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...     

基于3D真实植被场景的全波段辐射传输模型研究

本文基于3D真实场景CLAMP模型模拟的植被冠层，对冠层在可见一近红外波段和热红外波段的辐射传输进行了综合建模。针对CLAMP模型生成场景的通用和近似特征，在可见一近红外波段，对植被和土壤的单次散射贡献利用光子逆向追踪算法进行了精确计算，多次散射的贡献则采用四流近似理论来计算，以提高运算效率。模型结果与SAILH模型结果进行了比较，具有较好的一致性，并且体现出了优于一维辐射传输模型的模拟结果。在热红外波段，采用几何光学原理，冠层方向亮度温度由可视光照叶片、遮荫叶片、光照土壤和遮荫土壤的比例与对应组分亮温乘积之和得到，模拟结果体现了合理的变化趋势。对冠层主要结构参数LAI和ALA的敏感性进行了比较分析，不同波段模型模拟的方向性辐射结果，很好地反映了结构参数对冠层辐射特性的影响。     

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。     

利用三维体素遍历和GPU进行辐射度加速计算——以虚拟植物冠层辐射模拟为例

辐射度模型是虚拟植物冠层内光分布模拟的主要算法之一,针对其形状因子计算量大,辐射能量计算效率低等问题,提出了一种辐射度计算加速方法。以虚拟枇杷冠层内光分布模拟为例,利用均匀体素剖分场景包围盒及三维体素遍历方法进行光源与树模型之间的遮挡判断,同时结合CUDA技术使辐射度算法的形状因子求解并行化。采用归约求和算法和共享内存实现植物模型接受辐射总能量的快速求解。该方法较CPU串行方法有150多倍的加速比。将太阳直射光合有效辐射（photosynthetically active radiation,PAR）分布模拟结果与光线跟踪模型、传统辐射度模型模拟结果进行对比,天空散射PAR分布模拟结果与龟型算法、传统辐射度模拟对比。计算所得PAR值接近,变化趋势一致,表明该方法有较好的精度保证。     

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。     

FPAR的Monte Carlo模拟研究

FPAR (fraction of photosynthetically active radiation absorbed by the canopy)是植被冠层阻截太阳光合有效辐射的比例,是遥感估算陆地生态系统植被净第一性生产力(NPP)的重要参数.利用Monte Carlo方法模拟光子在植被冠层中的辐射传输过程,以植被冠层二向反射分布函数的模拟来验证模拟的正确性;在此基础上对400-700nm光合作用波段范围内的植被叶片吸收光子辐射比例的FPAR进行模拟.FPAR的Monte Carlo模拟结果,揭示了FPAR与太阳天顶角及植被冠层参数之间的关系.     

农作物冠层BRF及波谱的计算机模拟及其验证

计算机模拟模型是以植被真实三维结构场景为基础,模拟植被冠层的辐射特性。本文以冬小麦为例,利用辐射度方法模拟了冬小麦在不同LAI下的冠层二向反射因子（BRF）及其波谱特征;为了验证并评价模拟数据的质量,将模拟冠层BRF数据与实测数据进行了比较,并将计算机模拟波谱数据与Prosail模型模拟波谱及实测波谱进行了比较。通过研究可以得到以下结论：（1）LAI是植被群体重要的结构参数,对于同一品种的植被可以用LAI来描述植被的生长进程;（2）基于计算机模拟的冠层BRF数据具有一定的可靠性,能够满足实际研究的需要,因此可以把计算机模拟冠层BRF数据作为实测数据用于研究,以弥补因各种条件限制无法得到实测数据的缺憾。     

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.     

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。     

非匀一冠层热辐射方向性3维模型构建——以玉米冠层为例

建立适用于多类型植被场景的热辐射方向性模型是进行地表热辐射方向性研究的一种手段。利用真实植株几何及生理参数的统计平均值来刻画理念植株,并给定其空间分布特征,进行不同生长期植被冠层的描述。基于冠层双向孔隙率思想构建了冠层热辐射方向性3维模型,模型继承了孔隙率模型在计算冠层热辐射方向性上的简洁优势同时以几何光学的思想考虑了冠层空间异质性对冠层热辐射方向性的影响。以玉米冠层为例,进行了不同生长期玉米冠层热辐射方向亮温的模拟,通过与实地测量数据的比对表明,本文发展的模型能够较准确地模拟不同生长期玉米植被场景的方向亮温变化规律,模拟误差主要来自理念株的刻画误差、玉米叶片形状的近似以及忽略了多次散射贡献等3个方面。模型的构建方法对稀疏植被场景、浓密植被场景、多类型植被的混合场景均可适用,不同观测几何下的植被场景4组份面积比计算结果有望应用于复杂地表条件下地表返照率的研究。     

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。     

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.     

Viewing Angle Effect on the Remote Sensing Monitoring of Wheat and Rice Crops

Abstract

Bidirectional reflectance characteristics of a wheat and a rice canopy were studied using radiometric measurements over the two canopies with an Exotech Radiometer Model 100AX. For both rice and wheat, the measurements exhibited significant variations in reflectance amplitude for varying viewing zenith angles and their values decreased from backward to forward scattering direction. Reflectance obtained its maximum value in the backscatter direction for the viewing angle that corresponds approximately to the solar zenith angle at the time of measurements. Canopy background condition (irrigated or non‐irrigated) was an important determining factor of canopy reflectance particularly in the near‐infrared region of the solar spectrum. Furthermore, bidirectional response characteristics of a vegetation canopy were influenced by the amount of vegetation cover.     

Calculation of microwave land surface emissivity from satellite observations: validity of the specular approximation over snow-free surfaces?

To determine land surface emissivity from satellite microwave measurements, the surface is usually assumed to be specular. Questions about the validity of this approximation to estimate emissivity from nadir viewing radiometers were raised. This work aims to examine the validity of the specular assumption by evaluating errors induced when deriving emissivities from near-nadir measurements over snow-free areas. Brightness temperature simulations near nadir above both a specular and a Lambertian surface are compared. Errors on the retrieved emissivity introduced by the specular assumption are also quantified. The results show that the impact of the specular assumption when the surface is Lambertian is limited: less than 1% error in most atmospheric situations over natural snow-free surfaces.     

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。