基于SAIL模型的多角度多光谱遥感叶面积指数反演
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通过 PROSPECT模型获取的植被叶片反射率 和透射率 ,以及多角度观测数据 、叶面积指数 LA I、 叶倾角分布 LAD (Leaf angle inclination distribution) 等其它参数输入 SA IL 模型 ,即完成了从地面植被理 化 、几何参数和光谱特性获得的多角度多光谱植被 冠层反射率的过程 ,最终得到叶面积指数 LA I与多角 度多光谱冠层反射率之间的关系 ———查找表 。遥感 影像通过几何纠正和角度计算 ,获得了多角度多光谱 遥感数据 ,再经过大气纠正 ,就得到了多角度多光谱 地表植被冠层反射率 。将查找表与遥感影像得到的 多角度多光谱地面植被冠层反射率匹配起来 ,就将多 角度多光谱遥感影像与 LA I通过物理过程联系起来 , 从而实现了 LA I反演过程 ,具体流程如图 1所示。
选取了能完全覆盖研究区的 6幅影像 ,获取时 间均为北京时间 11∶58AM ,各景之间获取时间相差 不超过 20 s。根据研究区中心点地理坐标和观测时 间 ,计算出太阳天顶角和方位角为 24°24′15″和 125° 41′28″,并分别计算 6 幅影像中心点的观测天顶角 和方位角 ,如表 1。最终得到 6 个观测角 、4 个波长 的 24幅多角度多光谱遥感影像 。
1 模型与方法
1. 1 SA IL 模型 基于求解辐射传输方程的 KM 理论发展而来的
计算冠层反射率的正向模型中 , Suits模型将太阳光 照和观察角的变化计入模型 ,所以可以用于模拟多 角度数据〔11〕。该模型将冠层反射与植被冠层的结 构特征 和 光 谱 特 征 相 联 系 , 而 SA IL 模 型 则 是 在 Suits模型的基础上 ,以接近现实的任意取向的叶子 去代 替 Suits 模 型 的 水 平 投 影 与 垂 直 投 影 , 使 得 SA IL 模型比 Suits模型更接近观测数据〔12〕。它们 有相同的求解方程 ,不同的是 SA IL 模型的参数中增 加了叶倾角的影响 。 SA IL 模型是一维的适合于浑 浊介质 (或连续植被 )的辐射传输方程 ,这与玉米生 长中后期的冠层结构是一致的 ,并且关于 SA IL 模型
天顶角 方位角
1 27 ° 7°
2 21° 21°
3 16 ° 45 °
4 Βιβλιοθήκη Baidu6° 78°
5 20° 256°
6 26° 241 °
采用 6S ( Second Sim ulation of the Satellite Signal
in the Solar Spectrum )大气辐射传输模型获取相应
国内利用多角度遥感数据 ,并基于物理机理的 植被冠层模型反演 LA I的研究仍属少数 ,可能的原 因是 : (1)模型反演需要的同步地表物理参数较多 , 如土壤反射率 、植被的冠层结构 、光谱属性等 ; ( 2 ) 高空间分辨率多角度数据的匮乏 ,目前的多角度传 感器 (如 M ISR , ASTER , ATSR 等 )的分辨率都较低 , 大大影响模型参数的设置和反演的精度 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
9 4 干 旱 区 地 理 33卷
为大气球面反照率
;
L
3 a
为大气程辐射进入传感器的
辐射亮度 (W ·m - 2 · sr- 1 ·μm - 1 ) ; Fd 为从太阳到
地面的下行辐射 (W ·m - 2 ·μm - 1 ) ; T为从地面到
传感器的上行辐射透过率 。
图 3 为 研 究 区 内 (观 测 天 顶 角 27°, 方 位 角
关 键 词 : 多角度 ; 多光谱 ; SA IL; LA I; 反演 中图分类号 : TP79 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 6060 (2010) 01 - 0093 - 06 (93～98)
叶面积指数 (Leaf A rea Index, LA I)是指单位地 表面积上的叶片面积的总和〔1〕, 是陆地生态系统的 一个十分重要的结构参数 , 也是农学上反映作物长 势与预报作物产量的一个重要参数 。目前获取大范 围或区域的 LA I主要通过遥感手段 , 很多学者基于 遥感数据的光谱信息 , 建立了 LA I遥感反演的算法 和模型〔2 - 5〕。
