第六章 冠层反射率模型-辐射传输

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与大气相比，植被中的辐射传输过程要复杂得多，这集中 表现在两点：
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上均有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。在本节 中，我们考虑连续植被分布，或者植被个体间虽有间 断，但却均匀分布（其体现的效果相当于个体密度之 和在整个平面上的平均），这时植被叶片密度呈平面 平行分布。这种假设符合农作物、自然草场以及一些 较密的森林的状况。
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植被遥感传输理论的三个里程碑成果：
• 1950年，Chandrasekhar给出辐射传输方程的具体表达式， 并在大气和核物理等研究领域迅速得到应用和发展。 • 1953年，门司正三和佐伯敏郎（Monsi and Saeki）从实 测测定和理论推导两方面建立了光强对叶面积的依赖关系。 其中所采用的理论就是辐射传输的基本定律—BeerLambert消光定律，从而开始了用辐射传输理论对植被冠 层的研究。 • 1975年，在总结前人多年工作的基础上，Ross出版了他 的论著（俄文版），正式确定了植被内部的辐射传输方程， 进而建立植被光学特性和结构特性与辐射场之间的关系。
如果我们遥感专业的研究生只懂植被指数，那么遥感专业就可以取消了。
Fra Baidu bibliotek
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但是不可否认的是，遥感也象其它学科一样，经历着从简 单到复杂、从定性到定量的发展过程和发展趋势，尤其是 作为一门新兴学科，更是如此。以植被指数、光谱-地物相 关方法为代表的工作是在实验数据和感官经验的基础上完 成的，缺乏一套有力完整的理论体系作支撑，因而是经验 或半经验的。其理论基础是统计相关，其根本弱点在于主 观性和片面性，具有数据的局限性和结果的难以重复性。 随着遥感定量化呼声日高和遥感手段的日益丰富完备，迫 切需要发展有物理意义的理论模型，解决植被遥感中存在 的问题和不足。
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我们如何定量地研究植被覆盖区域的反射特征？
植被遥感中，从一开始就被普遍认同和采用的方法 是，利用植被反射光谱在可见光和近红外波段上明 显的不同，构建遥感植被指数，在研究纠正植被形 态、土壤光学特性、太阳位置以及云和大气等影响 的基础上，反演地表状况，用以与各种植被变量 （包括LAI）、植株生物量、植被覆盖度、光合组织 总量、光合有效辐射和初级生产力等因子进行相关。 这种方法抓住了植被的光谱特征，简单而明确，具 有很强的实用性，易于为大多数研究者所接受。目 前开展的大部分植被遥感的研究工作都是从这方面 展开的。
K e [ a ( i , i ) a ( v , v ) O ( i , v , ) G
a(θv,φv)
a(θi,φi) O(θi,θv,φ)
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辐射传输模型
植被遥感接收的信息是植被上界的出射辐射（不考 虑大气影响），它是辐射在植被—土壤耦合体系中 多次散射和吸收的结果，而辐射传输理论可以比较 系统、较完整地描述该过程。通过辐射传输理论， 我们可以准确地计算植被上界的出射辐射量，或根 据这一信息反演植被的光学特性和结构特性，因而 从理论的高度解决了植被遥感的定量化问题。同时 在解决问题的过程中，还可以借鉴许多辐射传输理 论的最新进展和突破，从而将使这一领域充满活力。
其中第一个属于遥感数字图象处理研究范畴，后两个属于 遥感物理研究范畴，而中间两个则属于二者交叉研究范畴。
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在冠层反射率模型中，通常分为两类，即几何光学模型与 辐射传输模型。
之所以分成两类模型，主要是由于地面的植被（在生态学 上就是森林、草地、农作物）主要有两种外在形态。一种 是几何特征明显（如树木、灌丛、成垄分布的农作物等）， 另一种则无明显几何特征（如大面积的草地、已封垄的农 作物等）。
遥感物理
第五章 植被遥感模型
第三节 冠层反射率模型—辐射传输模型 Canopy Reflectance (CR) Model – Radiance Transfer Model
√ §5.3.1 冠层反射率模型 §5.3.2 植被辐射传输中常用参数 §5.3.3 植被辐射传输方程及解 §5.3.4 Nilson–Kuusk模型
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• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象 （浓云反射也存在这种现象），即当观测方向与辐射 方向正好相反时，出现较强的反射亮度。
当然，由于相互融合，两类模型现在已经区分不明显了， 即以几何光学为基础的模型加入了对多次散射的考虑，而 以辐射传输为基础的模型加入了对热点现象的考虑。
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热点 (hot spot) 现象
所谓热点(hot spot)现象，即当传感器与太阳位于同 一方向时，传感器所接收的地面辐射最强（地面反 射率最大、地面光强最强、最热）。 几何光学模型可以较好地解释热点现象。
可以这样认为，混合象元是二维的，冠层反射率模型是三 维的。
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如果从遥感分析的角度，我们可以依据尺度由大向小排列 顺序如下：
• 象元之间的关系，即遥感影象上的纹理特征； • 象元本身的属性，如根据象元光谱特征，进行分类； • 混合象元，即判断象元内部各种地物所占比例； • 端元（冠层）反射，表征端元内部由于辐射进入， 或邻近遮挡而引起的辐射变化； • 材料波谱，如叶片内部各组分的结构与光谱特征。
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在研究植被等地物的光谱特征时，人们逐渐发现了“同物 异谱、异物同谱”的现象，地面测量的光谱曲线与实际遥 感测量的光谱曲线很难一一对应。研究者考虑到这种现象 可能是混合象元引起的，于是引进了混合象元模型及其求 解方法。在混合象元中，植被的反射率是已知的。
但是实际上，由于植被反射率是由叶片、下层土壤等形成 的综合因素，即植被区域不是一个平面刚体，辐射是可以 穿过冠层表面的，通过各种散射后，再从冠层上界逸出， 被传感器所接收。因而形成冠层反射率模型。