植被遥感上机课程植被辐射传输模型课件

植被辐射传输过程400-2500nm400-2500nm：地表反射率地表反射率植被辐射传输过程400-2500nm：1 花青素anthocyanins 类胡萝卜素carotenoids 叶黄素 brown pigments 叶绿素 chlorophylls叶片光谱受到叶片色素的影响植被患病变色植被患病变色 花青素anthocyanins 叶绿素 chlorop2地物辐射模型地物辐射模型描述辐射传播，与地物发生相互作用（吸收、散射、发描述辐射传播，与地物发生相互作用（吸收、散射、发射等）的过程。射等）的过程。构建了地物理化、结构的特性与地物辐射特性的关系。构建了地物理化、结构的特性与地物辐射特性的关系。植被参数植被参数模型模型正演正演反演反演遥感光谱遥感光谱遥感光谱遥感光谱地物辐射模型构建了地物理化、结构的特性与地物辐射特性的关系。3Meroni,M.,R.Colombo,et al.(2004).Inversion of a radiative transfer model with hyperspectral observations for LAI mapping in poplar plantations.Remote Sensing of Environment 92:195-206.（1）反演植被参数）反演植被参数植被辐射模型可以做什么？植被辐射模型可以做什么？Meroni,et al.(2004)基于DAIS航空高光谱影像，利用PROSAIL模型，反演了植被LAI参数。Meroni,M.,R.Colombo,et al.4Zarco-Tejada,P.J.,J.R.Miller,et al.(2004).Hyperspectral indices and model simulation for chlorophyll estimation in open-canopy tree crops.Remote Sensing of Environment 90(4):463-476.（2）模型正演的应用模型正演的应用植被辐射模型可以做什么？植被辐射模型可以做什么？Zarco-Tejada,et al.(2004)利用植被遥感模型模拟光谱，比较不同植被指数的性能。植被参数植被参数植被遥感植被遥感模型模型遥感光谱遥感光谱模拟结果模拟结果1）调整某一个参数）调整某一个参数 2）查看参数调整带来的模拟结）查看参数调整带来的模拟结果变化；果变化；3）进而发现敏感参数、及对应）进而发现敏感参数、及对应的敏感波段；的敏感波段；4）优选植被指数等）优选植被指数等Zarco-Tejada,P.J.,J.R.Mil5尝试回答的问题尝试回答的问题叶绿素叶绿素 可见光可见光-近红外吸收？特征？近红外吸收？特征？叶片水分叶片水分 近红外近红外-短波红外吸收？特征？短波红外吸收？特征？叶片干物质叶片干物质 短波红外吸收？特征？短波红外吸收？特征？叶面积指数对植被光谱的影响叶面积指数对植被光谱的影响?波段范围？强度波段范围？强度如何？如何？尝试回答的问题叶绿素 可见光-近红外吸收？特6本次上机目的本次上机目的掌握几种流行的植被冠层光谱模型，分析掌握几种流行的植被冠层光谱模型，分析不同参数对应的光谱特征。不同参数对应的光谱特征。简单来说：简单来说：1）调参数：调参数：固定其他参数不变，改变一个参数的设固定其他参数不变，改变一个参数的设置；置；（模型软件输入）（模型软件输入）2）转模型：转模型：获得不同参数对应的光谱数据集获得不同参数对应的光谱数据集；（模（模型软件输出文本文件）型软件输出文本文件）3）敏感性分析：敏感性分析：分析参数变化带来的光谱变化。分析参数变化带来的光谱变化。