PRO SPECT是一个基于 A llen等〔14〕的平板模型 的辐射传输模型 ,它表述了植株叶片从 400 nm 到 2 500 nm 的光学特性而得到叶片的反射率和透射 率 。平板模型基于两个假设 : ( 1 )叶片是一个紧密 的平板 ,均匀地充满了吸收和散射物质 ; ( 2)平板表 面是个朗伯面 。这个模型已成功地用于模拟紧密 (没有空气和细胞间隔 )的玉米叶片 。该模型需要 4 个参数 : a (入射角 ) , n (折射指数 ) , T (平板透射系 数 )和 N (结构参数 ) 。尽管 a取决于反射表面的几 何性质 ,而且通常也随着植株的不同而不同 ,但本文 中 , 取它的最优值 a = 59°, 折射指数 n 取 Jacque2 moud等模拟得到的叶肉界面物质的近似值 1. 4〔15〕。 叶片的透射是由叶片的生化组分含量 (用 C 表示 , 包括叶绿素 、水 、干物质等 )所决定的 , 因此当我们 将参数 a、n 固定后 , PROSPECT最终只需要两个输 入参数 :结构参数 N 和生化组分含量 C。 1. 3 反演方法和流程
近年来随着多角度遥感技术的发展和广泛应 用 ,遥感数据的多角度信息得到越来越多的关注和 应用 。多角度遥感通过对地面目标多个方向的观 测 ,丰富了目标的观测信息 ,如地物的立体结构特征 信息 ,因而具备求 解如 LA I 等植 被结 构参 数的 潜 力〔6 - 9〕,而且有可能避免传统遥感面临的“异物同 谱 、同物异谱 ”的困难 。
① 收稿日期 : 2009 - 02 - 16; 修订日期 : 2009 - 05 - 19 基金项目 : 中科院对外合作重点项目 ( GJHZ200805) ;科技部国际科技合作项目 (20071493) ;国家自然科学基金项目 (40871169). 作者简介 : 刘照言 (1983 - ) ,女 ,黑龙江人 ,硕士研究生. 主要从事多角度遥感图像处理与应用方面的研究工作. Email: zyliu@ aoe. ac. cn
的验证已比较成熟〔13〕。本文采用 SA IL 模型模拟玉 米样地的多角度多光谱数据 ,模型的输入参数包括 : 光谱参数 ———叶片透过率与反射率和土壤反射率 ; 结构参数 ———叶面积指数和平均叶倾角 ; 环境 参 数 ———太阳入射辐射中的漫散射天空光所占的份 额 ,太阳天顶角 、方位角 ,观测天顶角 、方位角和观测 时间 。其中叶片透过率和反射率可以用 PROSPECT 模型来模拟得到 ,其它参数需要实地测量和计算 ,或 利用现有的数据库来近似 。在后面的模型反演过程 中将详细介绍各参数的设置 。 1. 2 PROSPECT模型
图 2 盈科玉米样地假彩色合成图像 Fig. 2 Pseudo2color image of Yingke corn field data
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
图 1 多角度多光谱遥感数据反演 LA I流程图 Fig. 1 Flow chart of inversion of LA I by using
multi2angle and multi2spectral remote sensing data
2 数据分析与处理
2. 1 样地概况和实验数据 盈科绿洲试验区位于甘肃省张掖市以南 8 km ,
本文依托“黑河综合遥感联合试验 ”数据〔10〕, 以森林水文与干旱区水文试验的主要实验区 ———甘 肃盈科绿洲试验区为 例 , 基于 SA IL ( Scattering by A rbitrarily Inclined Leaves)模型 ,利用航空多角度多 光谱遥感数据 ,开展实验区玉米样地的 LA I反演 。
海拔 1 519 m ,是典型的农业生态区 ,主要作物为种 植玉米 、大田玉米和小麦〔16〕。本文的研究对象为该 实验区的玉米样地 ,大小为 185 m ×180 m ,位于 38° 51′28. 35″N、100°14′33. 84″E～38°51′22. 42″N、100° 24′41. 39″E之间 ,主要作物为种植玉米 ,间有少量小 麦 。本文主要选用的是 2008 年 7月 7 日的航空飞 行试验数据及相关的地面实测数据 ,包括多角度红 外 /CCD 相机飞行同步实验数据 ,叶绿素数据 、覆盖 度和结构参数数据等 ,此外还参考了 6月 16日的实 测土壤反射率数据和 7月 2日的实测 LA I数据 。图 2为 650 nm、750 nm、550 nm 波段假彩色合成的盈 科玉米样地图像 ,图中绿色为种植玉米 ,粉色为麦茬 地 ,白色为房屋和道路 。
