第3章 植被冠层反射模型

1、1 单片叶子的光谱特征单片叶子的光谱特征2 植被冠层的植被冠层的BRDF 2.1 几何光学模型几何光学模型 2.2 2.2 连续植被的辐射传输模型连续植被的辐射传输模型 2.3 蒙特蒙特卡罗（卡罗（M-C）模拟模型）模拟模型3 植被光谱参数植被光谱参数第第3 3章植被遥感应用模型章植被遥感应用模型植被遥感的主要任务将植被冠层分为三种类型：连续植被连续植被行播作物行播作物离散植被离散植被辐射传输模型（辐射传输模型（RT）几何光学模型几何光学模型(GO）RT或或GO模型模型遥感数据遥感数据模型选择模型选择（正向模拟）（正向模拟）反演方法反演方法（逆向拟合）（逆向拟合）应用应用3植被冠层分类离散型：

2、个体随机集合为特征，如离散型：个体随机集合为特征，如森林森林这类模型的特点是：这类模型的特点是：(1)(1)植被冠层与大气的交界面是参差不齐植被冠层与大气的交界面是参差不齐的。的。(2)(2)树冠的个体特性明显、阴影显著。树冠的个体特性明显、阴影显著。 对于这类离散型植被，人们发展了几何对于这类离散型植被，人们发展了几何光学模型。光学模型。植被冠层分类连续植被：由均匀散射层所构成的薄层模连续植被：由均匀散射层所构成的薄层模型，其典型代表为封垄后的冬小麦地等等。型，其典型代表为封垄后的冬小麦地等等。模型的特点：模型的特点：(1)(1)植被冠层从整体上看与大气有一个与地面平植被冠层从整体上看与大气

3、有一个与地面平行的交界面。行的交界面。(2)(2)个体特征不明显个体特征不明显 植被冠层与光辐射的相互作用过程可以用均植被冠层与光辐射的相互作用过程可以用均匀散射层模型模拟，称之为辐射传输模型。匀散射层模型模拟，称之为辐射传输模型。第三类第三类复杂型。如处于返青期的冬小麦复杂型。如处于返青期的冬小麦地，又如荒漠或半荒漠地区的灌从。地，又如荒漠或半荒漠地区的灌从。 既不像连续植被层既不像连续植被层 个体特征又不明显，个体特征又不明显， 植被与光辐射相互作用可用植被与光辐射相互作用可用“三维真实模三维真实模拟拟”或蒙特或蒙特卡罗模拟方法予以描述。卡罗模拟方法予以描述。 第一节第一节 单片叶子的光谱

4、特征单片叶子的光谱特征 第二章植被遥感应用模型第二章植被遥感应用模型 叶子的剖面结构叶子的剖面结构单片叶子的波谱特征单片叶子的波谱特征单片叶子波谱特征的理论模型单片叶子波谱特征的理论模型 随机模型随机模型单片叶子的非朗伯体特性单片叶子的非朗伯体特性单叶片光谱模型单叶片光谱模型 平板模型平板模型 Perspect模型模型叶子的剖面结构叶子的剖面结构 正常生长的植被在多数情正常生长的植被在多数情况，其波谱特征基本上被况，其波谱特征基本上被叶簇所控制，因此讨论植叶簇所控制，因此讨论植被的波谱特征，首先应当被的波谱特征，首先应当了解单片叶子的光谱特征，了解单片叶子的光谱特征，光辐射与单叶子的相互作光辐

5、射与单叶子的相互作用基本上包括两种物理过用基本上包括两种物理过程，散射程，散射(反射反射)与吸收。与吸收。 图图1 假想的典型健康叶片的剖面假想的典型健康叶片的剖面图图2叶片的电子显微影像叶片的电子显微影像叶子的剖面结构叶子的剖面结构 蜡质层蜡质层 表皮层表皮层 海绵组织和叶肉组织海绵组织和叶肉组织 吸收吸收 散射散射 瑞利散射（蛋白质、碳水化合物等）瑞利散射（蛋白质、碳水化合物等） 米氏散射（叶绿体）米氏散射（叶绿体） 漫反射（多次散射和折射）漫反射（多次散射和折射） 下表皮下表皮叶子的剖面结构叶子的剖面结构叶子的剖面结构叶子的剖面结构单片叶子的波谱特征单片叶子的波谱特征单片叶子波谱特征的理

