北大定量遥感-植被遥感-北大精品课

植被遥感中的几何光学植被遥感中的几何光学和辐射传输和辐射传输北京大学北京大学2009.7.12009.7.1讲座教师讲座教师牛铮，博士，研究员牛铮，博士，研究员中国科学院遥感应用研究所中国科学院遥感应用研究所北京朝阳区大屯路，北京朝阳区大屯路，[e-mail]@irsa.ac.cn植被遥感中的几何光学植被遥感中的几何光学和辐射传输和辐射传输第一节第一节冠层反射率模型冠层反射率模型CanopyReflectance(CR)ModelCanopyReflectance(CR)Model当遥感以数据形式记录电磁波信号时，数据本当遥感以数据形式记录电磁波信号时，数据本身就隐含了一定的电磁波特性，例如以特定波长的身就隐含了一定的电磁波特性，例如以特定波长的特定偏振状态在特定时间和特定观测方向上记录特特定偏振状态在特定时间和特定观测方向上记录特定空间范围内的电磁波通量或强度。所以我们所获定空间范围内的电磁波通量或强度。所以我们所获取的遥感数据通常是反映目标物特征的全部电磁波取的遥感数据通常是反映目标物特征的全部电磁波信息的一个子集。信息的一个子集。)p,t,s,,(LL遥感数据的五种基本特征遥感数据的五种基本特征1/6地物反射光谱特性地物反射光谱特性物体反射率随波长而改变的特性称为地物反射物体反射率随波长而改变的特性称为地物反射光谱特性。光谱特性。光谱曲线：光谱曲线：植物？植物？水体？水体？土壤？土壤？云？雪？云？雪？水体水体++叶绿素？叶绿素？水体水体++泥沙？泥沙？新雪、旧雪？新雪、旧雪？地物波谱（特性）地物波谱（特性）2/6混合象元混合象元(mixedpixel)(mixedpixel)象元中存在多于象元中存在多于11种地物时，称其为种地物时，称其为““混合象混合象元元””。与此相对应，只包括。与此相对应，只包括11种地物的象元为种地物的象元为““纯象元纯象元””(purepixel)(purepixel)。。事实上，遥感图象中，尤其是低空间分辨率事实上，遥感图象中，尤其是低空间分辨率的图象中，各个象元通常都包括多种地物。的图象中，各个象元通常都包括多种地物。尽管不同的自然地物有其不同的波谱、时尽管不同的自然地物有其不同的波谱、时间、角度等特征，但是遥感记录的象元只有间、角度等特征，但是遥感记录的象元只有单一的波谱、时间、角度等特征，即混杂后单一的波谱、时间、角度等特征，即混杂后的特征。它给遥感解译造成困扰。的特征。它给遥感解译造成困扰。3/6我们如何定量地研究植被覆盖区域的反射特征？我们如何定量地研究植被覆盖区域的反射特征？植被遥感中，从一开始就被普遍认同和采用的方法植被遥感中，从一开始就被普遍认同和采用的方法是，利用植被反射光谱在可见光和近红外波段上明是，利用植被反射光谱在可见光和近红外波段上明显的不同，构建显的不同，构建遥感植被指数遥感植被指数，在研究纠正植被形，在研究纠正植被形态、土壤光学特性、太阳位置以及云和大气等影响态、土壤光学特性、太阳位置以及云和大气等影响的基础上，反演地表状况，用以与各种植被变量的基础上，反演地表状况，用以与各种植被变量（包括（包括LAILAI）、）、植株生物量、植被覆盖度、光合组织植株生物量、植被覆盖度、光合组织总量、光合有效辐射和初级生产力等因子进行相总量、光合有效辐射和初级生产力等因子进行相关。这种方法抓住了植被的光谱特征，简单而明关。这种方法抓住了植被的光谱特征，简单而明确，具有很强的实用性，易于为大多数研究者所接确，具有很强的实用性，易于为大多数研究者所接受。目前开展的大部分植被遥感的研究工作都是从受。目前开展的大部分植被遥感的研究工作都是从这方面展开的。这方面展开的。4/6在研究植被等地物的光谱特征时，人们逐渐发现了在研究植被等地物的光谱特征时，人们逐渐发现了““同物异同物异谱、异物同谱谱、异物同谱””的现象，地面测量的光谱曲线与实际遥感测的现象，地面测量的光谱曲线与实际遥感测量的光谱曲线很难一一对应。