植被遥感上机课程-植被辐射传输模型讲解

1、植被辐射模型上机课程植被辐射模型上机课程 焦全军焦全军 1 植被辐射传输过程 400-2500nm400-2500nm： 地表反射率地表反射率 花青素anthocyanins 类胡萝卜素carotenoids 叶黄素 brown pigments 叶绿素 chlorophylls 叶片光谱受到叶片色素的影响 植被患病变色植被患病变色 描述辐射传播，与地物发生相互作用（吸收、散射、发描述辐射传播，与地物发生相互作用（吸收、散射、发 射等）的过程。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。构建了地物理化、结构的特性与地物辐射特性的关系。 植被参数植被参数 正演正演 反演反演

2、Meroni, M., R. Colombo, et al. (2004). Inversion of a radiative transfer model with hyperspectral observations for LAI mapping in poplar plantations. Remote Sensing of Environment 92: 195-206. （1）反演植被参数）反演植被参数 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. Mi

3、ller, et al. (2004). Hyperspectral indices and model simulation for chlorophyll estimation in open-canopy tree crops. Remote Sensing of Environment 90(4): 463-476. （2） 模型正演的应用模型正演的应用 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。 植被参数植被参数 植被遥感植被遥感 模型模型 遥感光谱遥感光谱 模拟结果模拟结果 1）调整某一个参数）调整某一个参数 2）查

4、看参数调整带来的模拟结）查看参数调整带来的模拟结 果变化；果变化； 3）进而发现敏感参数、及对应）进而发现敏感参数、及对应 的敏感波段；的敏感波段； 4）优选植被指数等）优选植被指数等 叶绿素叶绿素 可见光可见光-近红外吸收？特征？近红外吸收？特征？ 叶片水分叶片水分 近红外近红外-短波红外吸收？特征？短波红外吸收？特征？ 叶片干物质叶片干物质 短波红外吸收？特征？短波红外吸收？特征？ 叶面积指数对植被光谱的影响叶面积指数对植被光谱的影响 ? 波段范围？强度波段范围？强度 如何？如何？ 掌握几种流行的植被冠层光谱模型，分析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特征。不同参数对

5、应的光谱特征。 简单来说：简单来说： 1）调参数：调参数：固定其他参数不变，改变一个参数的设固定其他参数不变，改变一个参数的设 置；置；（模型软件输入）（模型软件输入） 2）转模型：转模型：获得不同参数对应的光谱数据集获得不同参数对应的光谱数据集；（模（模 型软件输出文本文件）型软件输出文本文件） 3）敏感性分析：敏感性分析：分析参数变化带来的光谱变化。分析参数变化带来的光谱变化。 （文本文件导入（文本文件导入EXCEL ，在，在EXCEL表里面展示、分析）表里面展示、分析） 第一种方式：使用第一种方式：使用EXCEL直接打开文本文件，输入分列符号设置，进行分列直接打开文本文件，输入分列符号设

6、置，进行分列 第二种方式：第二种方式：COPY文本进入文本进入EXCEL，利用分列工具，对数据进行分列，利用分列工具，对数据进行分列 （Jacquemoud,1990） （Dawson et al, 1998） （Verhoef, 1984） (Chen J M,1997 ） （Jacquemoud,1990） （Dawson et al, 1998） （Verhoef, 1984） (Chen J M, 1997） T A R 鲜叶片和干叶片的反射率光谱（鲜叶片和干叶片的反射率光谱（R）和透过率光谱（）和透过率光谱（T） 干枯叶片干枯叶片 一般认为，一般认为，叶片的反射和透射率光谱叶片的反射

7、和透射率光谱，是由，是由叶片组分叶片组分的的吸收吸收 和散射和散射功能决定的。功能决定的。 叶片主要组分：叶片主要组分：叶绿素，类胡萝卜素，水，纤维素，木质素，叶绿素，类胡萝卜素，水，纤维素，木质素， 淀粉，蛋白质等。淀粉，蛋白质等。 新鲜叶片新鲜叶片 早期的PROSPECT模型 PROSPECT的改进之一 PROSPECT 模型模型 PROSPECT 模型的参数输入表模型的参数输入表 输入参数输入参数描述描述取值范围取值范围默认值默认值 Cab叶绿素含量叶绿素含量580g/cm230g/cm2 N叶片结构参数叶片结构参数1-41.3 Cm干物质含量干物质含量0.001-0.005g/cm20