6、论模型单片叶子波谱特征的理论模型 随机模型随机模型单片叶子的非朗伯体特性单片叶子的非朗伯体特性单叶片光谱模型单叶片光谱模型 平板模型平板模型 Perspect模型模型单叶的波谱特征单叶的波谱特征健康健康绿色叶片在绿色叶片在0.4-2.6m0.4-2.6m的反射光谱特征的反射光谱特征 0.4m - 0.7m 叶绿素叶绿素a、b，在，在0.45m与与0.64-0.68m为中为中心有两个强烈的吸收带，心有两个强烈的吸收带， 胡萝卜素、叶黄素在胡萝卜素、叶黄素在0.43m-0.48m范围内范围内有强烈的吸收带有强烈的吸收带 0.7m - 1.1m 散射作用占据了主导地位，透入叶子内部的散射作用占据了主

7、导地位，透入叶子内部的光线，因细胞壁与细胞孔腔的折射率有明显光线，因细胞壁与细胞孔腔的折射率有明显的差异，因而造成光线在叶子内部的多次反的差异，因而造成光线在叶子内部的多次反射与折射射与折射 单叶的波谱特征单叶的波谱特征组分吸收系数组分吸收系数单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征组分吸收系数组分吸收系数 1.1m-2.5m 这一波段范围的波谱特征基本上被液态水这一波段范围的波谱特征基本上被液态水的吸收特性所控制，两个强烈的吸收峰，的吸收特性所控制，两个强烈的吸收峰，中心分别在中心分别在1.42m1.42m与与1.96 1.96 红边红边 从以从以0.68m为中心的反射率极小

8、值过渡为中心的反射率极小值过渡到从到从0.8m开始的反射峰，其间必存在一开始的反射峰，其间必存在一个拐点个拐点 单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征 + + = 1 单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征单叶的波谱特征叶片反射率的测量叶片反射率的测量积分球，用来测量组分光谱。（小目标）单叶的波谱特征单叶的波谱特征叶子的剖面结构叶子的剖面结构单片叶子的波谱特征单片叶子的波谱特征单片叶子波谱特征的理论模型单片叶子波谱特征的理论模型 随机

9、模型随机模型单片叶子的非朗伯体特性单片叶子的非朗伯体特性单叶片光谱模型单叶片光谱模型 平板模型平板模型 Perspect模型模型 介质中传输的一束辐射，将因它与物质的相互作用介质中传输的一束辐射，将因它与物质的相互作用而减弱。如果辐射强度作用而减弱。而减弱。如果辐射强度作用而减弱。I在它传播方向在它传播方向上通过上通过ds厚度后变为：厚度后变为：I+dI，则，则 dI= -kIds是物质密度，是物质密度，k表示对辐射波表示对辐射波长长的质量消光截面。的质量消光截面。 辐射强度的减弱是由物质中的吸收以及物质对辐射的辐射强度的减弱是由物质中的吸收以及物质对辐射的 散射所引起。散射所引起。 朗伯朗伯

10、-比尔消光比尔消光 定律定律单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理论模型单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理论模型 辐射强度也可以由于相同波长上物质的发射以及多次散射辐射强度也可以由于相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。我们如下定义源函数系数，使由于发射和究的辐射方向。我们如下定义源函数系数，使由于发射和多次散射造成的强度增大为：多次散射造成的强度增大为：dI= jds 源函数系数源函数系数j具有和质量消光截面类似的物理意义。联合具有和质量消光截面类似的物理意义。联合上述两个方程得到

