水平均匀冠层热辐射的计算机模拟和模型验证

讨论使用蒙特卡罗方法模拟非同温水平均匀冠层热辐射的方向性特征.模拟中,水平均匀冠层用叶面积指数、叶倾角分布函数和叶面积指数廓线描述,设土壤和叶片均为朗伯体,蒙特卡罗模拟基于光子在非同温冠层中的传输过程,并且考虑了光子在冠层内的多次散射.现有的计算机模拟结果验证了李小文等提出的非同温地表有效比辐射率概念模型.     

3维场景植被冠层多波段模拟研究进展

植被冠层辐射散射信号中蕴含了丰富的植被信息,通过构建植被冠层辐射散射模型,可以实现植被结构等生物物理参数的遥感定量反演。迄今为止,可见光/近红外、热红外、微波波段均已发展了大量的模型,这些模型在参数反演方面各具优势,但不同波段的模型又有其自身的局限性。跨波段的联合模拟可以实现模型间的优势互补,进而提高地表参数的反演精度,近年来已有学者专注于可见光/近红外与热红外模型,热红外与微波模型,主被动微波模型,以及可见光/近红外与微波模型的联合模拟和协同反演,但多是两两联合,且主要是基于经验模型或解析模型。基于3维场景的植被冠层辐射散射特性模拟模型可以细致刻画不同组分的结构和空间分布特征,对于由植被结构引起的多次散射和组分比例变化的考虑具有优势。本文主要介绍了3维模拟模型在可见光/近红外、热红外和微波波段,以及跨波段联合模拟方面的研究进展,从模型机理、场景统一、以及组分理化参数的统一的角度,探讨了构建多波段3维模拟系统的可行性,展望了多波段3维模拟模型的发展趋势。     

基于被动微波遥感技术的玉米冠层叶面积指数反演

基于玉米冠层结构参数实测数据和Matrix-Doubling(MD)模型构建了玉米出苗期至抽穗期的冠层多波段、双极化微波辐射特性模拟数据库;通过对模拟数据的回归分析得到了玉米冠层在各波段的微波发射率及其与透过率之间的经验关系,并将经验关系应用于0阶微波辐射传输模型;结合土壤发射率模型构建了玉米冠层覆盖地表的微波辐射亮温参数化计算模型,并基于该参数化模型、利用玉米样地微波亮温观测试验数据,采用迭代方法进行了玉米叶面积指数(LAI)的反演.研究表明,LAI反演值与实测值的相关系数r＞0.9,说明多波段被动微波遥感数据在植被冠层LAI反演方面具有较大的应用潜力.     

利用夜间热红外数据求取玉米冠层孔隙率

孔隙率是光线透过冠层未被拦截到达地表的概率,是描述冠层结构和生物量空间分布的关键变量。已有研究证明,在夜间热红外图像上,玉米地各亮温组分比较稳定,并且温度均值有明显差异,易于区分。本研究的目的是利用2005年8月23日在怀来测得的夜间热红外数据求取中等密度的玉米冠层(LA I=3.64)在不同角度下的孔隙率。结果表明,在沿垄行方向,孔隙率随着天顶角变化缓慢;而在其他方向(45°和90°)变化较快,且变化趋势相似。将测得结构参数代入余涛的热红外方向辐射性模型,模拟出不同方向下的孔隙率。将测量值与模拟值进行对比,二者有一定的相似性,模型能较好地抓住玉米冠层孔隙率的主要特征。针对二者间的差异,初步分析是由测量中观测目标不完全一致、角度控制不精确、测量高度过低以及投影函数和丛生参数的选择等原因引起的。     

利用夜间热红外遥感影像研究玉米冠层孔隙率分布

为了测量高覆盖条件下(LAI=5)玉米冠层的方向孔隙率,利用一台基于工业用吊车平台的窄视角热红外成像仪开展测量。在此基础上建立了一个几何光学和辐射传输混合模型模拟半球空间的孔隙率分布。测量结果表明,大多数的孔隙出现在邻近的植株行之间,这导致了在热红外图像中,冠层还保持着垄行结构的特征。基于已经得到的几何参数,本研究发展的模型具有垄行作物孔隙率分布特征,模拟的孔隙率与被观测的孔隙率保持很好的一致。更进一步的改进,需通过计算机模拟以建立更加真实的作物结构描述,这也是以后的一个研究方向。     

