植被遥感上机课程-植被辐射传输模型

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
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
植被辐射模型上机课程
焦全军 jiaoqj@
1
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
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
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 ）
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。
• 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
32
• 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
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
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
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
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.
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
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
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。
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
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.
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）
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
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源自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。
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：
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PROSPECT（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）
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。
(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
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）
特定角度的高光谱模式
-90度 不 同 的 观 测 角 90度 波长（nm）
57
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
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