植被BRDF模型,FAPAR遥感反演

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三、植被BRDF模型—概述
（逆向拟合） （正向模拟） 将植被冠层分为三种类型：
遥感数据
模型选择
反演方法
应用
连续植被
行播作物
离散植被
辐射传输模型（RT）
RT或GO模型
几何光学模型(GO）
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三、植被BRDF模型—概述
结构参数：
• 总的长、宽、高
• LAI(leaf area index)
• FAVD(Foliage area volume density)：某一高度上单位体积内 叶面积的总和，单位1/m。
LAI2000 LAI2200
7/17/2015
15 15
二、LAI地面测量方法
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三、植被BRDF模型
• 概述 • BRDF模型研究进展
• 植被二向性统一模型
17 17
Directional Radiative Transfer Model
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Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF)
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（图片来源：http://rami-benchmark.jrc.ec.europa.eu/HTML/RAMI-IV/RAMI-IV.php）
植被二向性反射统一模型 • 出发方程
• 群聚效应 • 离散植被BRDF模型
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三、植被BRDF模型—统一模型
出发方程
不论连续植被还是离散植被，目标对太阳辐射的反射率可近似表达 为一次散射和多次散射的贡献之和 1 m
北京大学暑期研究生定量遥感精品课程班
植被叶面积指数与FAPAR遥感反演 ——植被BRDF模型与LAI反演
范闻捷 (fanwj@) 北京大学遥感所 2015.7.16
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1
主要内容 1. 概述
2. LAI野外测量 3.植被BRDF模型
4. 植被LAI反演算法
2
2
一、概述
“十八大报告”中明确提出了 “把生态文明建设放在突 出地位，努力建设 美丽中国 ，实现中华民族永续发展。” 植被是陆地生物态系统的主体，是全球生态系统的重要 组成部分。
多次散射项
基于能量守恒原理的多次散射模型
m (1 )ssbs swbs (1 )ssgs swgs
ssbs = i0l2 p(1 p) 1 l p
Kz e
G (v ) LAI uv
e
G (i ) G (v ) G (i ) G (v ) ( W ) LAI ui uv ui uv
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三、植被BRDF模型—统一模型 群聚条件下的BRDF模型
不同类型植被具有共同的物理基础


1
m
G H P exp 孔隙率的计算公式为 0 udz
四分量面积比例
可视土壤
可视叶片
Kc+Kt
Kg
Kz
Kc
Kg+Kz
求取四分量
P e
G LAIa

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一、概述
目前反演叶面积指数的方法借助角度和光谱的信息， 其反演方法有以下几种:
植被指数
遥感影像 物理模型
光谱信息 物理模型 （几何光学 模型、辐射 传输模型 物理模型
角度信息 Directional Index
叶面积指数
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二、LAI地面测量方法
3
一、概述

我国国情： 全国森林和城镇生态系统面积增加，灌丛、草地、荒漠、 农田生态系统面积减少。 全国生态系统格局变化主要受人为活动因素驱动，城镇化 区、退耕还林集中区、农业扩张区等地区生态系统格局变 化剧烈。 全国天然林面积减少、草地退化、沙化严重、自然生态系 统人工化加剧。生态保护重要区域人类活动干扰增强。
孔隙率
Kt
Kg
Kc
Kz
双向孔隙率
Kt
孔隙率
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模型验证
研究区域
我国第二大内陆河流域黑河流域中部的甘肃省张 掖市盈科灌区 ，主要以玉米和小麦种植为主
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验证数据
叶片光谱测量
多角度BRDF观测 手工法测LAI
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28/4 28 1
Kc 1 e
Kt e
G (i ) G (v ) WLAI ui uv
G ( ) v v LAI uv
G (i ) G (v ) WLAI ui uv
e
三、植被BRDF模型—统一模型
Kg
Kz
Kc
K g K c Kt K z =1
双向孔隙率
• 直接测量方法——收割法,称重法 • 孔隙率估算方法
– LAI2000 – 鱼眼相机 – TRAC
13 13
二、LAI地面测量方法
• 直接测量方法：
– 收获植被并且在有限的区域内测量所有 叶子的面积，农作物与草原等冠层结构 较小的作物，破坏器测量假设条件：叶片不透光，且无反射 ；叶片排列是随机的；叶片面积相对每环 的观测范围是很小的；叶片的位置分布是 随机的
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三、植被BRDF模型—统一模型
LAI相对方差
对于一个特定的植被冠层，是否 均匀与方向有关，并且只与垂直 于光线方向上叶片的群聚有关， 如果能够描述并量化叶片在垂直 某一特定方向上的群聚，便可试 图探寻其与尼尔逊参数的关系
r
V LAI LAI
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三、植被BRDF模型—统一模型
尼尔逊参数与LAI相对方差之间的关系
4
一、概述
我国国情： 山地占国土面积的2/3，地形复杂、地块破碎、类型多样、属 性多变
我国植被分布区域特征明显、类型多样，遥感是 不可替代的 重要监测手段
遥感观测地表反射率误差达到10-15%； 阴影的存在严重影响植被参数监测精度；
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一、概述
要求全方位、快速、准确的遥感植被动态。
Li-Strahler模型 四尺度几何光学模型 考虑坡度的GOST模型 （FAN WL,2013）

