植被遥感上机课程植被辐射传输模型
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学习SAIL（Verhoef, 1984）
非连续型冠层
学习5-SCALE(Chen J M, 1997）
实习顺序
扁平叶模型——学习PROSPECT（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
叶片模型
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。
叶片模型
实习内容：
针叶模型，以LIBERTY为例
针叶模型
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的针叶内辐射传输模型
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
PROSPECT 模型的参数输入表
输入参数 描述 取值范围 默认值
植被辐射传输过程
400-2500nm： 地表反射率
植被患病变色
叶绿素 chlorophylls
叶片光谱受到叶片色素的影响
花青素anthocyanins 类胡萝卜素carotenoids 叶黄素 brown pigments
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
新鲜叶片 T A R 干枯叶片
鲜叶片和干叶片的反射率光谱（R）和透过率光谱（T）
叶片模型
实习内容：
平板模型，以PROSPECT为例
PROSPECT 模型 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
存为一个文件， PROPECT的叶片反射率和 透过率光谱，可为WINSail 使用。
结果范例
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 900 1400 1900 2400
波长（nm）
w05 w10 w15 w20
0.5
w05 w10 w15 w20
0.4 0.3 0.2 0.1
w05 w10 w15 w20
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 90(4): 463-476.
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
• 单独使用WINSail模拟
– 分析冠层结构参数和反射率光谱的关系
冠层反射率随：叶面积指数LAI、平均叶倾角LAD 的变化
31
• 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
植被辐射模型可以做什么？
（2） 模型正演的应用 植被参数
1）调整某一个参数
植被遥感 模型
遥感光谱 模拟结果
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
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。
特定角度的高光谱模式
-90度 不 同 的 观 测 角 90度 波长（nm）
太阳入射平面的二向性
植被分布参数
叶片与下界面属性
冠层形状
太阳与观测参数
四种工作模式
枝干属性
使用5-SCALE的三种模式
（1）太阳平面上的反射率二向性模式
太阳入射平面的二向性
使用5-SCALE的三种模式
（2）单波段反射率的二向性模式
二向性
太阳平面
使用5-SCALE的三种模式
（3）太阳平面上的反射率高光谱模式
叶倾角分布函数
分布类型 喜平型 喜直型 喜斜型 喜极型 均匀性 球面型 分布函数 2(1+cos(2θ))/π 2(1-cos(2θ))/π 2(1-cos(4θ))/π 2(1+cos(4θ))/π 2/π sinθ 平均叶倾角（°） 26.76 63.24 45 45 45 57.3 标准差（°） 18.5 18.5 16.25 32.9 26 21.6
LIBERTY模型输入参数
LIBERTY模型输入参数的英文对照
LIBERTY
LIBERTY模型（5-SCALE软件中） 实习
RUN LIBERTY
5-SCALE
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
独立几何冠层形状的植被
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
w05 w10 w15 w20
0 400 900 1400 1900 2400
不同的叶片水分含量模拟的叶片反射率（左）和透过率（右）
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。
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
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
(1-4) 1.3
(0.001-0.005g/cm2) 0.003 g/cm2 (0.003-0.03g/cm2) 0.012 g/cm2 (0.5、1 ～8) 3 （0-90 度）57 度 0.25 0 0 30 0
SAIL模型的WIN版本
LAI
光源与观测参数
叶片倾角分布函数
叶片与土壤参数
冠层的多层结构
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特征。 • 简单来说：
Cab
N
叶绿素含量
叶片结构参数
5～80μg/cm2
1-4
30μg/cm2
1.3
Cm
Cw
干物质含量
水分含量
0.001-0.005g/cm2
0.003-0.03g/cm2
0.005 g/cm2
0.012 g/cm2
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）
耦合模型： （1）PROSPECT + SAIL （2）LIBERTY + 5-SCALE
植被的叶片类型
叶片的类型差异
扁平叶（阔叶）
学习PRBaidu NhomakorabeaSPECT（Jacquemoud,1990）
针叶
学习LIBERTY（Dawson et al, 1998）
植被的冠层类型
冠层的类型差异
连续型冠层（均一、混沌）
第二种方式：COPY文本进入EXCEL，利用分列工具，对数据进行分列
植被遥感模型
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 连续型冠层模型——学习SAIL（Verhoef, 1984） 几何光学模型——学习5-SCALE(Chen J M,1997 ）
假设叶片是由N层同性层叠起来的， 被N-1层空气间隔分割开来。 N不一定是整数。
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θ有关 ）
Cw－叶片含水量（叶肉透过系数θ有关 ） Cm－干物质含量（叶肉透过系数θ有关 ） n － 叶肉界面折射指数n；（叶肉界面的折射属性） α－ 最大入射角α（叶表面粗糙度）
射等）的过程。
正演
植被参数
模型
反演
遥感光谱
构建了地物理化、结构的特性与地物辐射特性的关系。
植被辐射模型可以做什么？
（1）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。
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.
