高信息—背景反差比滤波特性的水、雪、植被偏振遥感探测

在光学遥感中,水的强烈镜面反射性和角度选择性使探测器饱和或反射率过低而难以提取有效信息,雪的强反射性和表面敏感性使传感器难以直接探测,植被指数在不同反射强度下的敏感性对经典植被监测方法的精度和有效性提出挑战。偏振手段可大大提高水、雪和植被的遥感识别能力。本文利用地物遥感偏振光效应的高信息—背景反差比滤波特性,解决光学遥感中水、雪的不可测量问题,以及破除植被强光反射条件下无法精细监测的瓶颈。本文从偏振高信息—背景反差比滤波特性理论出发,通过实验证明偏振手段可有效提升水的信息—背景反差比、剥离70%以上的太阳耀光,为强反射特性下的积雪遥感提供必要方法,并最高降低78%的植被监测误差。本文首次推导证明了偏振探测高信息—背景反差比滤波特性机理,在理论指导和实验深化引导下解决了光学遥感中水、雪因探测器饱和而无法测量的问题,并破除了强反射条件下植被无法精细监测的瓶颈。     

针叶林冠层热点及多角度无人机遥感观测及特征分析

多角度遥感观测是研究植被冠层BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function)特性的重要手段,但目前对森林冠层进行连续间隔采样的多角度遥感观测及数据较少,热点方向的观测尤为缺乏。本研究基于无人机多角度高光谱成像系统,在主平面上对针叶林冠层以等角度连续间隔采样进行多角度观测,获取了主平面上多角度(包括热点和暗点)高光谱影像,并将观测结果与四尺度几何光学模型模拟结果进行对比分析。多角度观测获取的植被冠层反射率呈现出典型的植被方向反射特征,后向大部分角度观测的冠层反射率高于前向,在热点处出现峰值,在暗点附近方向出现最低值,观测天顶角VZA (View Zenith Angle)较大时表现出明显的"碗边效应"。结果表明:(1)观测的针叶林冠层反射率及BRDF特性与四尺度模型模拟基本一致,但红光波段模拟的热点反射率稍低于观测,前向观测VZA较大时模拟与观测结果差异稍大;(2)冠层结构及叶片光学特性的差异会导致观测到的BRDF特征不同;(3)观测的针叶林冠层BRDF呈现明显的光谱效应,不同波段呈现的各向异性特性不同,红光波段各向异性最强,近红外波段最弱;(4) BRDF的光谱效应差异导致观测到的植被指数也表现出各向异性,NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)、PRI (Photochemical Reflectance Index)和MTCI(MERIS Terrestrial Chlorophyll Index)在热点方向最低,EVI (Enhanced Vegetation Index)在热点方向最高。本研究中无人机多角度成像观测提供的角度和高光谱信息,尤其是热点和暗点信息,在地物识别及分类、植被冠层结构反演及碳循环关键参数获取等研究方面具有较好的应用前景,在其它地物反射或热辐射等方向性特性研究中也具有较大的潜力。     

基于图像的玉米植株叶倾角概率密度分布函数提取

叶倾角是描述植被冠层结构的一种重要参数,叶倾角分布(leaf angle distribution,LAD)决定了植被冠层对辐射的截获量,也是遥感定量反演中的一个重要参数。目前实测叶倾角的方法费时、费力、主观性强、精度无法保证。提出了一种基于图像的玉米植株叶倾角概率密度函数提取方法,以求快速、精确、低成本地获取玉米植株叶倾角。首先,对图像提取骨架;然后,去除骨架图像中的毛刺、茎秆等信息,得到叶片骨架;最后,以2像素×20像素大小的搜索窗口搜索骨架提取出叶倾角。精度评价结果表明,乳熟期玉米叶倾角提取值与实测值的相关系数为0. 821 4,拔节期玉米叶倾角提取值与实测值相关系数为0. 908 7。结果表明该方法具有可行性,精度较高。     