11、辐射强度总的变化为：上述两个方程得到辐射强度总的变化为：dI=-kIds + jds 朗伯朗伯-比尔消光比尔消光 定律定律单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理论模型 当忽略多次散射和发射的增量贡献时，辐射传输方程可当忽略多次散射和发射的增量贡献时，辐射传输方程可以简化为：以简化为： 如果在如果在s=0处的入射强度为处的入射强度为I (0)，则在，则在s1处，其射出处，其射出强度为：强度为：朗伯朗伯-比尔消光比尔消光 定律定律单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理论模型 假定介质消光截面均一不变，即假定介质消光截面均一不变，即k不依赖于距离不依赖于距离s，并定义路径长度：，并定义路径长度： 此

12、时出射强度为：此时出射强度为： 这就是著名的比尔定律，或称布格定律，也可称这就是著名的比尔定律，或称布格定律，也可称朗伯定律。朗伯定律。 它叙述了忽略多次散射和发射影响时，通过均匀它叙述了忽略多次散射和发射影响时，通过均匀介质传播的辐射强度按简单的指数函数减弱，该介质传播的辐射强度按简单的指数函数减弱，该指数函数的自变量是质量吸收截面和路径长度的指数函数的自变量是质量吸收截面和路径长度的乘积。由于该定律不涉及方向关系，所以它不仅乘积。由于该定律不涉及方向关系，所以它不仅适用于强度量，而且也适用于通量密度。适用于强度量，而且也适用于通量密度。朗伯朗伯-比尔消光比尔消光 定律定律单叶波谱特征单叶波

13、谱特征的理论模型的理论模型随机模型随机模型1977 1977 年年C.J.Tucker C.J.Tucker 对单片叶子的波谱特征进行了数值模拟，对单片叶子的波谱特征进行了数值模拟，他把光子与叶子的相互作用分解为他把光子与叶子的相互作用分解为十个十个相互独立，而又有相互独立，而又有联系的联系的子过程子过程。太阳太阳辐射辐射12345678910蜡质层蜡质层反射反射栅栏组织栅栏组织海绵组织海绵组织漫反射漫反射能量能量栅栏组栅栏组织散射织散射栅栏组栅栏组织吸收织吸收海绵组海绵组织散射织散射海绵组海绵组织吸收织吸收漫射透漫射透过能量过能量单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理论模型随机模型（续）随机

14、模型（续）10个过程：个过程：1.太阳入射辐射太阳入射辐射2.蜡质层反射的太阳辐射蜡质层反射的太阳辐射3.辐射进入栅栏组织辐射进入栅栏组织4.栅栏组织的吸收栅栏组织的吸收5.栅栏组织的散射栅栏组织的散射6.漫射反射的辐射漫射反射的辐射7.辐射进入海绵组织辐射进入海绵组织8.海绵组织的吸收海绵组织的吸收9.海绵组织的散射海绵组织的散射10.漫射透射的辐射漫射透射的辐射联接这十个部分之间的箭头表示它们之联接这十个部分之间的箭头表示它们之间可能存在的转移过程，只要能确定过间可能存在的转移过程，只要能确定过程之间的转移概率，那么光辐射与单片程之间的转移概率，那么光辐射与单片叶子之间的相互作用过程就可以

15、被模拟，叶子之间的相互作用过程就可以被模拟，用用Rij 表示由表示由j 状态向状态向i 状态的转移概率，状态的转移概率，例如例如R4,3 代表光子在栅栏组织中被吸收代表光子在栅栏组织中被吸收的概率，显然这决定于吸收物质的种类的概率，显然这决定于吸收物质的种类及其含量，吸收系数。及其含量，吸收系数。单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理论模型随机模型（续）随机模型（续）在栅栏组织中，根据在栅栏组织中，根据Beer消光消光 定律：定律：)()(exp(0iXppikIII I0 0 为入射光强，为入射光强，k k为吸收系数。为吸收系数。XppXpp代表栅栏组织内某吸收物质的代表栅栏组织内某吸收物质