第
33卷 第 1期 2010年 1月
AR
干旱区地理
ID LAND GEOGRA
PH
Y
VJoal.n.33 2N01o.0 1
基于 SA IL 模型的多角度多光谱遥感叶面积指数反演①
刘照言 1, 2 , 马灵玲 1 , 唐伶俐 1
(1 中国科学院光电研究院 , 北京 100190; 2 中国科学院研究生院 , 北京 100049)
1期 刘照言等 :基于 SA IL模型的多角度多光谱遥感叶面积指数反演 9 5
2. 2 遥感影像数据处理 多角度 CCD 相机有四个波段 , 其波长分别是
550、650、700、和 750 nm (带宽为 40 nm ) ,空间分辨 率为 1. 25 m。最大观测天顶角为 30°,用几何精纠 正后的 2. 5 m SPOT5 图像为参考底图进行了几何 纠正 。
的大气纠正参数 ,再根据经验公式 ( 1 )反推出地表
反射率 ,从而完成大气纠正 。
假设地面为朗伯面 ,则在传感器处接收到的单
像元光谱辐射亮度可以表示为 :
L3
=
L
3 a
+π
ρFd T ( 1 - ρS
)
,
(1)
式中 : L3 为在传感器处接收到的单个像元的辐射亮
度 (W ·m - 2 ·sr- 1 ·μm - 1 ) ;ρ为像元地表反射率 ; S
图 3 典型玉米像元的辐射亮度与反射率 (天顶角 27°,方位角 7°)
Fig. 3 Radiance and reflectance of typ ical corn p ixel
表 1 计算得到的 6幅影像中心天顶角和方位角 Tab. 1 Zen ith and az im uth of images cen ter
摘 要 : 随着多角度传感器的陆续出现及植被遥感传输机理研究的深入 ,多角度遥感逐渐成为地 表信息反演的热点问题 。以 SA IL 冠层反射率模型为基础 ,通过联合多角度和多光谱数据 ,可以从 物理机理角度进行植被叶面积指数 (LA I)反演的应用研究 。首先通过计算得到多角度多光谱遥感 影像的角度信息 ,并经 6S模型纠正后得到多光谱多角度植被冠层反射率数据 。然后将 PROSPECT 模型模拟出的植被叶片反射率和透过率 ,以及多角度观测数据 、LA I和其它实测数据输入 SA IL 模 型 ,模拟得到了多角度多光谱冠层反射率 ,进而建立多角度多光谱冠层反射率与 LA I的查找表 。最 后 ,将影像的多角度多光谱冠层反射率与查找表进行匹配 ,实现植被 LA I的反演 。最后对反演结果 进行了验证和分析 ,结果表明反演精度较高 ,误差均在合理范围之内 。
选取了能完全覆盖研究区的 6幅影像 ,获取时 间均为北京时间 11∶58AM ,各景之间获取时间相差 不超过 20 s。根据研究区中心点地理坐标和观测时 间 ,计算出太阳天顶角和方位角为 24°24′15″和 125° 41′28″,并分别计算 6 幅影像中心点的观测天顶角 和方位角 ,如表 1。最终得到 6 个观测角 、4 个波长 的 24幅多角度多光谱遥感影像 。
1 模型与方法
1. 1 SA IL 模型 基于求解辐射传输方程的 KM 理论发展而来的
计算冠层反射率的正向模型中 , Suits模型将太阳光 照和观察角的变化计入模型 ,所以可以用于模拟多 角度数据〔11〕。该模型将冠层反射与植被冠层的结 构特征 和 光 谱 特 征 相 联 系 , 而 SA IL 模 型 则 是 在 Suits模型的基础上 ,以接近现实的任意取向的叶子 去代 替 Suits 模 型 的 水 平 投 影 与 垂 直 投 影 , 使 得 SA IL 模型比 Suits模型更接近观测数据〔12〕。它们 有相同的求解方程 ,不同的是 SA IL 模型的参数中增 加了叶倾角的影响 。 SA IL 模型是一维的适合于浑 浊介质 (或连续植被 )的辐射传输方程 ,这与玉米生 长中后期的冠层结构是一致的 ,并且关于 SA IL 模型
天顶角 方位角
1 27 ° 7°
2 21° 21°
3 16 ° 45 °
4 Βιβλιοθήκη Baidu6° 78°
5 20° 256°
6 26° 241 °
采用 6S ( Second Sim ulation of the Satellite Signal
in the Solar Spectrum )大气辐射传输模型获取相应