叶片非朗伯特性影响冠层辐射分布的辐射度模型模拟与分析

在大量的植被冠层遥感模型中,辐射度模型作为一种计算机模拟模型具有很多优点,它对理解植被—辐射相互作用过程和研究植被冠层辐射机理具有重要的理论价值。传统的辐射度模型假设冠层内叶片为朗伯体。但随着对叶片特性的深入研究发现,叶片的反射特性不能单纯的看成是理想漫反射过程。为了消除传统辐射度模型的朗伯假设,完善辐射度模型,本文利用Phong光照模型模拟叶片表面非朗伯(镜面反射)部分的分布特性,在基于真实结构冠层场景的辐射度模型(RGM)的基础上,增加了叶片镜面反射分量的计算。文中以玉米冠层为例,比较并分析了叶片的镜面反射分量对冠层辐射分布的影响。最后,从辐射度模型原理出发,进一步推导得出了计算冠层镜面反射分量的辐射度公式,从理论上证明了在可见光—近红外区的冠层镜面反射分量与波长无关。本文使用的方法具有简单、易于实现的特点。经过扩展后的辐射度模型既保留了传统辐射度模型的优点,又增加了该模型的功能和模拟范围。     

高分辨率定量遥感的偏振光效应与偏振遥感新领域

随着航空航天高分辨率观测手段的逐步成熟,定量遥感在有效解决了光学地表多尺度效应后,更高分辨率的光学偏振效应在地表、大气、仪器3大要素方面逐步全面凸显出来,并直接决定或影响高分辨率观测系统的定量遥感效能实现和质量保障。例如,植被冠层极其微弱的多次散射反射偏振效应,如果不加扣除其模型误差达到136%;大气衰减本质是大气偏振效应,是遥感反演的最大误差源,误差达到5%—30%,偏振手段扣除大气误差目前已可以降低一半以上的误差;观测仪器扣除多次散射透射偏振光后,可以实现5 nm分辨率下0.1—0.3 nm高光谱定标能力,并借助偏振强化光噪声分离出中心波长偏移和带宽退化的误差根源。借助偏振"强光弱化,弱光强化",能够实现稳定度达10~(-8)月球辐亮度基准观测,为遥感辐亮度定标不确定度由7%到1%—2%跨越提供可能。     

非相干双光源植被冠层方向反射模拟与试验

基于非相干光源叠加的原理,建立了太阳-激光双光源植被冠层方向反射模型。首先,分析了太阳光和激光的特点,指出了其协同应用对植被定量遥感探测的应用潜力;其次,利用Li-Strahler几何光学模型和辐射传输SAIL模型,进行了双光源情况下的模拟研究,发现在非相干叠加的情况下,当两种光源在不同角度入射时,会出现双热点的现象,并且其强度受到两种光源各自强度的影响。基于上述原理,分别针对两种模型进行试验研究,利用模拟“树木”进行了稀疏分布的几何光学模型研究,利用小麦进行了浓密分布条件下的辐射传输模型试验研究,试验结果表明了基本原理及模拟结果的可靠性。结合相关研究分析表明,双光源建模有利于定量遥感机理模型的求解,可以利用构造的“热点”信息进行植被结构参数提取,同时对于主被动遥感协同应用和激光的植被定量遥感研究具有重要价值。     

基于室内光谱测量的玉米单叶偏振与二向性反射关系研究

本研究利用多角度光度计实测了玉米单叶的偏振反射比与二向反射比数据。该光度计能够在不同的观测天顶角、入射天顶角和方位角下测量目标物的偏振反射和二向反射,获得地物目标在2π空间的多角度观测数据。通过分析实测的偏振反射和二向反射数据,得出了玉米单叶的偏振反射与二向反射之间关系密切,最大与最小偏振反射比之和的平均数约等于同等观测条件下玉米叶片的二向反射比。该研究成果为植被遥感监测做出了一种新的尝试,并且对偏振光遥感、多角度遥感的深入研究与应用提供了依据。     

