基于方向反射率的大尺度叶面积指数反演算法及其验证

%( 现实 & 7
4 N从快速变 化 到 平 稳 变 化 的 过 渡 点 值! 并 不 等 同 于 最 大 /6 4 N! 因 为 植 被 达 到 全 覆 盖 时 ! 由 于 多
次 散 射 的 影 响 !/6 4 N 仍 会 缓 慢 增 加!全 植 被 覆 盖 的 /6 4 N 值 大 概 相 当 于 叶 面 积 指 数 为 +’% 时 的
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/ $ % D * D * #
!! 算法基本原理
[ " N 可以表示为叶面积密 度/ 与 冠 层 高 度\ 的 乘积 !
其 中 M 为测量 中采 用的天 顶角数 ! 于权重系 数 ! ?为 测量中采用的方位角数 ! $取每个环 中透过 " 0 3 D" & D *$ " 率对数的空间平均值 ! $不取平均透过 率的 D" 0 3 & D *$ 对数 ! 主要因 为 当 冠 层 中 存 在 叶 面 积 密 度 不 同 的 均 匀区时 ! 对这 些 区 域 透 过 率 取 平 均 会 低 估 叶 面 积 指
M
0
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光线路径长度与天顶角的关系为 / " 8" 8 9 < & & $\ D$ D$! 根据 / 与\ 得到[ " N 的表达式为 " $ %
[ " N $’$
" $ D" 3 8 9 < / 3 &$ &< &? &! 00
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对于多角度观测& ! !M 采用上式 的离散 * $ "!! D *! 近似 ! 叶面积指数可以采用如下形式计算 !
# # % & # ! & $ # 收稿 !$ # # % & " # & " ( 收修改稿 !$ 批准号 # $ % 中加合作 Q 批准号 #> 资助项目 ! $ * # + # " # + * * # $ ! " # ( " W K O 和国家重点基础研究发展规划" $ # # # # ! ! ) # # ! " 国家自然科学基金" # & . / 0 B . 3 < J J < 8 7 8 . 7 9 D 7 8 3 !, !3 E E
&( / 先固 定 ! 例 如 在 VS K W = V W = P 算 法 中 $ !所 有 冠 层被分为 ’ 类 7对于每一类 ! 一些变量被作 为 常 数 !
\! [ O W$ /0
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/ 可通过方向间隙率计算 ! 随机分布无限厚 水 平 均 匀 冠 层 ! & D 方向的平均
间隙率 D" 可以表示为路径长度 8" % 叶面积密 & & D$ D$ 度 / 和& 的指数函数 ! & D 方向叶面积投影系数 ]" D$ " $! D" 8" H & & & $; ’]" 5 D$ D$ D$ / 可以改写为 $ " $
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相当 $ "!
" 卷 ! 第 # 期 !$ % % "年#月 !第!
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上述推导表明 ! 通 过 方 向 间 隙 率 信 息 ! 可 以 反 演叶面积指数 7 由 于 光 线 的 可 逆 性 ! 上 式 对 于 顶 视 和底视应该同样 适 用 7 对 于 地 面 观 测 来 说 ! 方 向 间 隙率可通过测量冠 层 顶 部 与 底 部 的 辐 射 比 得 到 ! 但 对于卫星传感器高 度 和 尺 度 来 说 ! 这 种 做 法 显 然 不
一类是基于植被指 数 的 反 演 方 法 ! 主 要 是 通 过 建 立 植 被 指 数与叶面积指 数之间 的经 验关 系 来 反演 叶 面 积指数 7 目前用得比 较 多 的 植 被 指 数 有 标 准 化 差 值 植被指数 " 和比值 植 被 指 数 " !其他植被 /64 N$ 8 F$ 指数要么形式比 较 复 杂 ! 需 要 参 数 过 多 ! 要 么 与 叶 面积指数 " 关系不明显 ! 在 大 面 积 [ [ " N$ " N 反演中 用得不多 7 但 /64 N 和8 F 在消除土壤背景影响方
