植被遥感上机课程-植被辐射传输模型共59页文档
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第二章 植被遥感应用模型
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内部的多次反射与折射，向上反射穿出上表皮层便构成反射光，向下折射穿出下表皮层便 形成透射光，这一过程具有明显的随机性质，因此反射率与透射率是相近的。这一波段范 围内具有很宽很强的反射峰是植被所独有的波谱特征，当叶子发生枯萎或因缺水而凋谢， 这意味着细胞的萎缩，折射率差异的减少，其宏观表现为这一波段的反射率值明显下降。 (3)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，图 2-1-5 展示了液态水 的吸收特征。对可见光而言，液态水是相当透明的，但在近红外波段它存在两个强烈的吸 收峰，中心分别在 1.42μm 与 1.96μm，这就造成了叶子在这两个中心带上存在两个强烈的 吸收谷，其谷深与液态水含量有关。 基于能量守恒原理，反射率(ρλ)，透射率(τλ)与吸收率(αλ)，三者之和等于“1” 。 ρλ + τλ + αλ = 1 它们三者之间相互关系示意图 2-1-6 (4)单片叶子的波谱从以 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，也就是∂(∂ρλ) / ∂(∂λ)= 0 的点，我们称拐点所对应的波长为“红 边” ，显然“红边”的变动与叶子内部的物理状态密切相关，例如任何原因引起近红外反射 峰的降低，均为引起“红边”位置的迁移，所以“红边”概念对排除外来干扰，特别是对 来自土壤背景的干扰，提取植被状态信息是十分有用的，有关问题我们将在成象光谱仪的 遥感信息提取方法一节中详述。 通过以上分析，单叶面的波谱特征基本上被叶子内部所含物质种类、数量以及叶子内 部结构，叶子物理状态所控制，因此可以判断不同生育期的叶子亦可能展示出波谱特征上 的差别 ，图 2-1-7 展示了白色橡树叶的反射率，波谱随季节的变化规律。 应该注意到 4 月 17 日嫩叶的反射率光谱特征是以 0.68μm 为中心的强吸收谷还没有形 成，这表明嫩叶内的叶绿素，含量还较低，同时 0.74μm-1.1μm 波段的反射峰值却很高， 接近 50%，这表明嫩叶内的细胞是充分膨胀的，叶子表面的蜡层还没有充分形成，随着时间 推移吸 收谷和反射峰逐步形成，叶子成熟后其波谱特征少变，当叶子接近枯萎，首先以 0.68μm 为中心的吸收谷被填塞，随之红外反射峰值逐步减小。 多层叶子重迭时叶子反射率波谱特征由图 2-1-8 所示，所展示的为棉花叶子重迭时的 波谱。 当层数增加时， 0.7μm-1.1μm 波段的反射峰值亦随之增加， 并逐步趋近于一个极值， 而吸收谷基本不变，这是因为单叶片在 0.68μm 附近的吸收率往往高达 90%以上，而反射峰 值一般低于 50%，换言之反射与透射具有相近的数值。 1.3 单片叶子波谱特征的理论解释 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，由图 2-1-9 展示对该图作如下说明： (1)代表太阳辐射 (2)代表由表面蜡层直接反射的太阳辐射 (3)栅网薄壁组织 (4)薄壁组织内的吸收过程 (5)薄壁组织内的散射过程 (6)由薄壁组织向上的漫辐射 (7)海绵状叶肉层
植被遥感上机课程HYPERION大气校正PPT课件
大气校正 的常用方法
（1）暗目标法 （2）不变地物法
—经验线性法等。 （3）直方图匹配法 （4）基于大气传输模型法:
— 6S、MORDTRAN、LOWTRAN、 ATREM 、 FLAASH（耦合MODTRAN ）等。
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本次上机内容
一、计算表观反射率 二、ENVI的FLAASH大气校正 三、ENVI的经验线性法大气校正
第26页/共32页
打开Empirical line 模块
第27页/共32页
选择BIL或者BIP格式辐亮度文件
第28页/共32页
图像roi
第29页/共32页
地面测量数据 （sandandwater.txt）
暗目标：水体 亮目标：湖边沙土地
ROI选择
第30页/共32页
处理结果
第31页/共32页
BIP； （2）数据带有wavelenth值，如果是高光谱数据要求带有
FWHM值，这些值可以在头文件里或者单独的ASCII 文件里编写好。 （3）根据输入数据单位，计算缩放因子。
第17页/共32页
第18页/共32页
1 打开FLAASH模块，输入数据 2 输入Radiance Scale Factors
这是一个单位转换因子 ， FLAASH要求输入的是 uw/cm2*sr*nm，而计算的Lλ的单位是w/m2 *str*um，因 此转换因子为10。FLAASH的转换因子是除法。 3设置输出参数，包括：Output Reflectance File、Output Directory for FLAASH Files、和Output Directory for FLAASH Files 4输入中心经纬度 5设置传感器参数、成像参数 6设置大气模型及气溶胶模型 7设置气溶胶反演波段
遥感物理讲座 第十章 遥感辐射传输及模型发展
0.08
HOT SPOT
HOTSPOT-DARKSPOT DARKSPOT
NADIR
in the red band Reflectance Reflectance in the Red band
0.07
0.06
0.05
DARK SPOT
0.04
0.03
0.02 -nc et al., 1999
View Factors from foliage
Sky Sunlit Foliage Shaded Foliage
Shaded Background
Sunlit Background