大气中性点区域偏振效应的地—气参量研究

随着中国多颗偏振遥感器搭载发射,偏振遥感成为对地观测领域一个新的增长点以及研究热点。由于大气散射具有较强的偏振效应,大气与地表偏振信号的分离是偏振对地进行有效观测和应用的一个现实问题与难点问题。本文利用晴空中有规律的偏振分布以及大气偏振中性点的性质,对利用大气中性点的偏振效应进行地表—大气偏振信息分离的可行性进行了论证。通过对大气中性点在辐射传输过程性质的计算,得出Babinet大气中性点区域的偏振效应以及基于Babinet中性点区域进行偏振对地观测的基本方法,研究重点阐述了从航空遥感和航天遥感两个层面对如何将大气中性点应用于遥感观测进行了讨论。结果表明:(1)Babinet中性点相比于其他两个中性点,更适合于偏振遥感对地观测中地—气偏振参量分离;(2)航空遥感搭载偏振传感器在Babinet中性点区域进行地表探测可以消除大气偏振,突出地物偏振信息,有效进行地—气偏振参量分离;(3)在太阳同步轨道的卫星遥感影像上能够有效识别偏振中性点区域;研究成果有效分离高分辨率偏振遥感地物反演中的大气偏振耦合效应,实现地表偏振反射信息最大化,对于偏振遥感的大气校正以及定量化水平的提升具有实践意义。     

基于真实白杨林地场景冠层辐射特性的计算机模拟

叶面积指数（LAI）和叶倾角分布（LAD）是决定植被冠层结构的重要参数。在计算机模拟植被冠层,两个参数是植被三维真实结构生成的重要控制因子。本论文中,结合计算机图像学理论,基于实验的地面实测结构参数数据利用可改写的扩展L-system方法生成草以及白杨树的真实三维场景。RGM（A radiosity-graphics combined model）模型是基于辐射度方法的计算机模拟模型,利用此模型来计算生成的三维场景可见光及近红外波段的冠层辐射特性,如冠层波谱以及方向反射特性等。在本研究中,模拟了两种不同下垫面的白杨林地：（1）下垫面只有土壤的白杨树场景;（2）下垫面包括土壤和草的白杨树。在特定的场景组分光学特性下,模拟得到两种情况的主平面冠层BRF（bi-di-rectional reflectance factor）,并对两者的差异进行了分析。可以看出,下垫面对冠层BRF的影响不可忽视。但是,由于白杨林地结构的复杂,大尺度的场景中必须由成千上万个面元组成,因此辐射度方法不能模拟大尺度的真实结构场景。为了拓展辐射度方法应用范围,根据白杨树树冠的特点,将其抽象为椭球体,从而减少场景组成面元个数,满足了辐射度方法的要求。并结合几何光学模型的思想,在对椭球体面元赋值加入了间隙率;并考虑了整个树冠的承照面以及阴影面的差异,模拟大尺度林地冠层BRF,且与GOMS模型结果符合的很好。通过以上研究,可以看出计算机模拟为遥感研究获取多角度数据信息提供了一种很好的手段。     

基于计算机模拟模型LESS的落叶松林木质元素影响分析

目前大部分植被辐射传输模型在模拟太阳辐射与植被之间的相互作用过程时,将植物结构进行了简化,只保留了叶片的结构和空间分布特征,而忽略了木质元素(枝干等)对冠层反射特性的影响。计算机模拟模型LESS能够充分考虑植被的多种组分光谱和结构特征,精确模拟植被冠层内部的光散射和辐射过程。本文以地面实测数据为基础,发展了以单木为基本单元的复杂森林三维场景重建基本流程;并在重建森林场景基础上,利用计算机模拟模型LESS模拟森林三维场景反射率,对比分析了森林木质元素对冠层反射率的影响。结果表明,忽略木质元素会引起植被冠层反射率模拟的偏差,特别是在近红外波段,在不同叶面积指数(LAI)下,其相对偏差都在40%以上。高空间分辨率是一个会突出木质元素影响的重要因素,随着空间分辨率提高,偏差也随之增大。不同等级枝干结构均对冠层反射率产生影响,即使忽略最小分枝也会引起17.7%(近红外)的估计误差。因此,在进行定量遥感研究中,必须考虑到忽略木质元素引起的偏差,即使是高LAI森林也无法忽视木质元素的影响。特别是在高分辨率遥感图像中,传统的以统计特征代替三维结构分布的辐射传输模型已经无法满足精度的要求。     

