定量遥感-第四章植被定量遥感模型-3
定量遥感-第四章植被定量遥感模型-3
§4.3.2 叶片反射率模型
2.平板模型
R R12 T12T21 2 R23 (1 2 R23 R21 ...) R12 T12T21 2 R23 /(1 2 R23 R21 ) T T21T23 (1 2 R23 R21 ...) T21T23 /(1 R23 R21 )
23
§4.3.2 叶片反射率模型
2.平板模型 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 立体角范围 内辐射的平均透射比，由下式给出：
Tav ( , n)
sin 2 ( )
0
[1/ 2Ts ( , n) 1/ 2Tp ( , n)]2 cos sin d
1.随机模型（stochastic model）
随机模型通过马尔可夫链来模拟辐射传输
它将叶片分割为两个独立的组织： 栅栏组织和海棉组织。定义了四种辐 射状态：太阳光、反射、吸收、透过 以及在不同的间隔间从一种辐射状态 到另一种辐射状态的转换概率。这些 概率是以叶片物质的光学特性为基础 确定的。 给定一个表述入射辐射的初始失量，通过迭代方式直到平稳 状态，就可以获得叶片的反射率和透过率。
1.随机模型
例： 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）胡罗卜素的含量比例为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
第4讲遥感图像解译之定量遥感方法
defined as:
area to relate leaf area density to leaf number density, as well as thickness.
Scalar Radiative Transfer Equation
Canopy Architecture
1-D: Functions of depth from the top of the canopy (z).
1. Vertical leaf area density ul z (m2/m3)
2. Leaf normal orientation distribution function, gl z, l (dimensionless).
1. Tree height distribution: Lognormal distribution 2. Tree spatial patterns: Poisson distribution or Neyman distribution 3. Canopy shape and size
resolution
Second MODIS (May, 2002) on Aqua Polar Orbiting Satellite
1:30 PM equatorial crossing time
Level 1 and 2 Granules
Swath (204)=>Granules (5min，288 scan files)=>Daily(≈20Orbits)
Relationship between them
定量遥感实习三 植被冠层反射率模型
实习三 植被冠层反射率模型一、实习目的学习和掌握叶片反射率模型PROSPECT 和冠层反射率模型Sail 的使用。
二、实习内容（1）熟悉Prospect 和Sail 模型的输入参数和输出结果；（2）利用实测数据进行叶片反射率和冠层二向反射率的模拟； （3）利用模型进行一些基本原理的验证。
三、实习步骤 （1）叶片反射率1、安装WinSail 程序，打开Prospect ，点击Options ——Winsail (multiple wavelength ) generation mode ，波长范围为400——2400nm ，所以在Lower wavelength 中输入400，在Upper wavelength 中输入2400，wavelength increment （波长间隔）中输入5，叶片叶肉结构Leaf mesophyll structure index ，输入1.3。
2、利用Prospect 模型分别模拟苜蓿、莴苣、玉米、向日葵和水稻五种作物的叶片反射率和透射率。
