J., J. R. Miller, et al. (2004). Hyperspectral indices and model simulation for chlorophyll estimation in open-canopy tree crops. Remote Sensing of Environment

3、 90(4): 463-476.,（2） 模型正演的应用,植被辐射模型可以做什么？,Zarco-Tejada, et al. (2004)利用植被遥感模型模拟光谱，比较不同植被指数的性能。,植被参数,植被遥感模型,遥感光谱模拟结果,1）调整某一个参数,2）查看参数调整带来的模拟结果变化； 3）进而发现敏感参数、及对应的敏感波段； 4）优选植被指数等,尝试回答的问题,叶绿素 可见光-近红外吸收？特征？ 叶片水分 近红外-短波红外吸收？特征？ 叶片干物质 短波红外吸收？特征？ 叶面积指数对植被光谱的影响 ? 波段范围？强度如何？,本次上机目的,掌握几种流行的植被冠层光谱模型，分析不同参数对应的光谱

4、特征。 简单来说： 1）调参数：固定其他参数不变，改变一个参数的设置；（模型软件输入） 2）转模型：获得不同参数对应的光谱数据集；（模型软件输出文本文件） 3）敏感性分析：分析参数变化带来的光谱变化。（文本文件导入EXCEL ，在EXCEL表里面展示、分析）,文本文件导入excel,第一种方式：使用EXCEL直接打开文本文件，输入分列符号设置，进行分列,第二种方式：COPY文本进入EXCEL，利用分列工具，对数据进行分列,.,叶片光学模型 扁平叶模型学习PROSPECT（Jacquemoud,1990） 针叶模型学习LIBERTY（Dawson et al, 1998） 植被冠层模型 连续型冠

5、层模型学习SAIL（Verhoef, 1984） 几何光学模型学习5-SCALE(Chen J M,1997 ）,植被遥感模型,耦合模型： （1）PROSPECT + SAIL （2）LIBERTY + 5-SCALE,.,叶片的类型差异 扁平叶（阔叶）针叶,植被的叶片类型,学习PROSPECT（Jacquemoud,1990）,学习LIBERTY（Dawson et al, 1998）,.,冠层的类型差异 连续型冠层（均一、混沌） 非连续型冠层,植被的冠层类型,学习SAIL（Verhoef, 1984）,学习5-SCALE(Chen J M, 1997）,.,扁平叶模型学习PROSPECT（

6、重点） 连续型冠层模型学习SAIL （重点） 针叶模型学习LIBERTY 几何光学模型学习5-SCALE,实习顺序,T A R,鲜叶片和干叶片的反射率光谱（R）和透过率光谱（T）,干枯叶片,一般认为，叶片的反射和透射率光谱，是由叶片组分的吸收和散射功能决定的。 叶片主要组分：叶绿素，类胡萝卜素，水，纤维素，木质素，淀粉，蛋白质等。,新鲜叶片,叶片模型,叶片模型,实习内容： 平板模型，以PROSPECT为例,.,早期的PROSPECT模型 针对紧密叶片的，对于双子叶和衰老叶片是不合适的，也即还没有考虑叶片内空气间隔等的影响。 PROSPECT的改进之一 假设叶片是由N层同性层叠起来的，被N-1层

7、空气间隔分割开来。 N不一定是整数。,PROSPECT 模型,N被称为是叶肉结构指数。,PROSPECT模型含有以下参数： N叶肉结构参数（叶肉层数） Cab叶绿素含量（叶肉透过系数有关 ） Cw叶片含水量（叶肉透过系数有关 ） Cm干物质含量（叶肉透过系数有关 ） n 叶肉界面折射指数n；（叶肉界面的折射属性） 最大入射角（叶表面粗糙度）,.,输出： 叶片反射率和透过率（400-2500nm，5nm间隔）,PROSPECT模型(WINSail软件中) 实习,从WINSail软件中 打开PROSPECT,PROSPECT 界面,叶肉结构参数N 叶绿素含量 叶片含水量 干物质含量 叶黄素含量,P

8、ROSPECT 模型的参数输入表,PROSPECT模型(WINSail） 两种数据获取方式： 单波段 多波段,模拟计算,PROSPECT模型(WINSail）,存为一个文件， PROPECT的叶片反射率和 透过率光谱，可为WINSail 使用。,.,不同的叶片水分含量模拟的叶片反射率（左）和透过率（右）,结果范例,冠层模型,实习内容： 连续型冠层模型(SAIL为例),连续型冠层模型SAIL模型为例,SAIL模型假设冠层具有如下性质： 冠层水平且无限延伸； 冠层组分只考虑叶片； 冠层分布是各向同性的。,冠层,叶片,太阳与观测环境,PROSAIL模型的参数输入表,SAIL模型的WIN版本,光源与观

9、测参数,叶片与土壤参数,LAI,叶片倾角分布函数,冠层的多层结构,叶倾角分布函数,单独使用WINSail模拟 分析冠层结构参数和反射率光谱的关系,32,冠层反射率随：叶面积指数LAI、平均叶倾角LAD 的变化,WINSail结合PROSPECT 分析叶片参数对冠层反射率的影响,冠层反射率随：a) 叶肉结构参数N; b) 叶绿素 Cab; c) 水含量Cw; d) 干物质Cm,叶片模型,实习内容： 针叶模型，以LIBERTY为例,针叶模型,LIBERTY的针叶内辐射传输模型,Dawson et al. (1998)发展了针叶的叶片辐射传输模型LIBERTY 。 LIBERTY模型通过若干层细胞的

10、反射率和透过率的迭代过程求得单个针叶的反射率和透过率，需要3大类、共9个输入参数。,LIBERTY模型输入参数,LIBERTY,LIBERTY模型输入参数的英文对照,LIBERTY模型（5-SCALE软件中） 实习,5-SCALE,RUN LIBERTY,输出文件的设置,冠层模型,实习内容： 几何光学模型(5-SCALE为例),几何光学模型5-SCALE模型为例,直接照射冠层 直接照射冠层与非直接照射冠层 非直接照射的冠层,独立几何冠层形状的植被,5-SCALE建模,叶片,独立个体的冠层,空间分布,5-SCALE软件的特色,突出植被冠层的二向性 植被光谱的二向性？ 不同观测角度，观测到 不同强度的遥感反射率,5-SCALE软件的功能,使用5-SCALE的三种模式 （1）太阳平面上的反射率二向性模式 （2）单波段反射率的二向性模式 （3）太阳平面上的反射率高光谱模式 使用5-SCALE模型，可关注针叶林的BRDF响应。,5-SCALE模型输入参数,观测天顶角度 太阳天顶角 相对方位角 叶面积指数 LAI 丛生指数 树木密度 树冠垂直高度 杆高 冠层半径 冠层形状（1 圆锥加圆柱；2 椭圆） 枝叶几何参数 叶片光谱 下界面（背景）光谱,太阳入射平面的二向性,植被分布参数,太阳与观测参数,冠层形状,枝