遥感物理讲座 第十章 遥感辐射传输及模型发展

0.08
HOT SPOT
HOTSPOT-DARKSPOT DARKSPOT
NADIR
in the red band Reflectance Reflectance in the Red band
0.07
0.06
0.05
DARK SPOT
0.04
0.03
0.02 -nc et al., 1999
View Factors from foliage
Sky Sunlit Foliage Shaded Foliage
Shaded Background
Sunlit Background
Multiple Scattering
Sky diffused light
《遥感物理》课程讲座-10 ----植被遥感辐射传输模型
目 录
大气辐射传输模型（6S、MODTR4） 水体辐射传输模型（GODEN） 植被辐射传输模型（RT） 植被几何光学模型（GO）
一、植被遥感模型概述
Three examples of different canopy architecture
-60 -30 0 30 60 90
View Zenith Angle View zenith angle
图 在不同观察角度上模拟的树冠反射率，相当于由传感器－地物－太阳所形成的观察平面与太阳主 平面平行。
CONIFER FOREST JUNE 6-10, 1997
Airborne POLDER Measurements and simulations of an old black spruce stand
（3）背景阴影面积（斜阴影条）： 三块面积之和为：
三、垂直视条件下的几何光学模型
稀疏条件下（无阴影重叠）圆锥体（如“塔松”，LI-80年代初研究）
设个体为圆锥体， 假定所有的圆锥体其底面半径（r）及高度（h）可以变，但圆锥体顶角α 不变 ，太阳以天顶角θ 投向目标。
tan L , h tan r , h
tan r tan L
5-Scale was used for NDVI directionality study
A hotspot Kernel based on 5-Scale’s hotspot was added to Roujean et al model for BRDF correction of AVHRR and VGT data
From Chen and Cihlar 1997
二、几何光学模型
在晴天或少云的天气条件下，投射到植被冠层上的辐射亮度主要由太阳直射辐射和天空漫辐 射两部分组成，而后者只占总辐射的10％～15％。以森林为典型代表的离散植被，在以太阳直射 光为主的照射下必然产生光照面和阴影面，如果忽略各分量之间的多次散射，则传感器所测得的 辐射亮度由下列四部分组成（俗称四分量）： Ls = Kg Lg + Kc Lc + Kt Lt + Kz Lz 其中Ls为传感器所接收到的辐射亮度，Lg为背景光照面所产生的亮度，Lc为树冠光照面所产 生的亮度，Lt与Lz分别为树冠阴影面和背景阴影面所产生的亮度，而Kg, Kc, Kt和Kz分别为四分 量在可视条件下的面积比（具体定义将在下面给出）。 几何光学模型一般作如下几个假定：（1）Lg，Lc，Lt与Lz具有朗伯体性质；（2）天空晴朗， 天空散射光照的比例很小或可以忽略，在平行入射光照射下产生四分量；（3）忽略各组分之间 的多次散射；（4）树冠有一定的几何形状，在像元内取某种概率分布，叶子在树冠内均匀分布 并取一定的叶倾角分布（比如通常假定为球面型分布）。几何光学模型认为传感器在2π空间中从 不同的方向观测像元，所以会得到不同的亮度值，其主要原因是视场内Kg，Kc，Kt，Kz的比例 在变化。 几何光学模型以离散植被为主要对象，讨论了如下几个方面的问题： （1）求取离散植被BRDF的三维特征，比如确定BRDF在主平面内的分布形状，解释热点现象。 （2）求取Kg，Kc，Kt，Kz与树冠形状、树冠在单位面积中的分布密度、入射方向及视线方向之 间的关系。（3）最初几何光学把树冠简化为不透光的刚体，随后引入孔隙概率模型，对刚体假设 作了修正。几何光学模型本质上是单次模型，为了使模型更逼近真实，在引入孔隙概率模型后试图 把多次散射引入几何光学模型。（4）把Lg，Lc，Lt与Lz视为实测值是十分不方便的，故设法把它 们与单片叶子的反射率ρv及土壤表面反射率ρs等联系起来，称为参数化。
Δ ACD～Δ ABC，γ ＝β ，所以
sin sin r
L
tan
arcsin t an t an tan

2 r
2


（1）树冠光照面积：

r 2
，此处γ 取弧度单位。
（2）树冠阴影面积：
2
r
2

r 2

2 r 2 r 2 ) (cos
Sunlit crown
Shaded crown
Sunlit background
Shaded background
Airborne POLDER data acquisition
Forward Scattering Nadir View
Backward Scattering
5-Scale was used for NDVI directionality study
N
F
图：从三个角度观察不透明圆锥和圆柱形树冠的BRDF情况：（1）向后散射，此时太阳 和观察者在同一边，大部分阴影不能被观测到；（2）最低点观察，此时可最大程度的观察 到背景；（3）向前散射，此时太阳与观测者在对面，所观测的大部分是阴影。太阳主平面 定义为垂直于地面连接太阳与地物的在太阳方位角方向上的平面。
grass random
broad leaf clumped
needle leaf most clumped
BRDF： Bidirectional Reflectance Distribution Function
Backward Principal Solar Plane B
Nadir
Forward