（文本文件导入（文本文件导入EXCEL，在，在EXCEL表里面展示、分析）表里面展示、分析）本次上机目的掌握几种流行的植被冠层光谱模型，分析不同参数对应7文本文件导入文本文件导入excel第一种方式：使用第一种方式：使用EXCEL直接打开文本文件，输入分列符号设置，进行分列直接打开文本文件，输入分列符号设置，进行分列第二种方式：第二种方式：COPY文本进入文本进入EXCEL，利用分列工具，对数据进行分列，利用分列工具，对数据进行分列文本文件导入excel第一种方式：使用EXCEL直接打开文本8叶片光学模型叶片光学模型叶片光学模型叶片光学模型扁平叶模型扁平叶模型扁平叶模型扁平叶模型学习学习学习学习PROSPECTPROSPECTPROSPECTPROSPECT（Jacquemoud,1990）针叶模型针叶模型针叶模型针叶模型学习学习学习学习LIBERTYLIBERTYLIBERTYLIBERTY（Dawson et al,1998）植被冠层模型植被冠层模型植被冠层模型植被冠层模型连续型冠层模型连续型冠层模型连续型冠层模型连续型冠层模型学习学习学习学习SAILSAILSAILSAIL（Verhoef,1984）几何光学模型几何光学模型几何光学模型几何光学模型学习学习学习学习5-SCALE5-SCALE5-SCALE5-SCALE(Chen J M,1997）植被遥感模型植被遥感模型耦合模型：耦合模型：耦合模型：耦合模型：（1 1 1 1）PROSPECT+SAIL PROSPECT+SAIL PROSPECT+SAIL PROSPECT+SAIL （2 2 2 2）LIBERTY+5-SCALELIBERTY+5-SCALELIBERTY+5-SCALELIBERTY+5-SCALE叶片光学模型植被遥感模型耦合模型：（1）PROSPECT9叶片的类型差异叶片的类型差异扁平叶（阔叶）扁平叶（阔叶）针叶针叶 植被的叶片类型植被的叶片类型学习学习PROSPECTPROSPECT（Jacquemoud,1990）学习学习LIBERTYLIBERTY（Dawson et al,1998）叶片的类型差异植被的叶片类型学习PROSPECT（Jacqu10冠层的类型差异冠层的类型差异连续型冠层（均一、混沌）连续型冠层（均一、混沌）非连续型冠层非连续型冠层 植被的冠层类型植被的冠层类型学习学习SAILSAIL（Verhoef,1984）学习学习5-SCALE5-SCALE(Chen J M,1997）冠层的类型差异植被的冠层类型学习SAIL（Verhoef,11扁平叶模型扁平叶模型扁平叶模型扁平叶模型学习学习学习学习PROSPECTPROSPECTPROSPECTPROSPECT（重点）（重点）（重点）（重点）连续型冠层模型连续型冠层模型连续型冠层模型连续型冠层模型学习学习学习学习SAIL SAIL SAIL SAIL（重点）（重点）（重点）（重点）针叶模型针叶模型针叶模型针叶模型学习学习学习学习LIBERTYLIBERTYLIBERTYLIBERTY几何光学模型几何光学模型几何光学模型几何光学模型学习学习学习学习5-SCALE5-SCALE5-SCALE5-SCALE实习顺序实习顺序扁平叶模型学习PROSPECT（重点）实习顺序12TAR鲜叶片和干叶片的反射率光谱（鲜叶片和干叶片的反射率光谱（R）和透过率光谱（）和透过率光谱（T）干枯叶片干枯叶片一般认为，一般认为，叶片的反射和透射率光谱叶片的反射和透射率光谱，是由，是由叶片组分叶片组分的的吸收吸收和散射和散射功能决定的。功能决定的。叶片主要组分：叶片主要组分：叶绿素，类胡萝卜素，水，纤维素，木质素，叶绿素，类胡萝卜素，水，纤维素，木质素，淀粉，蛋白质等。淀粉，蛋白质等。新鲜叶片新鲜叶片叶片模型叶片模型T鲜叶片和干叶片的反射率光谱（R）和透过率光谱（T）干枯叶片13叶片模型叶片模型实习内容：实习内容：平板模型，以平板模型，以平板模型，以平板模型，以PROSPECTPROSPECT为例为例为例为例叶片模型实习内容：14早期的PROSPECT模型 针对针对紧密叶片紧密叶片的，对于双子叶和衰的，对于双子叶和衰老叶片是不合适的，也即还老叶片是不合适的，也即还没有考虑叶没有考虑叶片内空气间隔片内空气间隔等的影响。等的影响。PROSPECT的改进之一 假设叶片是由假设叶片是由N N层同性层叠起来的，层同性层叠起来的，被被N-1N-1层空气间隔分割开来层空气间隔分割开来。