PT
area ratios of the sunlit foliage area ratios of the sunlit background
PG
PZT
PZG
area ratios of the shaded foliage area ratios of the shaded background
在森林、城市、生态保护重要区域、生态边缘区
等较为复杂的地区实现准确、定量遥感监测。
为全球变化研究提供输入数据。为生态环境的管
理提供数据支撑。
6
6
一、概述
叶面积指数是描述植被结构的重要参数，是估计陆地
表面植被生理过程（光合作用，呼吸作用）以及生态 系统初级净生产力（NPP）关键参数 遥感具有大面积、实时、动态观测的特点，为反演区 域LAI提供了有效的途径
一次散射项
几何光学模型 以叶片为计算四分量面积比例的参考量
1 Kc v (1 ) Kt v K g g (1 ) K z g
Kg e
( G (i ) G ( v ) G (i ) G ( v ) W ) LAI ui uv ui uv
DASF（ directional area scattering factor ）（ Knyazikhina，
The canopy structure and optical properties of the leaves in the canopy are the dominant factors that determine the spectral BRF.
0
H
其中，u 为叶面积体密度函数，H为冠层高度。 真实叶面积指数 平均叶面积指数 有效叶面积指数
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有效LAI与聚集指数
根据泊松公式 当叶片随机分布时：
Gi ,v LAIa
Pe

e
i ,v
植被树冠或植被元素在空间的分布有可能 偏离“随机分布”，比如“群聚”或者均 匀分布 LAIe LAIa
i0 DASF () 1 p
25
25
三、植被BRDF模型—研究进展
BRDF模型研究进展——计算机模拟模型
RAMI真实场景
a) 圆柱状、球状离散分布场景 b) 真实阔叶林场景（意大利北部短期轮伐林） c) 真实针叶林场景（瑞士东部 冬季松林）
a) 意大利北部短期轮伐森林
b) 瑞士松林（冬）
遥感反演LAI受大气、土壤背景和冠层非各向同 性等类因素影响，LAI反演精度往往不能满足要
求。
7
一、概述
全球主要叶面积指数产品信息
8
Ever. Needle. Forest (WatsonLake, Yukon, Canada) 常绿针叶林 （Watson Lake， Yukon ， Canada ）
Pgap e
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31
三、植被BRDF模型—统一模型
G LAI P , exp
G LAI a P , exp 1
G LAI a P , exp 2
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三、植被BRDF模型—统一模型
尼尔逊参数
对于一个均匀无限的冠层，假设叶片随机分布，当 一束光线穿过植被冠层，可以用Poisson模型 （Nilson，1971）来计算孔隙率
Pgap e
G LAI

如果叶片发生群聚，叶片间相互遮阴的概率增加， 光路上有效截光面积减少，导致利用Poisson模型 估算的孔隙率会低估实际的值 G LAI
可视叶片光照面 可视土壤光照面 可视叶片阴影面
Kt
视场
可视土壤阴影面
孔隙率
29 29
三、植被BRDF模型—统一模型
群聚效应
植被冠层类型是宏观几何 特征的描述 不同类型植被冠层可以看 做是叶片在不同尺度上发 生群聚的结果 叶片群聚量变引起质变， 导致植被冠层类型发生变 化 群聚是联系不同植被类型 冠层之间的桥梁
5 4.5 4 3.5 3
LAI
2.5 2 1.5 1 0.5 0 Jan
2002
Dec Jan
month
2003
Dec
不同叶面积指数产品的显著差异
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一、概述
植被LAI定义
叶面积指数 ： 地表单位面积柱体内叶子表面积的一 半与地表面积之比(Chen & Black,1992)。
LAI udz
23 23
三、植被BRDF模型—研究进展
BRDF模型研究进展——遥感辐射传输建模
辐射传输模型——均质，一维 三维辐射传输模型——引入光谱不变指数， 考虑地形坡度影响 v i
q1
冠层上界面
p
a
q2
冠层下界面 土壤背景
24
24
三、植被BRDF模型—研究进展
2012，PNAS）
BRDF模型研究进展——遥感辐射传输建模
坡面林地BRDF
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三、植被BRDF模型—研究进展
BRDF模型研究进展——几何光学建模
坡面GOST模型（ Fan Weiliang et al, 2014 ）
• 山区坡度对植被光学特性有显著的影响
光照叶片
光照土壤
考虑山区的坡度、坡向、 阴影等因素，结合DEM 的GOST模型。
阴影叶片
阴影土壤
坡度对四分量的影响分析
• LAD(Leaf Angle Distribution )：叶面的法线方向的概率分 布，通常只考虑倾角。
光学参数：
•
叶片反射率、透过率； 土壤表面反射率
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三、植被BRDF模型—研究进展
BRDF模型研究进展——几何光学建模
BRF ( ) rT ( ) PT rG ( ) PG rZT ( ) PZT rZG ( ) PZG
id l2 p(1 p) swbs 1 l p
(1 i0 )2 g2 rc2 (1 i0 ) g tc tc gTc ssgs 1 g rc 1 g rc 1 g rc
swgs (1 id )2 g rc (1 id ) g tc (tc 1 id )tc g 1 g rc
Backward
0 . 1 2 0 . 1 0 0 . 0 8 0 . 0 6 0 . 0 4
Nadir Principal Solar Plane B N
6 0 3 0 0
Forward
ReflctanihRedBan
0 . 0 2 0 . 0 0 9 0
F
3 0 6 0 9 0
V i e w Z e n i t h A n g l e