植被遥感上机课程-植被辐射传输模型

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1、植被辐射模型上机课程焦全军 1植被辐射传输过程400-2500nm：地表反射率 花青素anthocyanins 类胡萝卜素carotenoids 叶黄素 brown pigments 叶绿素 chlorophylls叶片光谱受到叶片色素的影响植被患病变色地物辐射模型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。构建了地物理化、结构的特性与地物辐射特性的关系。植被参数模型模型正演反演遥感光谱遥感光谱Meroni, M., R. Colombo, et al. (2004). “Inversion of a radiative transfer model with h

2、yperspectral observations for LAI mapping in poplar plantations.“ Remote Sensing of Environment 92: 195-206.（1）反演植被参数植被辐射模型可以做什么？植被辐射模型可以做什么？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。Zarco-Tejada, P. J., J. R. Miller, et al. (2004). “Hyperspectral indices and model simulation for c

3、hlorophyll estimation in open-canopy tree crops.“ Remote Sensing of Environment 90(4): 463-476.（2） 模型正演的应用植被辐射模型可以做什么？植被辐射模型可以做什么？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。植被参数植被遥感 模型遥感光谱 模拟结果1）调整某一个参数 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）优选植被指数等尝试回答的问题尝试回答的问题 叶绿素 可见光-近红外吸收？特征？ 叶片

4、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： 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）文本文件导入文本文件导入excelexcel第一种方式：使用EXCEL直接打开文本文件，输入分列符号设置，进行分列第二种方式：CO

5、PY文本进入EXCEL，利用分列工具，对数据进行分列叶片光学模型叶片光学模型扁平叶模型扁平叶模型学习学习PROSPECTPROSPECT（Jacquemoud,1990）针叶模型针叶模型学习学习LIBERTYLIBERTY（Dawson et al, 1998）植被冠层模型植被冠层模型连续型冠层模型连续型冠层模型学习学习SAILSAIL（Verhoef, 1984）几何光学模型几何光学模型学习学习5-SCALE5-SCALE(Chen J M,1997 ）植被遥感模型植被遥感模型耦合模型：耦合模型： （1 1）PROSPECT + SAIL PROSPECT + SAIL （2 2）LIBER

6、TY + 5-SCALELIBERTY + 5-SCALE叶片的类型差异叶片的类型差异扁平叶（阔叶）扁平叶（阔叶）针叶针叶植被的叶片类型植被的叶片类型学习学习PROSPECTPROSPECT（Jacquemoud,1990）学习学习LIBERTYLIBERTY（Dawson et al, 1998）冠层的类型差异冠层的类型差异连续型冠层（均一、混沌）连续型冠层（均一、混沌） 非连续型冠层非连续型冠层植被的冠层类型植被的冠层类型学习学习SAILSAIL（Verhoef, 1984）学习学习5-SCALE5-SCALE(Chen J M, 1997）扁平叶模型扁平叶模型学习学习PROSPECTPR

7、OSPECT（重点）（重点）连续型冠层模型连续型冠层模型学习学习SAIL SAIL （重点）（重点）针叶模型针叶模型学习学习LIBERTYLIBERTY几何光学模型几何光学模型学习学习5-SCALE5-SCALE实习顺序实习顺序TAR鲜叶片和干叶片的反射率光谱（R）和透过率光谱（T）干枯叶片一般认为，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。新鲜叶片叶片模型叶片模型叶片模型叶片模型实习内容：实习内容：平板模型，以平板模型，以PROSPECTPROSPECT为例为例早期的PROSPECT模型针对针对紧密叶

8、片紧密叶片的，对于双子叶和衰的，对于双子叶和衰 老叶片是不合适的，也即还老叶片是不合适的，也即还没有考虑叶没有考虑叶 片内空气间隔片内空气间隔等的影响。等的影响。PROSPECT的改进之一假设叶片是由假设叶片是由N N层同性层叠起来的，层同性层叠起来的， 被被N-1N-1层空气间隔分割开来层空气间隔分割开来。N N不一定是整数。不一定是整数。PROSPECT 模型N N被称为是叶肉结构指数。被称为是叶肉结构指数。PROSPECTPROSPECT模型含有以下参数：模型含有以下参数：N N叶肉结构参数叶肉结构参数（叶肉层数叶肉层数）C Cabab叶绿素含量（叶绿素含量（叶肉透过系数叶肉透过系数 有