16、的总含量。显然用（总含量。显然用（1 1I II I0 0）代表被吸收的概率是合理的。在栅栏）代表被吸收的概率是合理的。在栅栏组织中有四种吸收物质，它们是液态水，叶绿素组织中有四种吸收物质，它们是液态水，叶绿素a a 与与b b 以及胡萝卜以及胡萝卜素，因此：素，因此：)()(exp(1 (3 , 441iXppikR如果假定光子进入栅栏组织后被吸收的概率有一半是经多次散射得到，如果假定光子进入栅栏组织后被吸收的概率有一半是经多次散射得到，则则R4,5R4,51 12R4,32R4,3。同理可得。同理可得R8,7R8,7，其中，其中XSM XSM 代表第代表第i i 种物质在海绵状种物质在海绵

17、状叶肉层的总含量叶肉层的总含量)()(exp(1(417,8iXsmikR单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理论模型随机模型（续）随机模型（续） 如用如用1-R 4, 3 代表光子进入栅栏组织后，未被吸收的概率，并进一步假定代表光子进入栅栏组织后，未被吸收的概率，并进一步假定其中一半光子未经碰撞而穿出栅栏组织直接进入海绵状组织，另一半则其中一半光子未经碰撞而穿出栅栏组织直接进入海绵状组织，另一半则停留在栅栏组织内，所以停留在栅栏组织内，所以5,34,37,34,3(1)/ 2(1)/ 2RRRR)(2/)(2/3,55,73,55,6XsmXppXsmRRXsmXppXppRR假定进入栅栏组

18、织的辐射经散射后有一半被吸收，另一半穿过栅栏组织假定进入栅栏组织的辐射经散射后有一半被吸收，另一半穿过栅栏组织漫射反射出去和向下进入海绵组织，而漫射反射进入海绵组织的概率，漫射反射出去和向下进入海绵组织，而漫射反射进入海绵组织的概率，取决于它们之间的质量之比，则取决于它们之间的质量之比，则单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理论模型随机模型（续）随机模型（续）R9,7=1-R8,7R5,5=1-R4,5-R6,5-R7,5R9,9=1-R3,9-R10,9-R8,9R2,2=R4,4=R6,6=R8,8=R10,10=1R3,1=1-R2,1R10,9=0.12R3,9=0.08R2,1=0.

19、01其他上面未涉及到其他上面未涉及到Rij 值均取值均取“零零”，即为不可能事，即为不可能事件。件。单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理论模型随机模型随机模型(续续)假设在下列假设条件下进行数值模拟。假设在下列假设条件下进行数值模拟。（1）光线垂直直射叶子表面）光线垂直直射叶子表面（2）上表面蜡层的反射率为）上表面蜡层的反射率为1%（3）上、下表皮层为透明层）上、下表皮层为透明层（4）叶绿素）叶绿素a 与与b 之间的比例为之间的比例为3 : 1，总浓度为，总浓度为0.024mg/cm2（5）胡萝卜素的含量比例为）胡萝卜素的含量比例为25%，总浓度为，总浓度为0.008mg/ cm2（6）水分

20、含量为总重的）水分含量为总重的70%，总等值水厚度为，总等值水厚度为0.014cm（7） R 10, 9 =0.12, R3,9 =0.08（8）叶子内部各部份之间散射光强度之比决定于它们之间的质量之比。）叶子内部各部份之间散射光强度之比决定于它们之间的质量之比。（9）假定叶子温度为）假定叶子温度为20单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理论模型随机模型随机模型(续续)用矩阵用矩阵P 表达上述过程及其间相互关系，则表达上述过程及其间相互关系，则) , 0 , 0 (1,P R 0 0 0 0 0 0 0 0 0R R R 0 0 0 0 R 0 00 0 R 0 0 0 0 0 0 0R R