森林垂直结构参数遥感反演综述

随着遥感技术的发展,林业遥感从早期森林分类制图的定性研究,逐步发展到森林整体特性的遥感定量反演研究。目前利用遥感反演的森林叶面积指数、生物量、叶绿素浓度、碳储量等参数以描述森林生化理化特征、水平结构特征为主,而描述森林垂直结构的参数较少。本文针对不同高度处森林的叶面积密度和冠层垂直高度廓线参数,综述了遥感获取森林垂直结构参数的方法以及典型地表类型的垂直结构参数曲线,并总结了森林垂直结构参数提取方法中存在的问题,探讨未来研究方向。     

偏振反射信息在植被遥感双向反射研究中的作用

本文基于菲涅尔反射公式,结合现有的偏振反射模型对单叶与植被多角度偏振测量结果与理论结合进行分析;通过研究发现,偏振反射在前向散射方向可以通过菲涅尔反射公式进行解释,但是,在后向散射方向则需要考虑其他物理机理。此外,传感器获取的植被偏振信息既可以作为一种"噪声"来剔除,剔除后在可见光波段将相对误差从原来的30%降低到20%以内,又可以作为额外有效的信息源表征植被的结构特征:通过模型参数的大小判断冠层形态的平整程度。本文可以作为植被偏振探测的系统化方法,并且给出植被固有的偏振反射效应规律,即植被越平展光滑,产生的偏振信息越多;同时也将偏振光遥感在植被监测中的有效性凸显出来,即偏振信息的剥离有助于提升双向反射模型的计算精度。     

Modelling the spectral response of the desert tree Prosopis tamarugo to water stress

In this paper, we carried out a laboratory experiment to study changes in canopy reflectance of Tamarugo plants under controlled water stress. Tamarugo (Prosopis tamarugo Phil.) is an endemic and endangered tree species adapted to the hyper-arid conditions of the Atacama Desert, Northern Chile. Observed variation in reflectance during the day (due to leaf movements) as well as changes over the experimental period (due to water stress) were successfully modelled by using the Soil-Leaf-Canopy (SLC) radiative transfer model. Empirical canopy reflectance changes were mostly explained by the parameters leaf area index (LAI), leaf inclination distribution function (LIDF) and equivalent water thickness (EWT) as shown by the SLC simulations. Diurnal leaf movements observed in Tamarugo plants (as adaptation to decrease direct solar irradiation at the hottest time of the day) had an important effect on canopy reflectance and were explained by the LIDF parameter. The results suggest that remote sensing based assessment of this desert tree should consider LAI and canopy water content (CWC) as water stress indicators. Consequently, we tested fifteen different vegetation indices and spectral absorption features proposed in literature for detecting changes of LAI and CWC, considering the effect of LIDF variations. A sensitivity analysis was carried out using SLC simulations with a broad range of LAI, LIDF and EWT values. The Water Index was the most sensitive remote sensing feature for estimating CWC for values less than 0.036 g/cm², while the area under the curve for the spectral range 910–1070 nm was most sensitive for values higher than 0.036 g/cm². The red-edge chlorophyll index (CI_red-edge) performed the best for estimating LAI. Diurnal leaf movements had an effect on all remote sensing features tested, particularly on those for detecting changes in CWC.     

基于PROSPECT＋SAIL模型的遥感叶面积指数反演

以PROSPECT+SAIL模型为基础，从物理机理角度反演植被叶面积指数(LAI)。首先，通过FLAASH模型进行大气校正，使得图像像元值表达植被冠层反射率； 然后，根据LOPEX 93数据库和JHU光谱数据库选择植物生化参数和光谱数据，以PROSPECT模型模拟出的植物叶片反射率和透射率作为SAIL模型的输入参数，得到植被冠层反射率，将结果与遥感影像的植被冠层反射率对应，回归出植被LAI； 最后，以地面实测数据对遥感反演数据进行验证，并分析了误差的可能来源。     