分别在Chlorophyll content （叶绿素含量）、Water content （含水量）、Dry matter content （干物质）中输入5中作物对应的参数，最后点击Calculate multiple Rf/Tr values (%)，得出各自的运行结果。
3、将五组数据导入到excel 表格中，每组数据对应两个数值，即叶片反射率Ref 和透射率Tr ，将透射率删除，插入图表，绘制各作物的叶片反射率光谱曲线，横轴表示波长，纵轴表示反射率，光谱曲线如下图所示：5种作物叶片反射率010203040504008001200160020002400波长（nm）反射率苜蓿Ref 莴苣Ref 向日葵Ref 玉米Ref 水稻Ref（2）冠层反射率1、运行Winsail 程序，分别输入太阳赤纬、纬度等相关参数，在Leaf Reflectance/Transmittance 中导入刚刚利用Prospect 求出的各作物的叶片反射率，Background Spectrum 选择SOIL_SAIL ，Background reflectance 选择rsoil.dat ，最后点击运行。
实验课1-定量遥感--植被覆盖度反演
说明文档中会注明是经过辐射校正的，其实这个辐射校正指的是粗的辐射校
正，只是做了系统大气校正，就跟系统几何校正的意义是一样的。
实验一 植被覆盖度的遥感反演
(二) 植被覆盖度的计算 1、计算NDVI 2、确定NDVIv和NDVI0值
在 Availabel Bands List 窗口中右键点击NDVI 数据，在弹 出的右键菜单中选择 Quick Stats，对NDVI 数据进行统计分析，
方法二：(两种方法都要做)
（1）主菜单Basic Tools > Band Math，在波段运算 窗口输入植被覆盖度计算公式：
(b1-NDVI0)/(NDVIv- NDVI0) ，将变量 b1 赋给 NDVI 。
计算得到初步结果，但是并没有完成整个工作。因为 该结果中有 5% 像元的 NDVI 值小于 NDVI0 ，这部分像元的 植被覆盖度计算结果为负值，需要通过掩膜操作将这部 分像元的植被覆盖度值修改为0；同样需要将5%NDVI值大 于0.425 的像元植被覆盖度值修改为1。
• • • 当NDVI小于NDVI0 ， fv取值为0； NDVI大于NDVIv ， fv取值为1； 介于两者之间的像元使用公式（1）计算。
利用ENVI主菜单->Basic Tools->Band Math，在公式 输入栏中输入进行计算.
请回顾ENVI中公式的写法
实验一 植被覆盖度的遥感反演
◦ 3、计算植被覆盖度
实验一 植被覆盖度的遥感反演
（3）然后类似操作将NDVI 值大于0.425 的像元植被覆盖 度值修改为1，设为1。 最终得到一个单波段的植被覆盖度图像文件，其像元值表 示这个像元内的平均植被覆盖度。 （4）对上述求取的植被覆盖度进行假彩色密度分割。
定量遥感-第四章植被定量遥感模型-2
1
GL (z, ) 2 2 gL (z, L ) L dL
Ω 为辐射传输方向，方向夹角的余弦：
L cos cos cos L sin sinL cos( L )
、L分别为传输方向和叶片法向的天顶角，、 L分别为两个方向的方位角。
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《定量遥感》
第四章 植被定量遥感模型
武汉大学遥感信息工程学院 龚龑
第四章 植被定量遥感模型
§4.1 冠层反射率模型概述 §4.2 冠层反射率几何光学模型 §4.3 植被辐射传输模型
§4.3.1 植被辐射传输中常用参数 §4.3.2 植被辐射传输方程及解 §4.3.3 辐射传输模型改进
2
§4.3.1 植被辐射传输中常用参数
(2) G 函数
如果叶片垂直取向且方位独立，即gL(z, ΩL) = δ(μL-0)时， G 函数：
GL
(z, )
1
2
2 0
2 0
gL
(z,
L
)
L
dLdL
GL
(
z,
)
2
sin
注意绝对值 |cosυ| 在2π空间积分为4
12
§4.3.1 植被辐射传输中常用参数
(2) G 函数
当叶片均匀（或球型）取向，gL(z, ΩL) = 1
H
0 uL(z)dz L0