N N不一定是整数。不一定是整数。PROSPECT 模型模型N N被称为是叶肉结构指数。被称为是叶肉结构指数。早期的PROSPECT模型PROSPECT 模型N被称为是叶15PROSPECTPROSPECT模型含有以下参数：模型含有以下参数：N N叶肉结构参数叶肉结构参数（叶肉层数叶肉层数）C Cabab叶绿素含量（叶绿素含量（叶肉透过系数叶肉透过系数 有关有关）C Cw w叶片含水量叶片含水量（叶肉透过系数叶肉透过系数 有关有关）C Cmm干物质含量干物质含量（叶肉透过系数叶肉透过系数 有关有关）n n 叶肉界面折射指数叶肉界面折射指数n n；（叶肉界面的折射属性叶肉界面的折射属性）最大入射角最大入射角（叶表面粗糙度叶表面粗糙度）PROSPECT模型含有以下参数：16输出：输出：叶片反射率和透过率（400-2500nm，5nm间隔）输出：17PROSPECT模型模型(WINSail软件中软件中)实习实习PROSPECT模型(WINSail软件中)18从从从从WINSailWINSail软件中软件中软件中软件中打开打开打开打开PROSPECTPROSPECT从WINSail软件中19PROSPECTPROSPECT 界面界面界面界面叶肉结构参数叶肉结构参数N N叶绿素含量叶绿素含量叶片含水量叶片含水量干物质含量干物质含量叶黄素含量叶黄素含量PROSPECT叶肉结构参数N20PROSPECT 模型的参数模型的参数输入表入表PROSPECT 模型的参数输入表21PROSPECTPROSPECT模型模型模型模型(WINSail(WINSail）两种数据获取方式：两种数据获取方式：两种数据获取方式：两种数据获取方式：单波段单波段单波段单波段多波段多波段多波段多波段模拟计算模拟计算PROSPECT模型(WINSail）模拟计算22PROSPECTPROSPECT模型模型模型模型(WINSail(WINSail）存为一个文件，PROPECT的叶片反射率和透过率光谱，可为WINSail使用。PROSPECT模型(WINSail）存为一个文件，23波长（nm）w05w10w15w20不同的不同的叶片水分含量叶片水分含量模拟的叶片反射率（左）和透过率（右）模拟的叶片反射率（左）和透过率（右）结果范例果范例波长（nm）w05w10w15w20不同的叶片水分含量模拟的24冠层模型冠层模型实习内容：实习内容：连续型冠层模型连续型冠层模型连续型冠层模型连续型冠层模型(SAIL(SAIL为例为例为例为例)冠层模型实习内容：25连续型冠层模型连续型冠层模型连续型冠层模型连续型冠层模型SAILSAILSAILSAIL模型为例模型为例模型为例模型为例SAIL模型假设冠层具有如下性质模型假设冠层具有如下性质：冠层冠层水平且无限延伸水平且无限延伸；冠层冠层组分只考虑叶片；组分只考虑叶片；冠层冠层分布是各向同性的分布是各向同性的。冠层冠层叶片叶片太阳与观测环境太阳与观测环境连续型冠层模型SAIL模型为例SAIL模型假设冠层具有如26PROSAIL模型的参数模型的参数输入表入表PROSAIL模型的参数输入表27SAILSAIL模型的模型的WINWIN版本版本光源与观测参数光源与观测参数叶片与土壤参数LAI叶片倾角分布函数叶片倾角分布函数冠层的多层结构冠层的多层结构SAIL模型的WIN版本光源与观测参数叶片与土壤参数LAI叶28叶倾角分布函数叶倾角分布函数29单独使用单独使用WINSail模拟模拟分析冠层结构参数和反射率光谱的关系分析冠层结构参数和反射率光谱的关系单独使用WINSail模拟3031冠层反射率随：叶面积指数LAI、平均叶倾角LAD 的变化 31冠层反射率随：叶面积指数LAI、平均叶倾角LAD 的变化31WINSail结合结合PROSPECT分析叶片参数对冠层反射率的影响分析叶片参数对冠层反射率的影响WINSail结合PROSPECT32冠层反射率随：层反射率随：a)叶肉结构参数叶肉结构参数N;b)叶绿素叶绿素 Cab;c)水含量水含量Cw;d)干物质干物质Cm冠层反射率随：a)叶肉结构参数N;b)叶绿素 C33叶片模型叶片模型实习内容：实习内容：针叶模型，以针叶模型，以针叶模型，以针叶模型，以LIBERTYLIBERTY为例为例为例为例叶片模型实习内容：34针叶模型针叶模型LIBERTY的针叶内辐射传输模型 Dawson et al.