植被冠层光谱和叶片光谱的尺度转换

叶片光谱是估算植被生化参数的重要依据。然而,遥感影像获取的光谱为像元及冠层光谱,因此,在进行植被生化参数的遥感定量估算时,需将冠层光谱转化到叶片尺度。根据几何光学模型原理,推导出植被冠层光谱和叶片光谱的尺度转换函数,将冠层光谱转换到叶片尺度。首先,采用叶片光谱模拟模型PROSPECT模拟出叶片水平的光谱;其次,在几何光学模型4-scale模型中,通过改变叶片光谱和叶面积指数（leaf area index,LAI）,模拟出不同叶片特征下的冠层光谱。最后,通过LAI建立两个查找表,一个是传感器观测到树冠光照面和背景光照面概率的查找表,另一个是多次散射因子M的查找表,从而实现冠层光谱和叶片光谱的转化。结果表明,利用4-scale模型能实现冠层光谱与叶片光谱的尺度转换,此方法有很好的适用性。     

Inversion of Vegetation Components Based on the Spectral Mixture Analysis Using Hyperion Data

Hyper spectral remote sensing is widely used to identify ground objects as a result of the advantages of ground radiation intensity characteristics and spectral position characteristics, in which inversion of vegetation components is the difficult point and hotspot. In this study, Huma county of Heilongjiang Province was selected as the study area, the canopy spectra of four types of typical vegetation were measured in situ firstly, including mongolian oak, cotton grass, lespedeza and white birch. Then, on the basis of analyzing the canopy spectral characteristics and their parameterization, the spectral differences of different vegetations were located, and the parameterization method of characteristics identification was determined. Finally, Hyperion data were used to calculate the canopy albedos based on the bidirectional reflectance model of vegetation canopies, and to map the vegetation components in the study area by use of linear spectral mixture model. The results showed that inversion of vegetation components in high vegetation-covered area was accurate using the canopy albedos and liner spectral mixture model, and was identical with the field sampling, which validated the feasibility of canopy albedos and liner spectral mixture model for the inversion of vegetation components.     

针对SAIL冠层模型的土壤背景反射率修正

提出一种基于SAIL模型的地表反射率修正方案,有效减小地形起伏的影响。通过引入太阳直射光的方向-方向反射与大气散射的半球-方向反射,遵循光路可逆原理对地表反射率进行几何修正,同时考虑地表自身热辐射对入瞳辐射的影响从而修正地表反射率,发展适用于SAIL模型的地表反射率修正模型。利用长常高速部分路段的实测植被理化参数及光谱信息对地形修正后的SAIL模型模拟精度进行对比分析,结果表明地形修正后SAIL模型有效提高SAIL模型模拟的植被冠层光谱精度,修正后SAIL模型可为后续南方地区定量遥感的应用提供更精确的数据支持。     

一个植被双向反射模式的反演控制试验

利用地面遥感观测数据,对一个浑浊介质假定下的植被双向反射模式,增加了对太阳漫射辐射因素处理,在可见光波段上,进行了系列模式反演试验。这些试验有助于完善植被双向反射模式中物理过程的描述,了解模式反演过程的控制和选择合适遥感观测数据进行模式反演。分析试验结果发现：（１） 对 Ｌ Ａ Ｉ进行初值预估有利于获得较好的植被双向反射模式反演结果。（２） 加入植被对太阳漫射辐射的反射过程描述,可以使植被双向反射模式的反演结果更加合理。（３） 使用在太阳天顶角不太大（ ＜ ４５°） 和太阳方位角偏离１８０°不多（ ＜ ４５°） 观测条件下得到的遥感数据,可以使植被双向反射模式的反演结果较好。（４） 在３１°—６１°的太阳天顶角范围和１３６°—２５８°的太阳方位角范围内,多角度观测使太阳天顶角和方位角因素对 Ｌ Ａ Ｉ反演结果的影响不显著。（５） 当太阳漫射辐射的份额不大时,对 Ｌ Ａ Ｉ反演结果的影响不显著。如果只针对 Ｌ Ａ Ｉ,那么对反演植被双向反射模式所应用的地面遥感数据可以不进行大气校正处理,这样的结果虽然是从对地面遥感数据的处理中获得的,仍然对卫星遥感的观测时段选择和卫星遥感数据的选取和分析有一定的价值。