冠层
叶片
太阳与观测环境
PROSAIL模型的参数输入表
输入参数 Cab 描述 叶绿素含量 取值范围及默认值 (5～80μg/cm2) 40μg/cm2
N
Cm Cw LAI LAD Sl Theta_s,Phi_s Theta_v,Phi_v
叶片结构参数
干物质含量 水分含量 叶面积指数 平均叶倾角 热点大小 太阳方位角和天顶角 遥感器方位角和天顶角
非连续型冠层
学习5-SCALE(Chen J M, 1997）
实习顺序
扁平叶模型——学习PROSPECT（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
叶片模型
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。
叶片模型
实习内容：
针叶模型，以LIBERTY为例
针叶模型
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的针叶内辐射传输模型
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
PROSPECT 模型的参数输入表
输入参数 描述 取值范围 默认值
植被辐射传输过程
400-2500nm： 地表反射率
植被患病变色
叶绿素 chlorophylls
叶片光谱受到叶片色素的影响
花青素anthocyanins 类胡萝卜素carotenoids 叶黄素 brown pigments
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
新鲜叶片 T A R 干枯叶片
鲜叶片和干叶片的反射率光谱（R）和透过率光谱（T）
叶片模型
实习内容：
平板模型，以PROSPECT为例
PROSPECT 模型 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
存为一个文件， PROPECT的叶片反射率和 透过率光谱，可为WINSail 使用。
结果范例
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 900 1400 1900 2400
波长（nm）
w05 w10 w15 w20
0.5
w05 w10 w15 w20
0.4 0.3 0.2 0.1
w05 w10 w15 w20
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 90(4): 463-476.
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
• 单独使用WINSail模拟
– 分析冠层结构参数和反射率光谱的关系
冠层反射率随：叶面积指数LAI、平均叶倾角LAD 的变化
31
• 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
植被辐射模型可以做什么？
（2） 模型正演的应用 植被参数
1）调整某一个参数
植被遥感 模型
遥感光谱 模拟结果
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
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。
特定角度的高光谱模式
-90度 不 同 的 观 测 角 90度 波长（nm）
太阳入射平面的二向性
植被分布参数
叶片与下界面属性
冠层形状
太阳与观测参数
四种工作模式
枝干属性
使用5-SCALE的三种模式
（1）太阳平面上的反射率二向性模式
太阳入射平面的二向性
使用5-SCALE的三种模式
（2）单波段反射率的二向性模式
二向性
太阳平面
使用5-SCALE的三种模式
（3）太阳平面上的反射率高光谱模式
叶倾角分布函数
分布类型 喜平型 喜直型 喜斜型 喜极型 均匀性 球面型 分布函数 2(1+cos(2θ))/π 2(1-cos(2θ))/π 2(1-cos(4θ))/π 2(1+cos(4θ))/π 2/π sinθ 平均叶倾角（°） 26.76 63.24 45 45 45 57.3 标准差（°） 18.5 18.5 16.25 32.9 26 21.6
LIBERTY模型输入参数
LIBERTY模型输入参数的英文对照
LIBERTY
LIBERTY模型（5-SCALE软件中） 实习
RUN LIBERTY
5-SCALE
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
独立几何冠层形状的植被
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
w05 w10 w15 w20
0 400 900 1400 1900 2400
不同的叶片水分含量模拟的叶片反射率（左）和透过率（右）
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。
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
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
(1-4) 1.3
(0.001-0.005g/cm2) 0.003 g/cm2 (0.003-0.03g/cm2) 0.012 g/cm2 (0.5、1 ～8) 3 （0-90 度）57 度 0.25 0 0 30 0
SAIL模型的WIN版本
LAI
光源与观测参数
叶片倾角分布函数
叶片与土壤参数
冠层的多层结构
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特征。 • 简单来说：
Cab
N
叶绿素含量
叶片结构参数
5～80μg/cm2
1-4
30μg/cm2
1.3
Cm
Cw
干物质含量
水分含量
0.001-0.005g/cm2
0.003-0.03g/cm2
0.005 g/cm2
0.012 g/cm2
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）
耦合模型： （1）PROSPECT + SAIL （2）LIBERTY + 5-SCALE
植被的叶片类型
叶片的类型差异
扁平叶（阔叶）
学习PRBaidu NhomakorabeaSPECT（Jacquemoud,1990）
针叶
学习LIBERTY（Dawson et al, 1998）
植被的冠层类型
冠层的类型差异
连续型冠层（均一、混沌）
第二种方式：COPY文本进入EXCEL，利用分列工具，对数据进行分列
植被遥感模型
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 连续型冠层模型——学习SAIL（Verhoef, 1984） 几何光学模型——学习5-SCALE(Chen J M,1997 ）
假设叶片是由N层同性层叠起来的， 被N-1层空气间隔分割开来。 N不一定是整数。
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θ有关 ）
Cw－叶片含水量（叶肉透过系数θ有关 ） Cm－干物质含量（叶肉透过系数θ有关 ） n － 叶肉界面折射指数n；（叶肉界面的折射属性） α－ 最大入射角α（叶表面粗糙度）
射等）的过程。
正演
植被参数
模型
反演
遥感光谱
构建了地物理化、结构的特性与地物辐射特性的关系。
植被辐射模型可以做什么？
（1）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。
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.
冠层
叶片
太阳与观测环境
PROSAIL模型的参数输入表
输入参数 Cab 描述 叶绿素含量 取值范围及默认值 (5～80μg/cm2) 40μg/cm2
N
Cm Cw LAI LAD Sl Theta_s,Phi_s Theta_v,Phi_v
叶片结构参数
干物质含量 水分含量 叶面积指数 平均叶倾角 热点大小 太阳方位角和天顶角 遥感器方位角和天顶角