Multiple Scattering
Sky diffused light
《遥感物理》课程讲座-10 ----植被遥感辐射传输模型
目 录
大气辐射传输模型（6S、MODTR4） 水体辐射传输模型（GODEN） 植被辐射传输模型（RT） 植被几何光学模型（GO）
一、植被遥感模型概述
Three examples of different canopy architecture
-60 -30 0 30 60 90
View Zenith Angle View zenith angle
图 在不同观察角度上模拟的树冠反射率，相当于由传感器－地物－太阳所形成的观察平面与太阳主 平面平行。
CONIFER FOREST JUNE 6-10, 1997
Airborne POLDER Measurements and simulations of an old black spruce stand
（3）背景阴影面积（斜阴影条）： 三块面积之和为：
三、垂直视条件下的几何光学模型
遥感辐射传输模型
遥感辐射传输模型*名：**学院：地球科学与环境工程学院专业：遥感科学与技术班级：遥感一班提交时间：2015年5月10日大气订正是遥感技术的重要组成部分，主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。
如果获得了大气特性参数，进行大气订正就变得相对容易，但是获得准确的大气特性参数通常比较困难。
通常有两类方法用辐射传输方程计算大气订正函数：一种是直接的方法，对于大气透过率函数和反射率函数，通过对模型的积分来得到；另一种是间接的方法，他不是直接计算所需要的大气订正函数，而是通过辐射传输模型输出的表观反射率，结合模型输入的参数来求解。
大气订正方法有很多，比如：基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。
它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气订正的方法。
其中，大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法，它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果，其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后，在遥感器上所获得的信息，其中考虑了光子与大气相互作用机理，物理意义明确，具有很高的反演精度。
大气辐射传输原理电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。
辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因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。
当电磁辐射为太阳辐射，而且忽略多次散射产生的漫射辐射时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为[1]（1）式中，IΛ是辐射强度， s是辐射通过物质的厚度，ρ是物质密度,KΛ表示对波长λ辐射的质量消光截面。
令在s=0 处的入射强度为Iλ（0），则在经过一定距离s1后，其出射强度可由式(1)积分得到（2）假定介质是均匀的，则kλ与距离s无关，因此定义路径长度（3）则式(2)可表示为（4）上式就是比尔定律，也称朗伯定律。
定量遥感-第四章植被定量遥感模型-3
22
§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
§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 )
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§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
第六章 冠层反射率模型-辐射传输
8/11 植被遥感传输理论的三个里程碑成果：
• 1950年，Chandrasekhar给出辐射传输方程的具体表达式， 并在大气和核物理等研究领域迅速得到应用和发展。 • 1953年，门司正三和佐伯敏郎（Monsi and Saeki）从实 测测定和理论推导两方面建立了光强对叶面积的依赖关系。 其中所采用的理论就是辐射传输的基本定律—BeerLambert消光定律，从而开始了用辐射传输理论对植被冠 层的研究。 • 1975年，在总结前人多年工作的基础上，Ross出版了他 的论著（俄文版），正式确定了植被内部的辐射传输方程， 进而建立植被光学特性和结构特性与辐射场之间的关系。
下标 L 表示 leaf。 uL(z)对dz在 0-H 区域积分，等于？
3/12 对于叶面积密度分布，存在：
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、最常用的参数。
a(θv,υv)
a(θi,υi)
O(θi,θv,υ)
7/11
辐射传输模型
植被遥感接收的信息是植被上界的出射辐射（不考 虑大气影响），它是辐射在植被—土壤耦合体系中 多次散射和吸收的结果，而辐射传输理论可以比较 系统、较完整地描述该过程。通过辐射传输理论， 我们可以准确地计算植被上界的出射辐射量，或根 据这一信息反演植被的光学特性和结构特性，因而 从理论的高度解决了植被遥感的定量化问题。同时 在解决问题的过程中，还可以借鉴许多辐射传输理 论的最新进展和突破，从而将使这一领域充满活力。 , L )d L 1
式中积分区域 2π+ 为上半球空间，这是因为叶片只 能计算单面。对于平面平行假设，存在 gL(r, ΩL) = gL(z, ΩL) 。 叶片在2π+空间均匀分布时， g (z, Ω ) = ?
