植被冠層反射模型

植被冠層反射模型第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日通過遙感影像從土壤背景中區(qū)分出植被覆蓋區(qū)域，并對植被類型進(jìn)行劃分。從遙感數(shù)據(jù)中反演出植被的各種重要參數(shù)。準(zhǔn)確地估算出與植被光合作用有關(guān)的若干物理量。植被遙感的主要任務(wù)第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日將植被冠層分為三種類型：連續(xù)植被行播作物離散植被輻射傳輸模型（RT）幾何光學(xué)模型(GO）RT或GO模型遙感數(shù)據(jù)模型選擇（正向模擬）反演方法（逆向擬合）應(yīng)用3植被冠層分類第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日離散型：個(gè)體隨機(jī)集合為特征，如森林這類模型的特點(diǎn)是：(1)植被冠層與大氣的交界面是參差不齊的。(2)樹冠的個(gè)體特性明顯、陰影顯著。對于這類離散型植被，人們發(fā)展了幾何光學(xué)模型。植被冠層分類第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日連續(xù)植被：由均勻散射層所構(gòu)成的薄層模型，其典型代表為封壟后的冬小麥地等等。模型的特點(diǎn)：(1)植被冠層從整體上看與大氣有一個(gè)與地面平行的交界面。(2)個(gè)體特征不明顯植被冠層與光輻射的相互作用過程可以用均勻散射層模型模擬，稱之為輻射傳輸模型。第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三類復(fù)雜型。如處于返青期的冬小麥地，又如荒漠或半荒漠地區(qū)的灌從。既不像連續(xù)植被層個(gè)體特征又不明顯，植被與光輻射相互作用可用“三維真實(shí)模擬”或蒙特——卡羅模擬方法予以描述。

第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)單片葉子的光譜特征

第二章植被遙感應(yīng)用模型

第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日葉子的剖面結(jié)構(gòu)單片葉子的波譜特征單片葉子波譜特征的理論模型隨機(jī)模型單片葉子的非朗伯體特性單葉片光譜模型平板模型Perspect模型第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日葉子的剖面結(jié)構(gòu)

正常生長的植被在多數(shù)情況，其波譜特征基本上被葉簇所控制，因此討論植被的波譜特征，首先應(yīng)當(dāng)了解單片葉子的光譜特征，光輻射與單葉子的相互作用基本上包括兩種物理過程，散射(反射)與吸收。

圖1假想的典型健康葉片的剖面圖2葉片的電子顯微影像第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日葉子的剖面結(jié)構(gòu)第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日蠟質(zhì)層表皮層海綿組織和葉肉組織吸收散射瑞利散射（蛋白質(zhì)、碳水化合物等）米氏散射（葉綠體）漫反射（多次散射和折射）下表皮葉子的剖面結(jié)構(gòu)第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日葉子的剖面結(jié)構(gòu)單片葉子的波譜特征單片葉子波譜特征的理論模型隨機(jī)模型單片葉子的非朗伯體特性單葉片光譜模型平板模型Perspect模型第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日單葉的波譜特征健康綠色葉片在0.4-2.6μm的反射光譜特征第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日0.4μm-0.7μm葉綠素a、b，在0.45μm與μm為中心有兩個(gè)強(qiáng)烈的吸收帶，胡蘿卜素、葉黃素在0.43μm-0.48μm范圍內(nèi)有強(qiáng)烈的吸收帶

0.7μm-1.1μm散射作用占據(jù)了主導(dǎo)地位，透入葉子內(nèi)部的光線，因細(xì)胞壁與細(xì)胞孔腔的折射率有明顯的差異，因而造成光線在葉子內(nèi)部的多次反射與折射

單葉的波譜特征第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日組分吸收系數(shù)單葉的波譜特征第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日單葉的波譜特征組分吸收系數(shù)第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日1.1μm-2.5μm這一波段范圍的波譜特征基本上被液態(tài)水的吸收特性所控制，兩個(gè)強(qiáng)烈的吸收峰，中心分別在1.42μm與1.96μ

紅邊

從以0.68μm為中心的反射率極小值過渡到從0.8μm開始的反射峰，其間必存在一個(gè)拐點(diǎn)

單葉的波譜特征第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日單葉的波譜特征第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日單葉的波譜特征第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日單葉的波譜特征第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日單葉的波譜特征第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日ρλ+τλ

+αλ

=1

單葉的波譜特征第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日單葉的波譜特征第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日單葉的波譜特征第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日單葉的波譜特征第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日葉片反射率的測量積分球，用來測量組分光譜。（小目標(biāo)）單葉的波譜特征第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日葉子的剖面結(jié)構(gòu)單片葉子的波譜特征單片葉子波譜特征的理論模型隨機(jī)模型單片葉子的非朗伯體特性單葉片光譜模型平板模型Perspect模型第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日介質(zhì)中傳輸?shù)囊皇椛洌瑢⒁蛩c物質(zhì)的相互作用而減弱。如果輻射強(qiáng)度作用而減弱。Iλ在它傳播方向上通過ds厚度后變?yōu)椋篒λ+dIλ，則

dIλ=-kλρIλdsρ是物質(zhì)密度，kλ表示對輻射波長λ的質(zhì)量消光截面。輻射強(qiáng)度的減弱是由物質(zhì)中的吸收以及物質(zhì)對輻射的