式中积分上限H为植被冠层深度，z的取向向下（即 z=0为植被上界，z=H为植被下界），L0为叶面积指数（无 单位量纲），是农学、植被生态学中最重要的常用参数。
叶面积指数的含义
7
§4.3.1 植被辐射传输中常用参数
植被遥感_精品文档
叶绿素a和叶绿素b导致以0.45μm和0.67μm为中心形成两 个强烈的吸收带。
不同生长状态的橡树叶子
不同橡树叶子的反射特性
2. 叶子的组织构造
绿色植物的叶子是由上表皮、叶绿素颗粒组成的栅 栏组织和多孔薄壁细胞组织（海绵组织）构成的。
遥感地学分析
Geography Analysis for Remote Sensing
第5章 植被遥感
主要内容
一、植被遥感原理 二、植被分类 三、植被生态参数 四、植被指数与地表参数的关系 五、中国及中亚地区荒漠化遥感监测研究
一、植被遥感原理
植被遥感不仅依赖于对单张植物叶片的光谱特性的 认识，还需要进一步认识植被冠层的光谱特性。
冬季多数植物凋零----长年常绿植被 同种植被在不同季节的波谱特征差异 不同植物生长期的不同，光谱特征也有差异
植物季节性规律
各种作物的生 长期和收获期 的差异
3. 根据植物的生态条件的不同来区分植被
不同种类的植物有不同的适宜生态条件，如温度、 水分、土壤、地貌等。 比如：（我国北方山坡的阴阳面差异性）
低植被覆盖度时（＜15%），植被NDVI值高于裸土NDVI 值，植被可被检测出来，但因植被覆盖度很低（如干旱、 半干旱地区），其 NDVI很难指示区域生物量；
中植被覆盖度时（25—80%）， NDVI值 随生物量的增 加呈线性迅速增加；
高植被覆盖度时（＞80%）， NDVI值 增加延缓而呈现 饱和状态，对植被检测灵敏度下降。
被指数饱和为代价来减少大气影响； (2)根据蓝光和红光对气溶胶散射存 在差异的原理。采用“抗大气植被 指数(ARVl)对残留气溶胶做进一步 的处理；(3)采用“土壤调节植；波 指数(SAVl)”减弱了树冠背景土壤变 化对植被指数的影响；(4)综合 ARVI和SAVI的理论基础。形成 “增强型植被指数(EVI)”。它可以 同时减少来自大气和土壤噪音的影 响。
遥感专题讲座——定量遥感(三、大气校正)
大气校正大气校正是定量遥感中重要的组成部分。
本专题包括以下内容：∙ ∙ ●大气校正概述∙ ∙ ●ENVI中的大气校正功能1大气校正概述大气校正的目的是消除大气和光照等因素对地物反射的影响，广义上讲获得地物反射率、辐射率或者地表温度等真实物理模型参数；狭义上是获取地物真实反射率数据。
用来消除大气中水蒸气、氧气、二氧化碳、甲烷和臭氧等物质对地物反射的影响，消除大气分子和气溶胶散射的影响。
大多数情况下，大气校正同时也是反演地物真实反射率的过程。
图1 大气层对成像的影响示意图很多人会有疑问，什么情况下需要做大气校正，我们购买或者其他途径获取的影像是否做过大气校正。
通俗来讲，如果我们需要定量反演或者获取地球信息、精确识别地物等，需要使用影像上真实反映对太阳光的辐射情况，那么就需要做大气校正。
我们购买的影像，说明文档中会注明是经过辐射校正的，其实这个辐射校正指的是粗的辐射校正，只是做了系统大气校正，就跟系统几何校正的意义是一样的。
目前，遥感图像的大气校正方法很多。
这些校正方法按照校正后的结果可以分为2种：∙∙●绝对大气校正方法：将遥感图像的DN(Digital Number)值转换为地表反射率、地表辐射率、地表温度等的方法。
∙∙●相对大气校正方法：校正后得到的图像，相同的DN值表示相同的地物反射率，其结果不考虑地物的实际反射率。
常见的绝对大气校正方法有：●基于辐射传输模型∙ ∙♦MORTRAN模型∙ ∙♦LOWTRAN模型∙ ∙♦ATCOR模型∙ ∙♦6S模型等●基于简化辐射传输模型的黑暗像元法●基于统计学模型的反射率反演；相对大气校正常见的是：●基于统计的不变目标法●直方图匹配法等。
既然有怎么多的方法，那么又存在方法选择问题。
这里有一个总结供参考：1、如果是精细定量研究，那么选择基于基于辐射传输模型的大气校正方法。
2、如果是做动态监测，那么可选择相对大气校正或者较简单的方法。
3、如果参数缺少，没办法了只能选择较简单的方法了。
定量遥感分析
定量遥感分析随着经济和科技的发展，国家的宏观决策、资源调查、环境及灾害监测等影响国民经济发展的关键领域急需数据支持，要求数据具有空间上的宏观性，时间上的连续性和可获取数据的全面性。
