遥感物理讲座 第十章 遥感辐射传输及模型发展

Leblanc et al., 1999
View Factors from foliage
Sky Sunlit Foliage Shaded Foliage
Shaded Background
Sunlit Background
Multiple Scattering
Sky diffused light
-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
Sunlit crown
Shaded crown
Sunlit background
Shaded background
Airborne POLDER data acquisition
Forward Scattering Nadir View
Backward ScatBiblioteka Baiduering
5-Scale was used for NDVI directionality study
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 -90
Principal plane
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。
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
（3）背景阴影面积（斜阴影条）： 三块面积之和为：
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。
《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
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
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
grass random
broad leaf clumped
needle leaf most clumped
BRDF： Bidirectional Reflectance Distribution Function
Backward Principal Solar Plane B
Nadir
Forward