植被冠层反射模型

植被冠层反射模型第1页，共58页，2023年，2月20日，星期五通过遥感影像从土壤背景中区分出植被覆盖区域，并对植被类型进行划分。从遥感数据中反演出植被的各种重要参数。准确地估算出与植被光合作用有关的若干物理量。植被遥感的主要任务第2页，共58页，2023年，2月20日，星期五将植被冠层分为三种类型：连续植被行播作物离散植被辐射传输模型（RT）几何光学模型(GO）RT或GO模型遥感数据模型选择（正向模拟）反演方法（逆向拟合）应用3植被冠层分类第3页，共58页，2023年，2月20日，星期五离散型：个体随机集合为特征，如森林这类模型的特点是：(1)植被冠层与大气的交界面是参差不齐的。(2)树冠的个体特性明显、阴影显著。对于这类离散型植被，人们发展了几何光学模型。植被冠层分类第4页，共58页，2023年，2月20日，星期五连续植被：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。模型的特点：(1)植被冠层从整体上看与大气有一个与地面平行的交界面。(2)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匀散射层模型模拟，称之为辐射传输模型。第5页，共58页，2023年，2月20日，星期五第三类复杂型。如处于返青期的冬小麦地，又如荒漠或半荒漠地区的灌从。既不像连续植被层个体特征又不明显，植被与光辐射相互作用可用“三维真实模拟”或蒙特——卡罗模拟方法予以描述。

第6页，共58页，2023年，2月20日，星期五第一节单片叶子的光谱特征

第二章植被遥感应用模型

第7页，共58页，2023年，2月20日，星期五叶子的剖面结构单片叶子的波谱特征单片叶子波谱特征的理论模型随机模型单片叶子的非朗伯体特性单叶片光谱模型平板模型Perspect模型第8页，共58页，2023年，2月20日，星期五叶子的剖面结构

正常生长的植被在多数情况，其波谱特征基本上被叶簇所控制，因此讨论植被的波谱特征，首先应当了解单片叶子的光谱特征，光辐射与单叶子的相互作用基本上包括两种物理过程，散射(反射)与吸收。

图1假想的典型健康叶片的剖面图2叶片的电子显微影像第9页，共58页，2023年，2月20日，星期五叶子的剖面结构第10页，共58页，2023年，2月20日，星期五蜡质层表皮层海绵组织和叶肉组织吸收散射瑞利散射（蛋白质、碳水化合物等）米氏散射（叶绿体）漫反射（多次散射和折射）下表皮叶子的剖面结构第11页，共58页，2023年，2月20日，星期五叶子的剖面结构单片叶子的波谱特征单片叶子波谱特征的理论模型随机模型单片叶子的非朗伯体特性单叶片光谱模型平板模型Perspect模型第12页，共58页，2023年，2月20日，星期五单叶的波谱特征健康绿色叶片在0.4-2.6μm的反射光谱特征第13页，共58页，2023年，2月20日，星期五0.4μm-0.7μm叶绿素a、b，在0.45μm与0.64-0.68μm为中心有两个强烈的吸收带，胡萝卜素、叶黄素在0.43μm-0.48μm范围内有强烈的吸收带

0.7μm-1.1μm散射作用占据了主导地位，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的差异，因而造成光线在叶子内部的多次反射与折射

单叶的波谱特征第14页，共58页，2023年，2月20日，星期五组分吸收系数单叶的波谱特征第15页，共58页，2023年，2月20日，星期五单叶的波谱特征组分吸收系数第16页，共58页，2023年，2月20日，星期五1.1μm-2.5μm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，中心分别在1.42μm与1.96μ

红边

从以0.68μm为中心的反射率极小值过渡到从0.8μm开始的反射峰，其间必存在一个拐点

单叶的波谱特征第17页，共58页，2023年，2月20日，星期五单叶的波谱特征第18页，共58页，2023年，2月20日，星期五单叶的波谱特征第19页，共58页，2023年，2月20日，星期五单叶的波谱特征第20页，共58页，2023年，2月20日，星期五单叶的波谱特征第21页，共58页，2023年，2月20日，星期五ρλ+τλ

+αλ

=1

单叶的波谱特征第22页，共58页，2023年，2月20日，星期五单叶的波谱特征第23页，共58页，2023年，2月20日，星期五单叶的波谱特征第24页，共58页，2023年，2月20日，星期五单叶的波谱特征第25页，共58页，2023年，2月20日，星期五叶片反射率的测量积分球，用来测量组分光谱。（小目标）单叶的波谱特征第26页，共58页，2023年，2月20日，星期五叶子的剖面结构单片叶子的波谱特征单片叶子波谱特征的理论模型随机模型单片叶子的非朗伯体特性单叶片光谱模型平板模型Perspect模型第27页，共58页，2023年，2月20日，星期五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。Iλ在它传播方向上通过ds厚度后变为：Iλ+dIλ，则

dIλ=-kλρIλdsρ是物质密度，kλ表示对辐射波长λ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