定量遥感-第四章植被定量遥感模型-2
常要引入一个中间变量，这个变量就是Ross and Nilson提 出的 G 函数，它的定义为：
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。
1/27
《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
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
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§4.3.1 植被辐射传输中常用参数
遥感物理-辐射传输模型
首先引入叶片散射相函数γL(ΩL, Ω’Ω)，表示当 方向为Ω’的辐射入射到法向取向为ΩL的叶片时， 被散射到Ω方向的比例。
若叶片的散射特征可以看成是两个半径不同的反射 和透射半球，即：
叶片的物理特性包括叶片尺度、叶片取向、叶表 面粗糙度以及叶片光学性质（如反射率、透过率 和吸收率）等。
考虑由叶片所组成的整体性质，需要定义一些植 被群体特性参数，它们是对植被冠层结构和光学 特征的一种提炼化描述，是对全体叶片分布统计 平均的结果。这些统计量包括叶面积密度分布、 G函数和函数。
叶面积密度分布
当然，由于相互融合，两类模型现在已经区分不明显了， 即以几何光学为基础的模型加入了对多次散射的考虑，而 以辐射传输为基础的模型加入了对热点现象的考虑。
热点(hot spot)现象
所谓热点(hot spot)现象，即当传感器与太阳位于同 一方向时，传感器所接收的地面辐射最强（地面反 射率最大、地面光强最强、最热）。 几何光学模型可以较好地解释热点现象。 光照背景的比例
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上均有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象， 即当观测方向与辐射方向正好相反时，出现较强的反 射亮度。
2）植被累积面积增大
“丘形”分布
在背景土壤反射率较高（如红 光波段）而且植被较为稀疏的 情况下，反射率会出现“丘形” 分布。 原因：1）星下点背景反射率 影响较大
若叶片的散射特征可以看成是两个半径不同的反射 和透射半球，即：
叶片的物理特性包括叶片尺度、叶片取向、叶表 面粗糙度以及叶片光学性质（如反射率、透过率 和吸收率）等。
考虑由叶片所组成的整体性质，需要定义一些植 被群体特性参数，它们是对植被冠层结构和光学 特征的一种提炼化描述，是对全体叶片分布统计 平均的结果。这些统计量包括叶面积密度分布、 G函数和函数。
叶面积密度分布
当然，由于相互融合，两类模型现在已经区分不明显了， 即以几何光学为基础的模型加入了对多次散射的考虑，而 以辐射传输为基础的模型加入了对热点现象的考虑。
热点(hot spot)现象
所谓热点(hot spot)现象，即当传感器与太阳位于同 一方向时，传感器所接收的地面辐射最强（地面反 射率最大、地面光强最强、最热）。 几何光学模型可以较好地解释热点现象。 光照背景的比例
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上均有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象， 即当观测方向与辐射方向正好相反时，出现较强的反 射亮度。
2）植被累积面积增大
“丘形”分布
在背景土壤反射率较高（如红 光波段）而且植被较为稀疏的 情况下，反射率会出现“丘形” 分布。 原因：1）星下点背景反射率 影响较大