光学遥感与热红外遥感模型

第二章光学遥感与热红外遥感模型

2.3 植被冠层反射模型

2.3.3 几何光学模型

几何光学原理很早就用于解释天文观测中粗糙表面的方向性反射现象，林、农学家也曾应用实物园锥、椭球、园柱来模拟单株或规则排列的作物在不同行向、行距、株距组合时对不同入照方向直射光的截获。

Egbert(1976)和Otterman(1981)较早引用几何光学的数学模型到植被的BRDF研究，但他们的模型假定植株为很小的几何体且每像元内有大量的植株，因而未能突出几何光学(Geometric-optical model, GO)模型在不连续植被BRDF上的优势。

第二章光学遥感与热红外遥感模型

2.3 植被冠层反射模型

2.3.3 几何光学模型

与辐射传输(RT)模型基于微体积内散射方程不同，几何光学模型基于“景合成模型”，即从遥感像元的观测尺度出发，将像元视场的总亮度，看做是：在观测器视场内，一部分是太阳光承照面，一部分在阴影中，而观测的结果是二者亮度的面积加权和。

Jackson等(1972)提出了行作物的四分量模型（承照植被、阴影中植被、承照地面和地面阴影）。李一Strahler(1985，1986)根据稀疏林的实际情况，抛弃了“小几何体”假定，直接用森林结构参数计算四个分量随太阳角和观察角变化，建立了遥感像元尺度的天然林BRDF模型。

第二章光学遥感与热红外遥感模型

2.3 植被冠层反射模型

2.3.3 几何光学模型

影响植被冠层的光学遥感信号的因素主要有：

（１）植被冠层组分（叶、枝、杆）的光学特性；

（２）冠层下背景（下垫面，如土壤、苔藓）的光学特性；

（３）植被组分的角度分布特性；

（４）植被组分的空间分布。

其中后两个因素主要取决于冠层结构。

将叶片层看做混浊介质的辐射传输模型，可以描述（１）（２）和（３），而几何光学模型则强调（４）在解释遥感信号中的作用，因而可以很好表述以上全部４个因素的作用，对空间结构明显的植被遥感信号的解释有优势。

第二章光学遥感与热红外遥感模型

2.3 植被冠层反射模型

2.3.3 几何光学模型

植被遥感的几何光学模型大致可分为两类：

1）用几何光学原理计算植被冠层的承照面积比和阴影面积比，用经验参数或测量数据确定冠层组分的光学特性。

2）用平均透射理论或用简化的辐射传输方程，针对辐射衰减的计算假定某些叶分布，再计算植被冠层的辐射特性。

几何光学模型的特色是，从遥感像元的尺度上考虑模型。GO模型的优势在于，它能够将十分复杂的3维结构植被冠层和多种尺度的像元反射，简化为两个方向的投影（光照方向和观察方向）、和一个景合成的问题来解决。因而特别适合于处理离散植被，如描述不同密度的森林。

第二章光学遥感与热红外遥感模型

2.3 植被冠层反射模型

2.3.3 几何光学模型

典型的几何光学模型为景合成模型，即：

()()()

i i R v k v R v =∑其中，R(v) 为冠层的反射率，v表示为光照方向和观察方向的函数，R i (v) 为冠层组分的反射率，K i (v)表示为冠层结构参数的函数。

典型几何光学模型有：间隙率模型(Pgap 模型)，考虑到光照和观察方向不同条件下树冠交互阴影的几何光学模型(GOMS)，考虑多次散射效应的几何光学与辐射传输混合模型（GORT ），四尺度模型等。

第二章光学遥感与热红外遥感模型

2.3.3 几何光学模型

1. 间隙率模型

间隙率模型属于上述2类几何关学模型中的后一类，即用平均透射理论或用简化的辐射传输方程假定某些叶分布，再确定植被的辐射分布。

间隙率模型的典型表达式为：

/()KLs D s

gap P s e e τ−−==其中，s 为直射光穿过冠层内的路径长度，τ= KL/D 取决于叶面密度和叶倾角分布（LAD ）。K 为叶倾角分布函数决定的系数，当冠层植被的叶倾角呈球面均匀分布时，K=1/2。L 为叶面积指数(Leaf Area Index ，LAI)。D 为冠层平均深度=冠层体积V/垂直投影面积B 。L/D 表示叶面积体密度(Foliage Area Volume Density ，FAVD)，即单位体积单元中的叶面积和，单位为1/m.

第二章光学遥感与热红外遥感模型

2.3.3 几何光学模型

1. 间隙率模型

间隙率模型很容易写成对数形式：

ln()gap P s b

τ=−+由于冠层的间隙率的物理意义明确，是可以直接测量的，如将LAI、LAD作为整体来估计，采用最小平方回归算法，就可以通过上式估计τ和 b.

第二章光学遥感与热红外遥感模型

2.3.3 几何光学模型

1. 间隙率模型

考虑到间隙率观测的方向性，又考虑叶面积体密度在冠层中的分布，假定分布函数为FAVD = L(x,y,z),则有：

这样就可以从冠层间隙率的测量数据，重构树冠内叶面积体密度的空间分布。

()()LK S

gap P e

θθ−=反演模型为：

()ln(())(,,)()gap Ray P L x y z K ds

θθθ=−∫

第二章光学遥感与热红外遥感模型2.3 植被冠层反射模型

2.3.3 几何光学模型

地面树冠结构参数测量

用鱼眼/广角图像获取冠层的多角度观测信息,反演针

叶树的叶面倾角分布,及其与直接测量数据的比较。

测量值

估计值

θ

蜀桧测量和计算的LAD图

广角摄像数字化图像等天顶角线图像

底视广角多视点观测图像的树冠断层像。用多角度观

测重构树冠的几何形状和叶面积体密度的空间分布。

证明确实可以从多角度观测中提取目标更详细的信息,

实现类似于医学诊断从X光片到C T的飞跃。

Height: 210cm 200cm 190cm 180cm 170cm 160cm 150cm 140cm Height: 130cm 120cm 110cm 100cm 90cm 80cm 70cm 60cm