国内利用多角度遥感数据 ,并基于物理机理的 植被冠层模型反演 LA I的研究仍属少数 ,可能的原 因是 : (1)模型反演需要的同步地表物理参数较多 , 如土壤反射率 、植被的冠层结构 、光谱属性等 ; ( 2 ) 高空间分辨率多角度数据的匮乏 ,目前的多角度传 感器 (如 M ISR , ASTER , ATSR 等 )的分辨率都较低 , 大大影响模型参数的设置和反演的精度 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
9 4 干 旱 区 地 理 33卷
为大气球面反照率
;
L
3 a
为大气程辐射进入传感器的
辐射亮度 (W ·m - 2 · sr- 1 ·μm - 1 ) ; Fd 为从太阳到
地面的下行辐射 (W ·m - 2 ·μm - 1 ) ; T为从地面到
传感器的上行辐射透过率 。
图 3 为 研 究 区 内 (观 测 天 顶 角 27°, 方 位 角
关 键 词 : 多角度 ; 多光谱 ; SA IL; LA I; 反演 中图分类号 : TP79 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 6060 (2010) 01 - 0093 - 06 (93～98)
叶面积指数 (Leaf A rea Index, LA I)是指单位地 表面积上的叶片面积的总和〔1〕, 是陆地生态系统的 一个十分重要的结构参数 , 也是农学上反映作物长 势与预报作物产量的一个重要参数 。目前获取大范 围或区域的 LA I主要通过遥感手段 , 很多学者基于 遥感数据的光谱信息 , 建立了 LA I遥感反演的算法 和模型〔2 - 5〕。
PRO SPECT是一个基于 A llen等〔14〕的平板模型 的辐射传输模型 ,它表述了植株叶片从 400 nm 到 2 500 nm 的光学特性而得到叶片的反射率和透射 率 。平板模型基于两个假设 : ( 1 )叶片是一个紧密 的平板 ,均匀地充满了吸收和散射物质 ; ( 2)平板表 面是个朗伯面 。这个模型已成功地用于模拟紧密 (没有空气和细胞间隔 )的玉米叶片 。该模型需要 4 个参数 : a (入射角 ) , n (折射指数 ) , T (平板透射系 数 )和 N (结构参数 ) 。尽管 a取决于反射表面的几 何性质 ,而且通常也随着植株的不同而不同 ,但本文 中 , 取它的最优值 a = 59°, 折射指数 n 取 Jacque2 moud等模拟得到的叶肉界面物质的近似值 1. 4〔15〕。 叶片的透射是由叶片的生化组分含量 (用 C 表示 , 包括叶绿素 、水 、干物质等 )所决定的 , 因此当我们 将参数 a、n 固定后 , PROSPECT最终只需要两个输 入参数 :结构参数 N 和生化组分含量 C。 1. 3 反演方法和流程
近年来随着多角度遥感技术的发展和广泛应 用 ,遥感数据的多角度信息得到越来越多的关注和 应用 。多角度遥感通过对地面目标多个方向的观 测 ,丰富了目标的观测信息 ,如地物的立体结构特征 信息 ,因而具备求 解如 LA I 等植 被结 构参 数的 潜 力〔6 - 9〕,而且有可能避免传统遥感面临的“异物同 谱 、同物异谱 ”的困难 。
① 收稿日期 : 2009 - 02 - 16; 修订日期 : 2009 - 05 - 19 基金项目 : 中科院对外合作重点项目 ( GJHZ200805) ;科技部国际科技合作项目 (20071493) ;国家自然科学基金项目 (40871169). 作者简介 : 刘照言 (1983 - ) ,女 ,黑龙江人 ,硕士研究生. 主要从事多角度遥感图像处理与应用方面的研究工作. Email: zyliu@ aoe. ac. cn
的验证已比较成熟〔13〕。本文采用 SA IL 模型模拟玉 米样地的多角度多光谱数据 ,模型的输入参数包括 : 光谱参数 ———叶片透过率与反射率和土壤反射率 ; 结构参数 ———叶面积指数和平均叶倾角 ; 环境 参 数 ———太阳入射辐射中的漫散射天空光所占的份 额 ,太阳天顶角 、方位角 ,观测天顶角 、方位角和观测 时间 。其中叶片透过率和反射率可以用 PROSPECT 模型来模拟得到 ,其它参数需要实地测量和计算 ,或 利用现有的数据库来近似 。在后面的模型反演过程 中将详细介绍各参数的设置 。 1. 2 PROSPECT模型