研究者考虑到这种现象可能量的光谱曲线很难一一对应。研究者考虑到这种现象可能是混合象元引起的，于是引进了是混合象元引起的，于是引进了混合象元模型混合象元模型及其求解方及其求解方法。在混合象元中，植被的反射率是已知的。法。在混合象元中，植被的反射率是已知的。但是实际上，由于植被反射率是由叶片、下层土壤等形成但是实际上，由于植被反射率是由叶片、下层土壤等形成的综合因素，即植被区域不是一个平面刚体，辐射是可以的综合因素，即植被区域不是一个平面刚体，辐射是可以穿过冠层表面的，通过各种散射后，再从冠层上界逸出，穿过冠层表面的，通过各种散射后，再从冠层上界逸出，被传感器所接收。因而形成被传感器所接收。因而形成冠层反射率模型冠层反射率模型。。可以这样认为，混合象元是二维的，冠层反射率模型是三可以这样认为，混合象元是二维的，冠层反射率模型是三维的。维的。5/6在冠层反射率模型中，通常分为两类，即几何光学模型与在冠层反射率模型中，通常分为两类，即几何光学模型与辐射传输模型。辐射传输模型。之所以分成两类模型，主要是由于地面的植被（在生态学之所以分成两类模型，主要是由于地面的植被（在生态学上就是林地、草地、农田）主要有两种外在形态。一种是上就是林地、草地、农田）主要有两种外在形态。一种是几何特征明显（如树木、灌丛、成垄分布的农作物等），几何特征明显（如树木、灌丛、成垄分布的农作物等），另一种则无明显几何特征（如大面积的草地、已封垄的农另一种则无明显几何特征（如大面积的草地、已封垄的农作物等）。作物等）。当然，由于相互融合，两类模型现在已经区分不明显了，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。以辐射传输为基础的模型加入了对热点现象的考虑。6/6第二节第二节冠层反射率模型冠层反射率模型----几何光学模型几何光学模型CanopyReflectance(CR)ModelCanopyReflectance(CR)Model––GeometricGeometric--OpticalModelOpticalModel√√§§2.12.1稀疏分布林冠椭球模型稀疏分布林冠椭球模型§§2.22.2浓密分布条件下的模型浓密分布条件下的模型植被遥感中的几何光学植被遥感中的几何光学和辐射传输和辐射传输模型假设条件描述模型假设条件描述本模型用于对森林地区冠层反射率的求算。本模型用于对森林地区冠层反射率的求算。所谓冠层反射率，指植被上界出射辐射与入所谓冠层反射率，指植被上界出射辐射与入射辐射的比值。模型有射辐射的比值。模型有22个主要假设：个主要假设：1/12••稀疏分布：森林中树木分布非常稀疏，稀疏分布：森林中树木分布非常稀疏，相互之间没有遮挡，树木阴影没有重叠；相互之间没有遮挡，树木阴影没有重叠；••椭球树冠：树冠形状为椭球。它有固定椭球树冠：树冠形状为椭球。它有固定几何形状，而且数学表达简单。几何形状，而且数学表达简单。遮挡和重叠包括照射和视角遮挡和重叠包括照射和视角22个方向。个方向。固定几何形状是几何光学模型的特点，其它还有圆固定几何形状是几何光学模型的特点，其它还有圆柱、圆锥等形状假设。柱、圆锥等形状假设。椭球向球型的坐标转换椭球向球型的坐标转换利用坐标转换可以进一步将椭球转换为球利用坐标转换可以进一步将椭球转换为球型，使数学表达更为简单。型，使数学表达更为简单。坡面方向以法线为准。坡面方向以法线为准。所有方位以所有方位以xx轴为准。轴为准。x(x(φφ=0=0))z(z(θθ=0=0))太阳太阳((θθii,,φφii))坡向坡向((θθss,,φφss))传感器传感器((θθvv,,φφvv))bbrrhh假设树冠是一个垂直假设树冠是一个垂直半径为半径为bb，，水平半径为水平半径为rr的椭球，球心位于一的椭球，球心位于一个坡度为个坡度为θθss、、方位为方位为φφss的坡面上方的坡面上方hh。。