21、R 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 R 0 0 0 0 00 0 0 R R R R 0 0 00 0 0 0 0 0 R 0 0 00 0 0 R 0 R R 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 R 00 0 0 0 0 0 0 R R 0PT0 10,1010,99,98,93,98,810,79,78,76,67,56,55,54,54,47,35,3 4,32,23,12,1:.其初始状态为单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理论模型随机模型随机模型(续续) 假定过程是平稳的假定过程是平稳的,因此可用平稳马尔柯夫链描述因此可用平稳马尔柯夫链描述之，经之，经n步之后的概率

22、为步之后的概率为:onnPPP 最终状态为最终状态为:pPPnn0lim如果如果p p中的元素取中的元素取“零零”值，则表明该过程为不稳定过程，值，则表明该过程为不稳定过程，即不可能出现的过程，如果取值为即不可能出现的过程，如果取值为“1”1”代表必然过程，代表必然过程，如果取值在如果取值在0-1 0-1 之间的某个值，则该过程出现的概率为该之间的某个值，则该过程出现的概率为该值所描述。那么最终反射率为值所描述。那么最终反射率为p p中状态中状态2 2和和6 6的和的和; ; 吸收率吸收率为状态为状态4 4和和8 8的和的和, ,透过率为透过率为1010。单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理

23、论模型随机模型模拟的黑枫树叶片反射率与实测值比较随机模型模拟的黑枫树叶片反射率与实测值比较单叶波谱特征单叶波谱特征的理论模型的理论模型叶子的剖面结构叶子的剖面结构单片叶子的波谱特征单片叶子的波谱特征单片叶子波谱特征的理论模型单片叶子波谱特征的理论模型 随机模型随机模型单片叶子的非朗伯体特性单片叶子的非朗伯体特性单叶片光谱模型单叶片光谱模型 平板模型平板模型 Perspect模型模型单片叶子的非朗伯体特性 意义意义 是建立正确植被冠层双向反射率模型的基础是建立正确植被冠层双向反射率模型的基础 建立单片叶子的非朗伯体模型将为人们利用偏振建立单片叶子的非朗伯体模型将为人们利用偏振度测量获取更多有用的

24、植被信息铺平道路。度测量获取更多有用的植被信息铺平道路。 实验结果实验结果 规律规律单片叶子的非朗伯体特性单片叶子的非朗伯体特性单片叶子的非朗伯体特性单片叶子的非朗伯体特性单片叶子的非朗伯体特性单片叶子的非朗伯体特性 反射率因子的极大值一般在主平面内前向散射方反射率因子的极大值一般在主平面内前向散射方向，方位角约在向，方位角约在150 180之间，之间，极小值在天极小值在天底角附近底角附近。 入射光入射光天顶角越大天顶角越大，这种非朗伯体特性越显著。，这种非朗伯体特性越显著。 一般讲随视角天顶角的增加，其双向反射率因子一般讲随视角天顶角的增加，其双向反射率因子随之增加，增加的速率，随角度增加而

25、增加，我随之增加，增加的速率，随角度增加而增加，我们称这为们称这为碗边效应碗边效应，当，当20时，可以被视为近时，可以被视为近似朗伯体。似朗伯体。单片叶子的非朗伯体特性单片叶子的非朗伯体特性 叶子内部物质对可见光的强烈吸收，以及对近红外波段弱叶子内部物质对可见光的强烈吸收，以及对近红外波段弱吸收，致使可见光波段的（吸收，致使可见光波段的（BRF)v数值上小于近红外波段的数值上小于近红外波段的（BRF)If。 透射率因子（透射率因子（BTF）比反射率因子（）比反射率因子（BRF）更接近朗伯体。）更接近朗伯体。 当入射光的天顶角越大，则前向散射极大值附近的当入射光的天顶角越大，则前向散射极大值附近