图 2 盈科玉米样地假彩色合成图像 Fig. 2 Pseudo2color image of Yingke corn field data
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
图 1 多角度多光谱遥感数据反演 LA I流程图 Fig. 1 Flow chart of inversion of LA I by using
multi2angle and multi2spectral remote sensing data
2 数据分析与处理
2. 1 样地概况和实验数据 盈科绿洲试验区位于甘肃省张掖市以南 8 km ,
本文依托“黑河综合遥感联合试验 ”数据〔10〕, 以森林水文与干旱区水文试验的主要实验区 ———甘 肃盈科绿洲试验区为 例 , 基于 SA IL ( Scattering by A rbitrarily Inclined Leaves)模型 ,利用航空多角度多 光谱遥感数据 ,开展实验区玉米样地的 LA I反演 。
海拔 1 519 m ,是典型的农业生态区 ,主要作物为种 植玉米 、大田玉米和小麦〔16〕。本文的研究对象为该 实验区的玉米样地 ,大小为 185 m ×180 m ,位于 38° 51′28. 35″N、100°14′33. 84″E～38°51′22. 42″N、100° 24′41. 39″E之间 ,主要作物为种植玉米 ,间有少量小 麦 。本文主要选用的是 2008 年 7月 7 日的航空飞 行试验数据及相关的地面实测数据 ,包括多角度红 外 /CCD 相机飞行同步实验数据 ,叶绿素数据 、覆盖 度和结构参数数据等 ,此外还参考了 6月 16日的实 测土壤反射率数据和 7月 2日的实测 LA I数据 。图 2为 650 nm、750 nm、550 nm 波段假彩色合成的盈 科玉米样地图像 ,图中绿色为种植玉米 ,粉色为麦茬 地 ,白色为房屋和道路 。
第
33卷 第 1期 2010年 1月
AR
干旱区地理
ID LAND GEOGRA
PH
Y
VJoal.n.33 2N01o.0 1
基于 SA IL 模型的多角度多光谱遥感叶面积指数反演①
刘照言 1, 2 , 马灵玲 1 , 唐伶俐 1
(1 中国科学院光电研究院 , 北京 100190; 2 中国科学院研究生院 , 北京 100049)
1期 刘照言等 :基于 SA IL模型的多角度多光谱遥感叶面积指数反演 9 5
2. 2 遥感影像数据处理 多角度 CCD 相机有四个波段 , 其波长分别是
550、650、700、和 750 nm (带宽为 40 nm ) ,空间分辨 率为 1. 25 m。最大观测天顶角为 30°,用几何精纠 正后的 2. 5 m SPOT5 图像为参考底图进行了几何 纠正 。
的大气纠正参数 ,再根据经验公式 ( 1 )反推出地表
反射率 ,从而完成大气纠正 。
假设地面为朗伯面 ,则在传感器处接收到的单
像元光谱辐射亮度可以表示为 :
L3
=
L
3 a
+π
ρFd T ( 1 - ρS
)
,
(1)
式中 : L3 为在传感器处接收到的单个像元的辐射亮
度 (W ·m - 2 ·sr- 1 ·μm - 1 ) ;ρ为像元地表反射率 ; S
图 3 典型玉米像元的辐射亮度与反射率 (天顶角 27°,方位角 7°)
Fig. 3 Radiance and reflectance of typ ical corn p ixel
表 1 计算得到的 6幅影像中心天顶角和方位角 Tab. 1 Zen ith and az im uth of images cen ter
摘 要 : 随着多角度传感器的陆续出现及植被遥感传输机理研究的深入 ,多角度遥感逐渐成为地 表信息反演的热点问题 。以 SA IL 冠层反射率模型为基础 ,通过联合多角度和多光谱数据 ,可以从 物理机理角度进行植被叶面积指数 (LA I)反演的应用研究 。首先通过计算得到多角度多光谱遥感 影像的角度信息 ,并经 6S模型纠正后得到多光谱多角度植被冠层反射率数据 。然后将 PROSPECT 模型模拟出的植被叶片反射率和透过率 ,以及多角度观测数据 、LA I和其它实测数据输入 SA IL 模 型 ,模拟得到了多角度多光谱冠层反射率 ,进而建立多角度多光谱冠层反射率与 LA I的查找表 。最 后 ,将影像的多角度多光谱冠层反射率与查找表进行匹配 ,实现植被 LA I的反演 。最后对反演结果 进行了验证和分析 ,结果表明反演精度较高 ,误差均在合理范围之内 。