8、.005 g/cm2 Cw水分含量水分含量0.003-0.03g/cm2 0.012 g/cm2 存为一个文件， PROPECT的叶片反射率和 透过率光谱，可为WINSail 使用。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 400900140019002400 w05 w10 w15 w20 波长（nm） w05 w10 w15 w20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 400900 1400 1900 2400 w05 w10 w15 w20 w05 w10 w15 w20 不同的不同的叶片水分含量叶片水分含量模拟的叶片反射率（左）和透过率（右）模拟的叶片反射率（左）和

9、透过率（右） 结果范例结果范例 SAIL模型假设冠层具有如下性质模型假设冠层具有如下性质： 冠层冠层水平且无限延伸水平且无限延伸； 冠层冠层组分只考虑叶片；组分只考虑叶片； 冠层冠层分布是各向同性的分布是各向同性的。 冠层冠层叶片叶片太阳与观测环境太阳与观测环境 PROSAIL模型的参数输入表模型的参数输入表 输入参数输入参数描述描述取值范围及默认值取值范围及默认值 Cab叶绿素含量叶绿素含量(580g/cm2) 40g/cm2 N叶片结构参数叶片结构参数(1-4) 1.3 Cm干物质含量干物质含量(0.001-0.005g/cm2) 0.003 g/cm2 Cw水分含量水分含量(0.003-

10、0.03g/cm2) 0.012 g/cm2 LAI叶面积指数叶面积指数(0.5、1 8) 3 LAD平均叶倾角平均叶倾角（0-90 度）度）57 度度 Sl热点大小热点大小0.25 Theta_s,Phi_s太阳方位角和天顶角太阳方位角和天顶角0 30 Theta_v,Phi_v遥感器方位角和天顶角遥感器方位角和天顶角0 0 光源与观测参数光源与观测参数 叶片与土壤参数 LAI 叶片倾角分布函数叶片倾角分布函数 冠层的多层结构冠层的多层结构 叶倾角分布函数 单独使用单独使用WINSail模拟模拟 分析冠层结构参数和反射率光谱的关系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

11、指数LAI、平均叶倾角LAD 的变化 WINSail结合结合PROSPECT 分析叶片参数对冠层反射率的影响分析叶片参数对冠层反射率的影响 冠层反射率随：层反射率随：a) 叶肉结构参数叶肉结构参数N; b) 叶绿素叶绿素 Cab; c) 水含量水含量Cw; d) 干物质干物质Cm 针叶模型针叶模型 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模型输入参数模型输入参数 LIBERT

12、Y LIBERTY模型输入参数的英文对照模型输入参数的英文对照 输出文件的设置输出文件的设置 几何光学模型几何光学模型5-SCALE模型为例模型为例 直接照射冠层直接照射冠层 直接照射冠层与非直接照射冠层直接照射冠层与非直接照射冠层 非直接照射的冠层非直接照射的冠层 独立几何冠层形状的植被独立几何冠层形状的植被 5-SCALE建模建模 叶片独立个体的冠层空间分布 5-SCALE软件的特色软件的特色 突出植被冠层的二向性突出植被冠层的二向性 植被光谱的二向性？植被光谱的二向性？ 不同观测角度，观测到不同观测角度，观测到 不同强度的遥感反射率不同强度的遥感反射率 5-SCALE软件的功能软件的功能

13、 使用使用5-SCALE的三种模式的三种模式 （1）太阳平面上的反射率二向性模式）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）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）太阳平面上的反射率高光谱模式 使用使用5-SCALE模型，可关注针叶林的模型，可关注针叶林的 BRDF响应。响应。 5-SCALE模型输入参数模型输入参数 观测天顶角度观测天顶角度 太阳天顶角太阳天顶角 相对方位角相对方位角 叶面积指数叶面积指数 LAILAI 丛生指数丛生指数 树木密度树木密度 树冠垂直高度树冠垂直高度 杆高杆高 冠层半径冠层半径 冠层形状（冠层形状（1 1 圆锥加圆柱；圆锥加圆柱；2 2 椭圆）椭圆） 枝叶几何参数枝叶几何参数 叶片光谱叶片光谱 下界面（背景）光谱下界面（背景）光谱 太阳入射平面的二向性太阳入射平面的二向性 植被分布参数植被分布参数 太阳与观测参数太阳与观测参数 冠层形状冠层形状 枝干属性枝干属性 四种工作模式四种工作模式 叶片与下界面属性叶片与下界面属性 使用使用5-SCALE的三种模式的三种模式 （