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用其代表性值代替 ! 而 实 际 上 这 些 参 量 不 仅 可 能 变 化很大 ! 而且对反射率的影响也很大 7 杂和方法是遥感物 理 模 型 与 非 参 数 统 计 反 演 模 型结合 7 通过前向 模 型 产 生 数 据 集 ! 用 非 参 数 统 计 模型 " 如神经网络 % 局 部 回 归 等 方 法 $ 在方向反射和 待反演参数之间 建 立 联 系 7 与 查 找 表 方 法 相 比 ! 杂 和方 法 的一个主 要优势是 关键变 量 的变 化 能 够被 有 效解释 7 虽然 在 产 生 模 拟 数 据 时 可 能 用 到 很 多 变 量 ! 但杂和法可以将 输 出 只 与 几 个 关 键 输 入 变 量 建 立联系 7 因为非参数 统 计 模 型 可 以 对 数 据 进 行 非 线 性投影 ! 使一些因子被增强 ! 而其他因子被压缩 7 虽然遥感物理模 型 一 般 是 数 学 可 反 演 的 ! 但 这 些模型无法 提 供 辐 射 传 输 和 冠 层 结 构 的 真 实 描 述 ! 而且测量的反射 率 也 有 一 定 置 信 区 间 7 因 此 ! 对 这 些方法来说 ! 反演 过 程 并 不 总 是 惟 一 的 ! 不 同 的 生 物变量可以导致相 似 的 方 向 和 波 谱 特 征 ! 从 而 导 致 解的不稳定 7 总的来说 ! 遥感叶 面 积 指 数 的 反 演 方 法 目 前 还 处于 探 索 阶 段 ! 尚 缺 少 精 度 高 % 具 有 一 定 理 论 基 础 % 简单实用的反演算法 7
/6 4 N值 ! 饱和 /64 N 可以通过经验和模 型模 拟得到 ! 也
可通过统计实际方向 /64 N 值的方法获 得 ! 模型模 拟法首先模 拟 各 地 表 覆 盖 类 型 /64 N 与[ " N 的关 系曲线 ! 然 后 求 出 曲 线 的 拐 点 值 作 为 饱 和 /64 N! 该方法比较简单 % 快 速 ! 像 元 统 计 法 统 计 各 同 类 像 元点最大方向 /64 N 值直方图 ! 近似 取同类 像元点 最大 /64 N 值的 ) #f 作 为 饱 和 /64 N! 理 论 上 说 ! 这种方法 精 度 更 高 ! 但 需 要 有 足 够 多 的 样 本 支 持 ! 计算量也较大 !
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面的能力较差 ! 而且 /64 N 的饱和点较 低 ! 很容易 达 到 饱 和! 在 [ " N 较 大 时 反 应 不 灵 敏7 此 外! ! 与叶面 积 指 数 之 间 的 经 验 关 系 随 地 域% /64 N = P 植被类型 % 生长季 等 的 变 化 而 变 化 ! 将 这 些 经 验 关 系用于遥感像元尺 度 反 演 时 会 带 来 很 大 的 误 差 7 与 其他方法相比 ! 经验 关 系 所 能 利 用 的 信 息 量 也 十 分 有限 7 另一类反演 [ " N 的方法是基于遥感物理模型 的 反演 7 由于遥感物理 模 型 的 参 数 具 有 明 确 的 物 理 含 义 ! 是反演研究的 重 点 7 对 于 基 于 遥 感 物 理 模 型 的 反演方法 来 说 ! 其 反 演 精 度 与 所 用 模 型 息 息 相 关 ! 因此高精度的遥 感 物 理 模 型 是 成 功 反 演 的 关 键 7 了 解各类遥感物理模 型 的 特 点 和 优 势 对 于 反 演 具 有 重 要意义 7 遥感物理模 型 按 其 理 论 基 础 可 分 为 混 浊 介 质模型 % 几何光学 模 型 % 混 合 模 型 和 数 值 模 拟 模 型
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" 卷 ! 第 # 期 !$ % % "年#月 !第!
* 大类 7 遥感物理模型的反 演 方 法 主 要 可 分 为 传 统 的 计 算机迭 代 的 反 演 方 法 % 查 找 表 法 % 杂 和 方 法 " 如神 经网络法等 $ 几 种7 传 统 的 计 算 机 迭 代 的 方 法 计 算 量较大 ! 不 适 合 逐 像 元 反 演 ! 对 于 大 数 据 集 来 说 ! 需要简化模型或算 法 ! 但 简 化 往 往 是 以 牺 牲 反 演 的 精度为代价 7 查找表法的出现在 一 定 程 度 上 解 决 了 传 统 计 算 机迭代方法面临 的 问 题 7 查 找 表 法 预 先 通 过 前 向 模 型构造表 格 ! 将 反 射 率 与 待 反 演 参 数 直 接 联 系 起 来 ! 这样在反演时只 需 在 表 格 中 进 行 查 找 和 内 插 等 操作即可 实 现 参 数 反 演 7 但 有 时 为 了 获 得 高 精 度 ! 表的维数 必 须 足 够 大 ! 必 然 导 致 在 线 搜 索 速 度 降 低 7 而且 ! 对于查找 表 方 法 来 说 ! 许 多 参 量 必 须 事
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为以天顶角& E" & D$ D 穿过冠层的探针单位路径长度 ( + 与叶子的平均接触次数 & ! V / 0 0 ; @给出叶面积密度的解析解为 * ? < / 3 & & & D$ D D! / $ $ # E"