植被冠層反射模型

植被冠層反射模型第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五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)。準確地估算出與植被光合作用有關的若干物理量。植被遙感的主要任務第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五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）應用3植被冠層分類第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五離散型：個體隨機集合為特征，如森林這類模型的特點是：(1)植被冠層與大氣的交界面是參差不齊的。(2)樹冠的個體特性明顯、陰影顯著。對于這類離散型植被，人們發(fā)展了幾何光學模型。植被冠層分類第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五連續(xù)植被：由均勻散射層所構成的薄層模型，其典型代表為封壟后的冬小麥地等等。模型的特點：(1)植被冠層從整體上看與大氣有一個與地面平行的交界面。(2)個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5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五第三類復雜型。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)植被層個體特征又不明顯，植被與光輻射相互作用可用“三維真實模擬”或蒙特——卡羅模擬方法予以描述。

第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)單片葉子的光譜特征

第二章植被遙感應用模型

第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五葉子的剖面結構單片葉子的波譜特征單片葉子波譜特征的理論模型隨機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8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五葉子的剖面結構

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，首先應當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9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五葉子的剖面結構第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五蠟質層表皮層海綿組織和葉肉組織吸收散射瑞利散射（蛋白質、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構第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五葉子的剖面結構單片葉子的波譜特征單片葉子波譜特征的理論模型隨機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12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五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13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五0.4μm-0.7μm葉綠素a、b，在0.45μm與0.64-0.68μm為中心有兩個強烈的吸收帶，胡蘿卜素、葉黃素在0.43μm-0.48μm范圍內有強烈的吸收帶

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

單葉的波譜特征第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五組分吸收系數(shù)單葉的波譜特征第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單葉的波譜特征組分吸收系數(shù)第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五1.1μm-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，兩個強烈的吸收峰，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，其間必存在一個拐點

單葉的波譜特征第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單葉的波譜特征第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單葉的波譜特征第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單葉的波譜特征第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單葉的波譜特征第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五ρλ+τλ

+αλ

=1

單葉的波譜特征第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單葉的波譜特征第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單葉的波譜特征第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單葉的波譜特征第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五葉片反射率的測量積分球，用來測量組分光譜。（小目標）單葉的波譜特征第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五葉子的剖面結構單片葉子的波譜特征單片葉子波譜特征的理論模型隨機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27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五介質中傳輸?shù)囊皇椛?，將因它與物質的相互作用而減弱。如果輻射強度作用而減弱。Iλ在它傳播方向上通過ds厚度后變?yōu)椋篒λ+dIλ，則

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

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28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單葉波譜特征的理論模型第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五輻射強度也可以由于相同波長上物質的發(fā)射以及多次散射而增強，多次散射使所有其它方向的一部分輻射進入所研究的輻射方向。我們如下定義源函數(shù)系數(shù)，使由于發(fā)射和多次散射造成的強度增大為：dIλ=jλρds源函數(shù)系數(shù)jλ具有和質量消光截面類似的物理意義。聯(lián)合上述兩個方程得到輻射強度總的變化為：dIλ=-kλρIλds+jλρds朗伯-比爾消光定律單葉波譜特征的理論模型第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五當忽略多次散射和發(fā)射的增量貢獻時，輻射傳輸方程可以簡化為：如果在s=0處的入射強度為Iλ(0)，則在s1處，其射出強度為：朗伯-比爾消光定律單葉波譜特征的理論模型第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五假定介質消光截面均一不變，即kλ不依賴于距離s，并定義路徑長度：此時出射強度為：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，通過均勻介質傳播的輻射強度按簡單的指數(shù)函數(shù)減弱，該指數(shù)函數(shù)的自變量是質量吸收截面和路徑長度的乘積。由于該定律不涉及方向關系，所以它不僅適用于強度量，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32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五隨機模型1977年C.J.Tucker對單片葉子的波譜特征進行了數(shù)值模擬，他把光子與葉子的相互作用分解為十個相互獨立，而又有聯(lián)系的子過程。太陽輻射12345678910蠟質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33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五隨機模型（續(xù)）10個過程：1.太陽入射輻射2.蠟質層反射的太陽輻射3.輻射進入柵欄組織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)接這十個部分之間的箭頭表示它們之間可能存在的轉移過程，只要能確定過程之間的轉移概率，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的種類及其含量，吸收系數(shù)。單葉波譜特征的理論模型第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五隨機模型（續(xù)）在柵欄組織中，根據(jù)Beer消光定律：I0

為入射光強，k為吸收系數(shù)。Xpp代表柵欄組織內某吸收物質的總含量。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，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種物質在海綿狀葉肉層的總含量單葉波譜特征的理論模型第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五隨機模型（續(xù)）

如用1-R4,3

代表光子進入柵欄組織后，未被吸收的概率，并進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入海綿狀組織，另一半則停留在柵欄組織內，所以假定進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入海綿組織，而漫射反射進入海綿組織的概率，取決于它們之間的質量之比，則單葉波譜特征的理論模型第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五隨機模型（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37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五隨機模型(續(xù))假設在下列假設條件下進行數(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）葉子內部各部份之間散射光強度之比決定于它們之間的質量之比。（9）假定葉子溫度為20℃單葉波譜特征的理論模型第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五隨機模型(續(xù))用矩陣P表達上述過程及其間相互關系，則單葉波譜特征的理論模型第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五隨機模型(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40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五隨機模型模擬的黑楓樹葉片反射率與實測值比較單葉波譜特征的理論模型第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五葉子的剖面結構單片葉子的波譜特征單片葉子波譜特征的理論模型隨機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42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五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

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。

實驗結果規(guī)律第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單片葉子的非朗伯體特性第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單片葉子的非朗伯體特性第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單片葉子的非朗伯體特性第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五反射率因子的極大值一般在主平面內前向散射方向，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，當≤20°時，可以被視為近似朗伯體。單片葉子的非朗伯體特性第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五葉子內部物質對可見光的強烈吸收，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48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五葉子的剖面結構單片葉子的波譜特征單片葉子波譜特征的理論模型隨機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49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單葉片光譜模型平板模型Perspect模型第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五1990由Jacquemoud和Baret提出基于“平板模型”可見光—中紅外波段三個參數(shù)—模擬反射率和透射率假2個參數(shù)，蛋白質和纖維素-----模擬葉片光譜第51頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五單葉片光譜模型——平板模型

假設：1.葉片是一個緊密的平板，均勻地充滿了吸收和散射物質；2.平板表面是個朗伯體。單葉片光譜模型第52頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五T12354106871213119RDI0介質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53頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五

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。

下標代表介質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的表達式，那么1-1和1-2可寫為：單葉片光譜模型第54頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五n為兩種介質的相對折射指數(shù)，τ為平板的透射系數(shù)；Tij為介質i和j的界面的透射比。兩個介質界面對入射角為α