散射所引起。

朗伯-比爾消光定律單葉波譜特征的理論模型第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日單葉波譜特征的理論模型第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日輻射強(qiáng)度也可以由于相同波長上物質(zhì)的發(fā)射以及多次散射而增強(qiáng)，多次散射使所有其它方向的一部分輻射進(jìn)入所研究的輻射方向。我們?nèi)缦露x源函數(shù)系數(shù)，使由于發(fā)射和多次散射造成的強(qiáng)度增大為：dIλ=jλρds源函數(shù)系數(shù)jλ具有和質(zhì)量消光截面類似的物理意義。聯(lián)合上述兩個(gè)方程得到輻射強(qiáng)度總的變化為：dIλ=-kλρIλds+jλρds朗伯-比爾消光定律單葉波譜特征的理論模型第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日當(dāng)忽略多次散射和發(fā)射的增量貢獻(xiàn)時(shí)，輻射傳輸方程可以簡化為：如果在s=0處的入射強(qiáng)度為Iλ(0)，則在s1處，其射出強(qiáng)度為：朗伯-比爾消光定律單葉波譜特征的理論模型第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日假定介質(zhì)消光截面均一不變，即kλ不依賴于距離s，并定義路徑長度：此時(shí)出射強(qiáng)度為：這就是著名的比爾定律，或稱布格定律，也可稱朗伯定律。它敘述了忽略多次散射和發(fā)射影響時(shí)，通過均勻介質(zhì)傳播的輻射強(qiáng)度按簡單的指數(shù)函數(shù)減弱，該指數(shù)函數(shù)的自變量是質(zhì)量吸收截面和路徑長度的乘積。由于該定律不涉及方向關(guān)系，所以它不僅適用于強(qiáng)度量，而且也適用于通量密度。朗伯-比爾消光定律單葉波譜特征的理論模型第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日隨機(jī)模型1977年C.J.Tucker對單片葉子的波譜特征進(jìn)行了數(shù)值模擬，他把光子與葉子的相互作用分解為十個(gè)相互獨(dú)立，而又有聯(lián)系的子過程。太陽輻射12345678910蠟質(zhì)層反射柵欄組織海綿組織漫反射能量柵欄組織散射柵欄組織吸收海綿組織散射海綿組織吸收漫射透過能量單葉波譜特征的理論模型第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日隨機(jī)模型（續(xù)）10個(gè)過程：1.太陽入射輻射2.蠟質(zhì)層反射的太陽輻射3.輻射進(jìn)入柵欄組織4.柵欄組織的吸收5.柵欄組織的散射6.漫射反射的輻射7.輻射進(jìn)入海綿組織8.海綿組織的吸收9.海綿組織的散射10.漫射透射的輻射聯(lián)接這十個(gè)部分之間的箭頭表示它們之間可能存在的轉(zhuǎn)移過程，只要能確定過程之間的轉(zhuǎn)移概率，那么光輻射與單片葉子之間的相互作用過程就可以被模擬，用Rij表示由j狀態(tài)向i狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，例如R4,3

代表光子在柵欄組織中被吸收的概率，顯然這決定于吸收物質(zhì)的種類及其含量，吸收系數(shù)。單葉波譜特征的理論模型第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日隨機(jī)模型（續(xù)）在柵欄組織中，根據(jù)Beer消光定律：I0

為入射光強(qiáng)，k為吸收系數(shù)。Xpp代表柵欄組織內(nèi)某吸收物質(zhì)的總含量。顯然用（1－I／I0）代表被吸收的概率是合理的。在柵欄組織中有四種吸收物質(zhì)，它們是液態(tài)水，葉綠素a與b以及胡蘿卜素，因此：如果假定光子進(jìn)入柵欄組織后被吸收的概率有一半是經(jīng)多次散射得到，則R4,5＝1／2R4,3。同理可得R8,7，其中XSM代表第i種物質(zhì)在海綿狀葉肉層的總含量單葉波譜特征的理論模型第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日隨機(jī)模型（續(xù)）

如用1-R4,3

代表光子進(jìn)入柵欄組織后，未被吸收的概率，并進(jìn)一步假定其中一半光子未經(jīng)碰撞而穿出柵欄組織直接進(jìn)入海綿狀組織，另一半則停留在柵欄組織內(nèi)，所以假定進(jìn)入柵欄組織的輻射經(jīng)散射后有一半被吸收，另一半穿過柵欄組織漫射反射出去和向下進(jìn)入海綿組織，而漫射反射進(jìn)入海綿組織的概率，取決于它們之間的質(zhì)量之比，則單葉波譜特征的理論模型第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日隨機(jī)模型（續(xù)）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”，即為不可能事件。單葉波譜特征的理論模型第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日隨機(jī)模型(續(xù))假設(shè)在下列假設(shè)條件下進(jìn)行數(shù)值模擬。（1）光線垂直直射葉子表面（2）上表面蠟層的反射率為1%（3）上、下表皮層為透明層（4）葉綠素a與b之間的比例為3:1，總濃度為0.024mg/cm2（5）胡蘿卜素的含量比例為25%，總濃度為0.008mg/cm2（6）水分含量為總重的70%，總等值水厚度為0.014cm（7）R