而遥感技术正具备这一能力，它能够以不同的时空尺度不断地提供多种地表特征信息。
但是与遥感卫星获取数据的能力相比，遥感数据的自动、定量化处理乃至对遥感数据信息的理解能力与对遥感数据的有效利用却远远不足，这也是目前制约遥感发挥作用的瓶颈问题。
因此，定量遥感逐渐成为遥感发展的主要方向。
一、什么是定量遥感定量遥感或称遥感量化遥感研究，主要指从对地观测电磁波信号中定量提取地表参数的技术和方法研究，区别于仅依靠经验判读的定性识别地物的方法。
它有两重含义：遥感信息在电磁波的不同波段内给出的地表物质的定量的物理量和准确的空间位置；从这些定量的遥感信息中，通过实验的或物理的模型将遥感信息与地学参量联系起来，定量的反演或推算某些地学或生物学信息。
定量遥感不仅要进行遥感建模与各种前向模型的研究，还要进行各种反演模型和反演策略的研究。
目前在国际上，越来越多的学者们认识到遥感科学在地学从传统定点观测数据到不同空间范围多尺度空间转换和地球系统科学研究中的不可替代作用。
而遥感科学能够在多远数据综合集成及地学应用方面对地球系统科学研究发挥决定性作用。
然而，相对快速发展的遥感技术而言，定量遥感的基础研究仍严重不足。
这对全世界遥感科学界都是一个挑战，对我们来说则更多的是一种跨越发展的机遇。
二、遥感模型分类：1.统计模型（即经验模型）：基于陆地表面变量和遥感数据的相关关系，对一系列的观测数据做经验性的统计描述或者进行相关性分析，构建遥感参数与地面观测数据之间的线性回归方程。
优点：参数少；容易建立且可以有效概括从局部区域获取的数据，简便，适用性强；缺点：有地域局限性，所以可移植性差；理论基础不完备，缺乏对物理机理的足够理解和认识，参数之间缺乏逻辑关系。
2.物理模型：其模型参数具有明确物理意义，并试图对作用机理进行数学描述。
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R 2,1 R 3,1 0
R 2,2 0
0
0
0
R 4,3
0
0
R 4,4
0
0
R 4,5
000
00 0
00 0
0 R 3,9 0 00 0
0 0 0 000
• 随机模型 • 平板模型和PROSPECT 模型 • N流模型
9
§4.3.2 叶片反射率模型
1.随机模型（stochastic model）
随机模型通过马尔可夫链来模拟辐射传输
它将叶片分割为两个独立的组织： 栅栏组织和海棉组织。定义了四种辐 射状态：太阳光、反射、吸收、透过 以及在不同的间隔间从一种辐射状态 到另一种辐射状态的转换概率。这些 概率是以叶片物质的光学特性为基础 确定的。
§4.3.1 叶片生物化学特性 §4.3.2 叶片反射率模型 §4.3.3 植被生化组分提取方法
8
§4.3.2 叶片反射率模型
• 学习反射率模型的思路
• 模型是如何将辐射能量的传输过程进行定量化地描述的？ • 模型是如何建立生化参数与辐射能量的关系的？ • 利用模型能否实现生化参数的求解？
• 代表性模型
显然这决定于吸收物质的种类及其含量，吸收系数。
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§4.3.2 叶片反射率模型
1.随机模型
在栅栏组织中，考虑吸收因素根据比尔定律有：
I I 0exp(k(i)Xpp(i))
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：
2
§4.4 叶片反射率模型和生化参数反演
像元反射率与
冠 几何光学模型 四分量的关系
层
反
射
率
模 型
辐射传输模型
通过微分方程
求解双向反射率
森林的郁闭度 郁闭度
生物物理参数
叶面积密度分布 叶面积指数
G函数
叶倾角LAD
函数
存在两个问题：
1.生物化学参数如何与反射率关联 2.辐射传输模型需借助叶片光学性质模型
4
§4.3.1 叶片生物化学特性
假 叶子的剖面结构
想 的 典 型 健 康 叶 片 的 剖 面 叶 片 的 电 子 显 微 影 像
蜡层 上表皮层
栅栏 组织 叶 肉 海绵状 组织
下表皮层
基本上是透明的 (1-3%) 透光性能极好,布满气孔
•水份 •叶绿素 •胡罗卜素 •蛋白质