(1998)发展了针叶的叶片辐射传输模型LIBERTY。LIBERTY模型通过若干层细胞的反射率和透过率的迭代过程求得单个针叶的反射率和透过率，需要3大类、共9个输入参数。针叶模型LIBERTY的针叶内辐射传输模型 35LIBERTY模型输入参数模型输入参数LIBERTY模型输入参数36LIBERTYLIBERTY模型输入参数的英文对照模型输入参数的英文对照LIBERTYLIBERTY模型输入参数的英文对照37LIBERTY模型（模型（5-SCALE软件中）软件中）实习实习LIBERTY模型（5-SCALE软件中）385-SCALE5-SCALERUN LIBERTYRUN LIBERTY5-SCALERUN LIBERTY39植被遥感上机课程植被辐射传输模型课件40输出文件的设置输出文件的设置输出文件的设置41冠层模型冠层模型实习内容：实习内容：几何光学模型几何光学模型几何光学模型几何光学模型(5-SCALE(5-SCALE为例为例为例为例)冠层模型实习内容：42几何光学模型几何光学模型5-SCALE模型为例模型为例直接照射冠层直接照射冠层 直接照射冠层与非直接照射冠层直接照射冠层与非直接照射冠层 非直接照射的冠层非直接照射的冠层独立几何冠层形状的植被独立几何冠层形状的植被几何光学模型5-SCALE模型为例直接照射冠层 435-SCALE建模建模叶片独立个体的冠层空间分布5-SCALE建模叶片独立个体的冠层空间分布445-SCALE软件的特色软件的特色突出植被冠层的二向性突出植被冠层的二向性植被光谱的二向性？植被光谱的二向性？不同观测角度，观测到不同观测角度，观测到不同强度的遥感反射率不同强度的遥感反射率5-SCALE软件的特色突出植被冠层的二向性455-SCALE软件的功能软件的功能使用使用5-SCALE的三种模式的三种模式（1）太阳平面上的反射率二向性模式）太阳平面上的反射率二向性模式（2）单波段反射率的二向性模式）单波段反射率的二向性模式（3）太阳平面上的反射率高光谱模式）太阳平面上的反射率高光谱模式使用使用5-SCALE模型，可关注针叶林的模型，可关注针叶林的BRDF响应。响应。5-SCALE软件的功能使用5-SCALE的三种模式465-SCALE模型输入参数模型输入参数观测天顶角度观测天顶角度 太阳天顶角太阳天顶角相对方位角相对方位角叶面积指数叶面积指数 LAI LAI丛生指数丛生指数树木密度树木密度树冠垂直高度树冠垂直高度 杆高杆高冠层半径冠层半径冠层形状（冠层形状（1 1 圆锥加圆柱；圆锥加圆柱；2 2 椭圆）椭圆）枝叶几何参数枝叶几何参数叶片光谱叶片光谱下界面（背景）光谱下界面（背景）光谱5-SCALE模型输入参数观测天顶角度 47太阳入射平面的二向性太阳入射平面的二向性太阳入射平面的二向性48植被分布参数植被分布参数太阳与观测参数太阳与观测参数冠层形状冠层形状枝干属性枝干属性四种工作模式四种工作模式叶片与下界面属性叶片与下界面属性植被分布参数太阳与观测参数冠层形状枝干属性四种工作模式叶片与49使用使用5-SCALE的三种模式的三种模式（1）太阳平面上的反射率二向性模式）太阳平面上的反射率二向性模式使用5-SCALE的三种模式50太阳入射平面的二向性太阳入射平面的二向性51使用使用5-SCALE的三种模式的三种模式（2）单波段反射率的二向性模式）单波段反射率的二向性模式使用5-SCALE的三种模式52二向性太阳平面太阳平面二向性太阳平面53使用使用5-SCALE的三种模式的三种模式（3）太阳平面上的反射率高光谱模式）太阳平面上的反射率高光谱模式使用5-SCALE的三种模式54特定角度的高光谱模式不不同同的的观观测测角角波长（波长（nm）-90度度90度度特定角度的高光谱模式不同的观测角波长（nm）-90度90度55