26、的BRF的偏的偏振度亦越大。振度亦越大。 方向方向半球反射率因子，随入射光的天顶角增加而增加，半球反射率因子，随入射光的天顶角增加而增加，而方向而方向 半球透射率因子则呈相反的变动趋势。半球透射率因子则呈相反的变动趋势。单片叶子的非朗伯体特性单片叶子的非朗伯体特性叶子的剖面结构叶子的剖面结构单片叶子的波谱特征单片叶子的波谱特征单片叶子波谱特征的理论模型单片叶子波谱特征的理论模型 随机模型随机模型单片叶子的非朗伯体特性单片叶子的非朗伯体特性单叶片光谱模型单叶片光谱模型 平板模型平板模型 Perspect模型模型单叶片光谱模型平板模型平板模型Perspect 模型模型 1990由Jacquemou

27、d和Baret提出 基于“平板模型” 可见光中红外波段 三个参数模拟反射率和透射率 假2个参数，蛋白质和纤维素-模拟 叶片光谱单叶片光谱模型平板模型平板模型 假设：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；叶片是一个紧密的平板，均匀地充满了吸收和散射物质；2.平板表面是个朗伯体。平板表面是个朗伯体。单叶片光谱模型单叶片光谱模型T12354106871213119RDI0介质介质123 平板模型光线走向示意平板模型光线走向示意1 R122 T123 T124 T12T235 T12R236 T122R237 T12 2R23T218 T12 2R23R219 T12 3R23R

28、2110 T12 3R23R21T2311 T12 3R23R21R2312 T12 4R232R2113 T12 4R232R21T21单叶片光谱模型单叶片光谱模型 板的反射率板的反射率R由由1,7,13,的和决定，透过率的和决定，透过率T由由4，10，的的和决定。和决定。)1/(.)1 ()1/(.)1 (2123223212123223212123223221121221232232211212RRTTRRTTTRRRTTRRRRTTRR 下标下标代表介质代表介质1 1，2 2和和3 3， 为平板的透射系数，为平板的透射系数， 而而T T2121T T2323，并且可由式，并且可由式T

29、T2121n n-2 -2T T1212或观测得到，或观测得到，如果代入如果代入T T2121的表达式，那么的表达式，那么1-11-1和和1-21-2可写为：可写为：2312TT)(/()(/()()1 (2122242122212224122212212TnnTnTTnnTnTTR单叶片光谱模型单叶片光谱模型 n为两种介质的相对折射指数，为两种介质的相对折射指数，为平板的透射系数；为平板的透射系数；Tij为为介质介质i和和j的界面的透射比。的界面的透射比。两个介质界面对入射角为两个介质界面对入射角为立体角范围内辐射立体角范围内辐射的平均透射的平均透射:比：比：dnTnTnTpsavsinco

30、s2),(2/1),(2/1 ),()(sin02T Ts s（ , n, n）是界面对于矢量与入射平面垂直的辐射的）是界面对于矢量与入射平面垂直的辐射的透射比透射比T Tp p（ , n, n）是对于矢量与入射平面平行的辐射的透射）是对于矢量与入射平面平行的辐射的透射比，它们的表达非常复杂，但是可以精确求得。比，它们的表达非常复杂，但是可以精确求得。T T1212等于等于 为为9090度时的平均透射比度时的平均透射比T Tavav（9090，n n）单叶片光谱模型单叶片光谱模型PROSPECT PROSPECT 模型是模型是基于平板基于平板模型发展起来的。模型发展起来的。虽然光线入射到叶片上时看似垂直，实际上从微虽然光线入射到叶片上时看似垂直，实际上从微观的角度看，入射光线是以一定的角度入射到叶观的角度看，入射光线是以一定的角度入射到叶片上的。片上的。ROSPECTROSPECT模型考虑到了这个现象，引入了立体模型考虑到了这个现象，引入了立体角角 ， 由相对于叶平面法线的最大入射角由相对于叶平