耦合ENVI-met与RAPID模型模拟3维异质植被场景亮温分布

遥感地表温度产品(LST)对陆面过程和全球与区域气候变化研究具有重要价值。但是当前卫星遥感观测到的地表温度分辨率较粗,多为混合像元,有明显的角度效应和时空变化特征,严重影响陆面过程等研究的应用精度。为定量评估3维异质性场景对亮度温度分布的影响,本文基于再分析资料,耦合3维小气候模型ENVI-met和3维热辐射传输模型RAPID,开展了地表3维温度场的模拟。研究以全球数值预报产品NCEP来提供ENVI-met所需的边界条件,分别进行了异质性植被场景的亮温水平分布和热辐射方向性模拟试验。在水平分布模拟研究中,基于机载G-LiHT数据(光学影像、激光雷达数据、LST产品)提供3维场景构建输入参数和温度场验证数据,并以美国某湿地区域的6个不同异质性场景为例进行了模拟与验证;在热辐射方向性的模拟研究中,基于机载WiDAS多角度多光谱数据构建了3维场景,并以黑河地区的2个异质性场景为例进行了模拟与验证。结果显示:(1)星下点亮温模拟值在水平分布上与G-LiHT的LST亮温值较为接近(标准误差RMSE为1.1 K),说明耦合模型能有效模拟不同空间异质性下的亮温分布。其中,裸土模拟误差最大(2.31 K),两种行播作物方向的模拟误差均小于1.2 K,道路宽度对模拟结果有影响(约为1 K);(2)耦合模型的多角度模拟结果与方向性亮温随视角的变化规律相一致,但变化速率和大小存在着差异。本文的模拟方法可以用于预测卫星过境时刻地表的热辐射方向性。     

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。     

热红外核驱动模型在垄行植被热辐射方向性特征拟合中的精度分析

垄行种植是果园及农作物的常见种植结构,其冠层比连续和离散植被冠层具有更强的热辐射各向异性,开展垄行植被冠层的热辐射方向性校正对干旱监测等应用具有重要意义.热红外核驱动模型是热辐射方向性校正的基础,但现有核驱动模型在垄行植被冠层中的拟合精度未被讨论过.本文以在法国波尔多获取的两组不同朝向葡萄园冠层航空实测方向性特征为基础...     

垄行结构玉米冠层方向亮温模型研究

基于热红外成像仪获取的玉米冠层图像，对垄行结构玉米的方向亮温（DBT）进行模型化描述并开展了初步验证工作。模型中假设某一方向上的冠层DBT是组分亮温及各组分在视场中所占面积权重的函数，它们在视场中的比例依赖太阳与传感器的几何位置关系，以及在作物行内，作物行与行之间孔隙的分布。对于玉米冠层的几何特征，简化为横截面是矩形的、其中有空隙透光的一组无限长的平行立方体；立方体内双向孔隙率的方向变化由Kuusk函数来描述。模型模拟表明，玉米亮温组分在视场中的权重具有垄行特性。中午前后，通过对中等密度的冠层DBT模拟，在DBT极坐标图形上发现了一个明显位于垄行方向的热条带的出现，热点出现在太阳位置的周围。最后，利用实地观测的结果与模型模拟结果作对比，对该模型的不足和以后的改进作了初步分析。     

连续植被的热辐射方向性

正确认识非同温混合像元热辐射方向性规律是利用多角度遥感数据反演像元组分温度的前提。论文基于局地热平衡条件和组分有效发射率概念探讨了连续植被的热辐射方向性模型。模型表明同温下的热辐射方向性只决定于连续植被体系总有效发射率的方向性，它是各组分有效发射率的和，决定于植被叶面和土壤表面的发射率、冠层结构参数。在非同温状况下，组分温度通过组分有效发射率调节体系的辐射亮度方向变化。模型解释了热辐射中孔穴效应问题。并通过蒙特卡罗逆向模拟从微观探讨了热辐射方向性与植被叶面和土壤表面的发射率、冠层结构参数的关系，并对孔穴效应引起体系发射率的增量和辐射亮度的增量进行了模拟分析。结果表明，对于球面型连续植被，叶面和土壤表面发射率值分别取0.98和0.94时，垂直方向上孔穴效应使体系的总有效发射率有0.01-0.025幅度的增值。当连续植被处于20℃同温状况时，孔穴效应引起的辐射亮度增量基本上都在0.8℃以上，最高可达到1.3℃。     

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。     

农作物冠层光谱分析及反演技术综述

农作物的冠层光谱反射率与作物的氮含量、叶绿素含量及叶面积指数等参数之间具有很强的相关性,通过对作物冠层光谱进行分析可反演出作物的生物物理参数,并应用在长势分析、产量预测、病虫害预警等领域。本文首先阐述了作物冠层反射率采集方法,对地面、机载及遥感卫星3个采集层面的优缺点进行了对比;其次给出了植被指数构建原理及常用植被指数,分析了物理模型反演法和统计反演法的复杂度和性能;最后提出了农作物冠层光谱分析及反演技术的下一步发展方向及面临的挑战。     