对太阳短波 辐射具有的 强烈选择性
•吸收基本上可以忽略，散射作用占据了主导地位 •反射率与透射率是相近的 随机性
(3)1.1μm-2.5μm
•被液态水的吸收特性所控制 •中心分别在1.42μm 与1.96μm
6
§4.3.1 叶片生物化学特性
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
7
第四章 植被定量遥感模型 §4.4 叶片反射率模型和生化参数反演
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《定量遥感》
第四章 植被定量遥感模型
武汉大学遥感信息工程学院 龚龑
第四章 植被定量遥感模型 §4.1 冠层反射率模型概述 §4.2 冠层反射率几何光学模型 §4.3 植被辐射传输模型 §4.4 叶片反射率模型和生化参数反演
§4.3.1 叶片生物化学特性 §4.3.2 叶片反射率模型 §4.3.3 植被生化组分提取方法
栅栏组织漫射反射出去和向下进入海绵组织，而漫射反射和进入 海绵组织的概率，取决于它们之间的质量之比。
R6,5
R5,3
/
2
Xpp (Xpp Xsm)
R7,5
R5,3
/
2
Xsm (Xpp Xsm)
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§4.3.2 叶片反射率模型
1.随机模型
用矩阵P 表达上述过程及其间相互关系，则
0 0 0 0 0 P 0 0 0 0 0
4
R4,3 (1 exp(k(i)Xpp(i)))
1
13
§4.3.2 叶片反射率模型
1.随机模型
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
4
R8,7 (1 exp(k (i) Xsm(i)))
1
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＝R4,3 ／2 。
14
§4.3.2 叶片反射率模型
1.随机模型
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。
R5,3 (1 R4,3) / 2
R7,3 (1 R4,3) / 2
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
7.辐射进入海绵组织
7
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
漫反射能
6
量
5 栅栏组织 散射
4 栅栏组织 吸收
9 海绵组织 散射
8 海绵组织 吸收
10 漫射透过 能量
11
§4.3.2 叶片反射率模型
1.随机模型
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。
叶片反射率模型
生化参数
3
§4.3.1பைடு நூலகம்叶片生物化学特性
建立模型的前提是什么？
几何光学模型和辐射传输模型的建模前提，是对描 述冠层性质的要素予以明确或进行假设。
叶片反射率建模
描述叶片生物化学特性的要素
叶子的剖面结构
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，为了更好地理解这种相互作用 的过程，了解叶子剖面结构是十分必要的。
给定一个表述入射辐射的初始失量，通过迭代方式直到平稳 状态，就可以获得叶片的反射率和透过率。
10
§4.3.2 叶片反射率模型
1.随机模型
这10个过程可以表示为：
1
太阳 辐射
1.太阳入射辐射
2 蜡质层反 射
2.蜡质层反射的太阳辐射
3.辐射进入栅栏组织
3
4.栅栏组织的吸收
栅栏组织
5.栅栏组织的散射
6.漫射反射的辐射
透光性能极好,布满气孔
5
§4.3.1 叶片生物化学特性
单叶的波谱特征 正常生长的植被在多数情况，其谱特征基本上被叶簇
所控制，因此植被的谱特征，核心体现在叶子的谱特征。
单叶片的光谱特征可以分为三个区域
(1)0.4μm - 0.7μm (2)0.7μm - 1.1μm
•叶绿素a以0.45μm为中心的吸收带 •叶绿素b以0.66μm 为中心的吸收带 •胡罗卜素、叶黄素在0.43μm-0.48μm的吸收带