2/12经过在经过在zz方向的线形拉伸和坐标系向坡面方向旋转，斜坡方向的线形拉伸和坐标系向坡面方向旋转，斜坡上的椭球植株（林木）的几何光学问题就完全等效于水平上的椭球植株（林木）的几何光学问题就完全等效于水平地面上的球型植株问题。地面上的球型植株问题。因此，在下述推导中，我们均会采用水平球型的几何分布因此，在下述推导中，我们均会采用水平球型的几何分布假设，而不失各种椭球假设的一般性。假设，而不失各种椭球假设的一般性。3/12几何光学模型的四分量几何光学模型的四分量(fourcomponents)(fourcomponents)对稀疏森林成像时，遥感象元反射率由四部分对稀疏森林成像时，遥感象元反射率由四部分组成，即光直接照射的树冠、树冠阴影面、直组成，即光直接照射的树冠、树冠阴影面、直接照射的地面（背景）、阴影遮蔽的地面。接照射的地面（背景）、阴影遮蔽的地面。森林中的地面通常不是裸土，而是草类等低矮植被。森林中的地面通常不是裸土，而是草类等低矮植被。4/12类似上节讲过的混合象元，象元（冠层）的反射率为：类似上节讲过的混合象元，象元（冠层）的反射率为：KKCC、、KKTT、、KKGG、、KKZZ分别为几何光学模型中的四个分量，分别为几何光学模型中的四个分量，即光照树冠、阴影树冠、光照背景、阴影背景在象元中所即光照树冠、阴影树冠、光照背景、阴影背景在象元中所占面积比例，占面积比例，RRCC、、RRTT、、RRGG、、RRZZ则分别为上述四个分量的则分别为上述四个分量的反射率（假设均为朗伯反射）。反射率（假设均为朗伯反射）。几何光学模型的基础就是四分量模型，上式是其基本模型几何光学模型的基础就是四分量模型，上式是其基本模型，所有后续模型都建立在上式的基础上。其关键在于根据，所有后续模型都建立在上式的基础上。其关键在于根据假设条件，求取假设条件，求取KKCC、、KKTT、、KKGG、、KKZZ的表达式，条件不同的表达式，条件不同，面积比例，面积比例KK的表达式也不同。的表达式也不同。R=KCRC+KTRT+KGRG+KZRZ5/12RRCC、、RRTT、、RRGG、、RRZZ一般可以通过实测获得。一般可以通过实测获得。垂直下视条件下的垂直下视条件下的11棵树的光照树冠面积棵树的光照树冠面积aaCC许多传感器，如许多传感器，如LandsatLandsat、、SPOTSPOT均可以近似均可以近似看作垂直下视（看作垂直下视（nadirview)nadirview)。。aaCC的表达式是如何推导的？的表达式是如何推导的？如如左图，假设太阳以左图，假设太阳以θθii角入射半角入射半径为径为rr的球型树冠的球型树冠，，则图中以粗则图中以粗线表示的光照树冠面积为：线表示的光照树冠面积为：θθiiAACCrr)cos1(r2ai2C6/12垂直下视条件下的垂直下视条件下的11棵树的阴影树冠面积棵树的阴影树冠面积aaTT和和阴影背景面积阴影背景面积aaZZ如如左图，假设太阳以左图，假设太阳以θθii角入射半角入射半径为径为rr的球型树冠的球型树冠，，则阴影背景则阴影背景面积即是以粗线表示的面积在水面积即是以粗线表示的面积在水平面上的投影：平面上的投影：aaZZ==ππrr22/cos/cosθθii==ππrr22secsecθθii)cos1(r2arai2C2T阴影树冠面积为：阴影树冠面积为：7/12垂直下视条件下垂直下视条件下11个象元中四分量的面积个象元中四分量的面积假设假设11个象元内有个象元内有nn棵树，则四分量的面积分别为：棵树，则四分量的面积分别为：n1j2jin1jjCCr)cos1(2)a(An1j2jin1jjTTr)cos1(2)a(An1j2jin1jjZZrsec)a