冠层反射光谱对植被理化参数的全局敏感性分析

植被理化参数与许多有关植物物质能量交换的生态过程密切相关,定量分析植被反射光谱对理化参数的敏感性是遥感反演理化参数含量的前提。本文采用EFAST(Extended Fourier Amplitude Sensitivity Test)全局敏感性分析方法,利用PROSAIL辐射传输模型分析了冠层疏密程度对叶片生化组分含量、冠层结构以及土壤背景等多种参数敏感性的影响,并对植被理化参数反演所需先验知识的精度问题进行了初步探讨。研究表明:(1)对于较为稠密的冠层,可见光波段的冠层反射率主要受叶绿素含量的影响,近红外和中红外波段的冠层反射率主要受干物质量和含水量的影响;(2)对于稀疏的冠层,LAI是影响400—2500 nm波段范围内冠层反射率的最重要参数,土壤湿度次之,叶片生化参数对冠层反射率的敏感性较低;(3)在已知稀疏冠层LAI的情况下进一步确定土壤的干湿状态,可显著提高冠层反射率对叶绿素含量的敏感度,有助于稀疏冠层叶绿素含量的反演。     

植被冠层立体结构与叶片倾角的偏振光效应

植被偏振特性研究对于植被监测与组分定量反演具有极其重要的作用。植被冠层的反射辐射具有偏振特性,这种特性与入射辐射和植被冠层结构相关。本文分析了偏振对光子—叶片—冠层之间细微相互作用及其变化的有效探测能力,并利用研究型扫描式偏振辐射仪RSP(Research Scanning Polarimeter)数据系统对比分析了偏振对不同叶倾角分布的估测。通过上述研究得出以下结论:(1)偏振观测能够对光线在冠层立体结构中的透射反射再出射过程给出精细刻画,若不用偏振手段对这一过程进行甄别并去除,则直接测算的植被散射系数会产生高达140%的误差;(2)利用偏振手段可以为高精度大倾角、多时相遥感观测提供可能,以此可改变目前光学遥感小角度、垂直观测的较严格约束;(3)偏振辐射呈现出随波长的稳定特性(相关系数0.96),使得利用偏振手段可以更好地研究冠层结构;(4)不同叶倾角分布对入射辐射存在不同的偏振反射,为利用多角度偏振信息进行遥感植被精细分类提供了新的途径。本文详细描述冠层结构和植被偏振特性的相互作用,通过对冠层立体结构与叶倾角的研究,刻画了植被定量遥感的方向性信息与高精度实现,为高分辨率遥感定量化的有效信息挖掘提供了新手段。     

植被层对被动微波遥感土壤水分反演影响的研究

在很多对土壤水分被动微波遥感的研究中 ,为简单起见 ,覆盖的植被层使用了一种简单的模型来表征其散射和衰减特性。本文中使用了一种基于辐射传输理论的离散模型来研究植被的发射率、传输率。这种方法可以更加真实地刻划组成植被的散射个体如叶、茎、树枝、树干等对这两个参数的影响 ,因而能更准确地描述植被对下垫面的影响。为了减少土壤水分反演算法中未知量的数目 ,该文给出了这两个参数的模拟结果分别在AMSR E三种不同频率下的简单关系。     

联合热红外与微波的作物辐射方向性模型研究

热红外遥感提供地表表层辐射信息为主,被动微波遥感可更好地提供植被和土壤背景垂直结构的辐射信息。结合热红外与被动微波遥感的优势协同反演植被和土壤组分温度是提高组分温度反演精度的一种思路。本文在对热红外辐射传输模型和微波辐射模型进行比较的基础上,构建均匀作物的统一场景,将统一场景的参数分为直接参数和间接参数。基于统一场景,修改微波辐射模型的场景结构及叶倾角分布,并增加组分温度参数以计算辐射亮温,最终构建热红外与微波辐射联合模拟模型(UEasmmes模型)。针对均匀玉米作物,利用UEasmmes模型进行联合模拟,分析了组分温度、组分发射率、叶面积指数LAI及叶倾角分布LAD对热红外与微波的方向性亮温DBT的敏感性响应差异。分析结果表明:协同热红外与被动微波遥感反演植被和土壤组分温度是可行的,但对于如何克服组分发射率、LAI及LAD对植被有效发射率的影响而导致的微波辐射亮温变化以及实现热红外表皮温度与微波等效温度之间的转化仍是需要深入研究和探讨的问题。     

POV-ray应用于冠层可视光照和阴影组分比例变化分析

利用POV-ray快速计算三维冠层的四分量比例及孔隙率,在与计算机模拟模型对比结果、验证其可靠性的基础上,针对植被真实结构模型的主要参数对冠层四分量比例和孔隙率的敏感性进行分析。敏感性分析结果表明:当冠层为垄行结构时,相对于其他因素,行结构对四分量比例和孔隙率的影响占主导,因此当植被冠层为垄行结构时,四分量比例和孔隙率的变化较连续冠层更加复杂;集聚指数可以有效的控制叶片的空间分布模式,进而影响到视场中植被与土壤的相对面积比例,对于四分量比例和孔隙率结果有较大影响;叶倾角分布类型对四分量比例和孔隙率结果的各向异性特征影响明显;同时,通过对垄行作物3个典型生长期的四分量比例和孔隙率结果分析得出,在作物生长初期土壤对结果影响更大,在作物生长后期植被对结果的影响占主导,亮叶分量比例各向异性特征较为明显。研究表明,POV-ray是进行植被定量遥感研究的有利工具,具有较好的应用前景。