10,9=0.12,R3,9

=0.08（8）葉子內(nèi)部各部份之間散射光強(qiáng)度之比決定于它們之間的質(zhì)量之比。（9）假定葉子溫度為20℃單葉波譜特征的理論模型第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日隨機(jī)模型(續(xù))用矩陣P表達(dá)上述過程及其間相互關(guān)系，則單葉波譜特征的理論模型第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日隨機(jī)模型(續(xù))

假定過程是平穩(wěn)的,因此可用平穩(wěn)馬爾柯夫鏈描述之，經(jīng)n步之后的概率為:

最終狀態(tài)為:如果p中的元素取“零”值，則表明該過程為不穩(wěn)定過程，即不可能出現(xiàn)的過程，如果取值為“1”代表必然過程，如果取值在0-1之間的某個(gè)值，則該過程出現(xiàn)的概率為該值所描述。那么最終反射率為p中狀態(tài)2和6的和;吸收率為狀態(tài)4和8的和,透過率為10。單葉波譜特征的理論模型第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日隨機(jī)模型模擬的黑楓樹葉片反射率與實(shí)測值比較單葉波譜特征的理論模型第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日葉子的剖面結(jié)構(gòu)單片葉子的波譜特征單片葉子波譜特征的理論模型隨機(jī)模型單片葉子的非朗伯體特性單葉片光譜模型平板模型Perspect模型第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日單片葉子的非朗伯體特性意義是建立正確植被冠層雙向反射率模型的基礎(chǔ)

建立單片葉子的非朗伯體模型將為人們利用偏振度測量獲取更多有用的植被信息鋪平道路。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日單片葉子的非朗伯體特性第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日單片葉子的非朗伯體特性第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日單片葉子的非朗伯體特性第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日反射率因子的極大值一般在主平面內(nèi)前向散射方向，方位角約在150°—180°之間，極小值在天底角附近。入射光天頂角越大，這種非朗伯體特性越顯著。一般講隨視角天頂角的增加，其雙向反射率因子隨之增加，增加的速率，隨角度增加而增加，我們稱這為碗邊效應(yīng)，當(dāng)≤20°時(shí)，可以被視為近似朗伯體。單片葉子的非朗伯體特性第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日葉子內(nèi)部物質(zhì)對可見光的強(qiáng)烈吸收，以及對近紅外波段弱吸收，致使可見光波段的（BRF)v數(shù)值上小于近紅外波段的（BRF)If。透射率因子（BTF）比反射率因子（BRF）更接近朗伯體。當(dāng)入射光的天頂角越大，則前向散射極大值附近的BRF的偏振度亦越大。方向—半球反射率因子，隨入射光的天頂角增加而增加，而方向

—

半球透射率因子則呈相反的變動趨勢。單片葉子的非朗伯體特性第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日葉子的剖面結(jié)構(gòu)單片葉子的波譜特征單片葉子波譜特征的理論模型隨機(jī)模型單片葉子的非朗伯體特性單葉片光譜模型平板模型Perspect模型第四十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日單葉片光譜模型平板模型Perspect模型第五十頁，共五十八頁，2022年，8月28日1990由Jacquemoud和Baret提出基于“平板模型”可見光—中紅外波段三個(gè)參數(shù)—模擬反射率和透射率假2個(gè)參數(shù)，蛋白質(zhì)和纖維素-----模擬葉片光譜第五十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日單葉片光譜模型——平板模型

假設(shè)：1.葉片是一個(gè)緊密的平板，均勻地充滿了吸收和散射物質(zhì)；2.平板表面是個(gè)朗伯體。單葉片光譜模型第五十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日T12354106871213119RDI0介質(zhì)123θ

平板模型光線走向示意1R122T123T12τ4T12τT235T12τR236T12τ2R237T12

τ2R23T218T12

τ2R23R219T12

τ3R23R2110T12

τ3R23R21T2311T12

τ3R23R21R2312T12

τ4R232R2113T12τ4R232R21T21單葉片光譜模型第五十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日

板的反射率R由1,7,13,…的和決定，透過率T由4，10，…的和決定。

下標(biāo)代表介質(zhì)1，2和3，τ為平板的透射系數(shù)，而T21＝T23，并且可由式T21＝n-2T12或觀測得到，如果代入T21的表達(dá)式，那么1-1和1-2可寫為：單葉片光譜模型第五十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日n為兩種介質(zhì)的相對折射指數(shù)，τ為平板的透射系數(shù)；Tij為介質(zhì)i和j的界面的透射比。兩個(gè)介質(zhì)界面對入射角為α立體角范圍內(nèi)