散射所引起。

朗伯-比尔消光定律单叶波谱特征的理论模型第28页，共58页，2023年，2月20日，星期五单叶波谱特征的理论模型第29页，共58页，2023年，2月20日，星期五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：dIλ=jλρds源函数系数jλ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辐射强度总的变化为：dIλ=-kλρIλds+jλρds朗伯-比尔消光定律单叶波谱特征的理论模型第30页，共58页，2023年，2月20日，星期五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：如果在s=0处的入射强度为Iλ(0)，则在s1处，其射出强度为：朗伯-比尔消光定律单叶波谱特征的理论模型第31页，共58页，2023年，2月20日，星期五假定介质消光截面均一不变，即kλ不依赖于距离s，并定义路径长度：此时出射强度为：这就是著名的比尔定律，或称布格定律，也可称朗伯定律。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，所以它不仅适用于强度量，而且也适用于通量密度。朗伯-比尔消光定律单叶波谱特征的理论模型第32页，共58页，2023年，2月20日，星期五随机模型1977年C.J.Tucker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十个相互独立，而又有联系的子过程。太阳辐射12345678910蜡质层反射栅栏组织海绵组织漫反射能量栅栏组织散射栅栏组织吸收海绵组织散射海绵组织吸收漫射透过能量单叶波谱特征的理论模型第33页，共58页，2023年，2月20日，星期五随机模型（续）10个过程：1.太阳入射辐射2.蜡质层反射的太阳辐射3.辐射进入栅栏组织4.栅栏组织的吸收5.栅栏组织的散射6.漫射反射的辐射7.辐射进入海绵组织8.海绵组织的吸收9.海绵组织的散射10.漫射透射的辐射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被模拟，用Rij表示由j状态向i状态的转移概率，例如R4,3

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及其含量，吸收系数。单叶波谱特征的理论模型第34页，共58页，2023年，2月20日，星期五随机模型（续）在栅栏组织中，根据Beer消光定律：I0

为入射光强，k为吸收系数。Xpp代表栅栏组织内某吸收物质的总含量。显然用（1－I／I0）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a与b以及胡萝卜素，因此：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R4,5＝1／2R4,3。同理可得R8,7，其中XSM代表第i种物质在海绵状叶肉层的总含量单叶波谱特征的理论模型第35页，共58页，2023年，2月20日，星期五随机模型（续）

如用1-R4,3

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，取决于它们之间的质量之比，则单叶波谱特征的理论模型第36页，共58页，2023年，2月20日，星期五随机模型（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=0.01其他上面未涉及到Rij

值均取“零”，即为不可能事件。单叶波谱特征的理论模型第37页，共58页，2023年，2月20日，星期五随机模型(续)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（2）上表面蜡层的反射率为1%（3）上、下表皮层为透明层（4）叶绿素a与b之间的比例为3:1，总浓度为0.024mg/cm2（5）胡萝卜素的含量比例为25%，总浓度为0.008mg/cm2（6）水分含量为总重的70%，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。（9）假定叶子温度为20℃单叶波谱特征的理论模型第38页，共58页，2023年，2月20日，星期五随机模型(续)用矩阵P表达上述过程及其间相互关系，则单叶波谱特征的理论模型第39页，共58页，2023年，2月20日，星期五随机模型(续)

假定过程是平稳的,因此可用平稳马尔柯夫链描述之，经n步之后的概率为:

最终状态为:如果p中的元素取“零”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“1”代表必然过程，如果取值在0-1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p中状态2和6的和;吸收率为状态4和8的和,透过率为10。单叶波谱特征的理论模型第40页，共58页，2023年，2月20日，星期五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的理论模型第41页，共58页，2023年，2月20日，星期五叶子的剖面结构单片叶子的波谱特征单片叶子波谱特征的理论模型随机模型单片叶子的非朗伯体特性单叶片光谱模型平板模型Perspect模型第42页，共58页，2023年，2月20日，星期五单片叶子的非朗伯体特性意义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度测量获取更多有用的植被信息铺平道路。

实验结果规律第43页，共58页，2023年，2月20日，星期五单片叶子的非朗伯体特性第44页，共58页，2023年，2月20日，星期五单片叶子的非朗伯体特性第45页，共58页，2023年，2月20日，星期五单片叶子的非朗伯体特性第46页，共58页，2023年，2月20日，星期五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150°—180°之间，极小值在天底角附近。入射光天顶角越大，这种非朗伯体特性越显著。一般讲随视角天顶角的增加，其双向反射率因子随之增加，增加的速率，随角度增加而增加，我们称这为碗边效应，当≤20°时，可以被视为近似朗伯体。单片叶子的非朗伯体特性第47页，共58页，2023年，2月20日，星期五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（BRF)v数值上小于近红外波段的（BRF)If。透射率因子（BTF）比反射率因子（BRF）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BRF的偏振度亦越大。方向—半球反射率因子，随入射光的天顶角增加而增加，而方向

—

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第48页，共58页，2023年，2月20日，星期五叶子的剖面结构单片叶子的波谱特征单片叶子波谱特征的理论模型随机模型单片叶子的非朗伯体特性单叶片光谱模型平板模型Perspect模型第49页，共58页，2023年，2月20日，星期五单叶片光谱模型平板模型Perspect模型第50页，共58页，2023年，2月20日，星期五1990由Jacquemoud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-----模拟叶片光谱第51页，共58页，2023年，2月20日，星期五单叶片光谱模型——平板模型

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.平板表面是个朗伯体。单叶片光谱模型第52页，共58页，2023年，2月20日，星期五T12354106871213119RDI0介质123θ

平板模型光线走向示意1R122T123T12τ4T12τT235T12τR236T12τ2R237T12

τ2R23T218T12

τ2R23R219T12

τ3R23R2110T12

τ3R23R21T2311T12

τ3R23R21R2312T12

τ4R232R2113T12τ4R232R21T21单叶片光谱模型第53页，共58页，2023年，2月20日，星期五

板的反射率R由1,7,13,…的和决定，透过率T由4，10，…的和决定。

下标代表介质1，2和3，τ为平板的透射系数，而T21＝T23，并且可由式T21＝n-2T12或观测得到，如果代入T21的表达式，那么1-1和1-2可写为：单叶片光谱模型第54页，共58页，2023年，2月20日，星期五n为两种介质的相对折射指数，τ为平板的透射系数；Tij为介质i和j的界面的透射比。两个介质界面对入射角为α