9、关有关 ）C Cw w叶片含水量叶片含水量（叶肉透过系数叶肉透过系数 有关有关 ）C Cmm干物质含量干物质含量（叶肉透过系数叶肉透过系数 有关有关 ）n n 叶肉界面折射指数叶肉界面折射指数n n；（叶肉界面的折射属性叶肉界面的折射属性） 最大入射角最大入射角 （叶表面粗糙度叶表面粗糙度）输出：输出：叶片反射率和透过率（叶片反射率和透过率（400-2500nm400-2500nm，5nm5nm间隔）间隔）PROSPECTPROSPECT模型模型(WINSail(WINSail软件中软件中) ) 实习实习从从WINSailWINSail软件中软件中 打开打开PROSPECTPROSPECTPR

10、OSPECTPROSPECT界面界面叶肉结构参数叶肉结构参数N N 叶绿素含量叶绿素含量 叶片含水量叶片含水量 干物质含量干物质含量 叶黄素含量叶黄素含量PROSPECT 模型的参数输输入表输入参数描述取值范围默认值Cab叶绿素含量580g/cm230g/cm2N叶片结构参数1-41.3Cm干物质含量0.001-0.005g/cm20.005 g/cm2Cw水分含量0.003-0.03g/cm2 0.012 g/cm2PROSPECTPROSPECT模型模型(WINSail(WINSail） 两种数据获取方式：两种数据获取方式： 单波段单波段 多波段多波段模拟计算模拟计算PROSPECTPRO

11、SPECT模型模型(WINSail(WINSail）存为一个文件， PROPECT的叶片反射率和 透过率光谱，可为WINSail 使用。波长（nm）w05w10w15w20不同的叶片水分含量模拟的叶片反射率（左）和透过率（右）结结果范例冠层模型冠层模型实习内容：实习内容：连续型冠层模型连续型冠层模型(SAIL(SAIL为例为例) )连续型冠层模型连续型冠层模型SAILSAIL模型为例模型为例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。 冠层叶片太阳与观测环境PROSAIL模型的参数输输入表输入参数描述取值范围及默认值Cab叶绿素含量(58

12、0g/cm2) 40g/cm2N叶片结构参数(1-4) 1.3Cm干物质含量(0.001-0.005g/cm2) 0.003 g/cm2Cw水分含量(0.003-0.03g/cm2) 0.012 g/cm2LAI叶面积指数(0.5、1 8) 3LAD平均叶倾角（0-90 度）57 度Sl热点大小0.25Theta_s,Phi_s太阳方位角和天顶角0 30Theta_v,Phi_v遥感器方位角和天顶角0 0SAILSAIL模型的模型的WINWIN版本版本光源与观测参数叶片与土壤参数LAI叶片倾角分布函数冠层的多层结构叶倾角分布函数 单独使用WINSail模拟 分析冠层结构参数和反射率光谱的关系3

13、2冠层反射率随：叶面积指数LAI、平均叶倾角LAD 的变化 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叶片模型叶片模型实习内容：实习内容：针叶模型，以针叶模型，以LIBERTYLIBERTY为例为例针叶模型LIBERTY的针叶内辐射传输模型 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模型输入参数L

14、IBERTYLIBERTY模型输入参数的英文对照LIBERTYLIBERTY模型（模型（5-SCALE5-SCALE软件中）软件中） 实习实习5-SCALE5-SCALERUN LIBERTYRUN LIBERTY输出文件的设置冠层模型冠层模型实习内容：实习内容：几何光学模型几何光学模型(5-SCALE(5-SCALE为例为例) )几何光学模型5-SCALE模型为例直接照射冠层 直接照射冠层与非直接照射冠层 非直接照射的冠层独立几何冠层形状的植被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

15、-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）光谱太阳入射平面的二向性植被分布参数太阳与观测参数 冠层形状枝干属性四种工作模式叶片与下界面属性使用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特定角度的高光谱模式不 同 的 观 测 角波长（nm）-90度90度57