基于PROSAIL辐射传输模型的毛竹林分冠层反射率模拟研究

冠层光谱反射率直接关系到毛竹(Phyllostachys pubescens Mazel)林冠层参数的反演,对毛竹林地土壤肥力间接估测具有重要意义。以PROSPECT5、PROSAIL模型为基础,从叶片尺度和冠层尺度分析模型参数对叶片和冠层反射率的影响,构建毛竹冠层叶面积指数(LAI)-冠层反射率查找表并通过代价函数选取最优冠层反射率,从而实现毛竹林分冠层反射率的准确模拟。结果表明,在叶片尺度,PROSPECT模型参数敏感性从高到低依次为叶肉结构参数(N)>叶绿素含量(C_(ab))>等效水厚度(EWT)>干物质含量(C_m)>类胡萝卜素含量(C_(ar));在冠层尺度,PROSAIL模型参数敏感性从高到低依次为LAI>C_(ab)>EWT>C_m>N>C_(ar)>ALA(平均叶倾角);叶片尺度反射率整体大于冠层尺度反射率;在400~900 nm波长范围内,PROSAIL模型模拟的冠层光谱反射率与实测光谱反射率拟合效果较好,相对误差为6.71%。

基于PROSAIL模型与光谱指数的紫花苜蓿冠层含水量估算

依据光谱和植物生理参数再联合PROSAIL模型模拟光谱曲线对应的冠层含水量(E)敏感指数,与实际光谱曲线的E敏感光谱指数对比,PROSAIL模型模拟光谱曲线精度较高,相关系数R2>0.8.对光谱的E敏感波段进行单因素和整体敏感性分析,E敏感波段分别为1240、1450、1650 nm.通过水分指数、水分压力指数(MSI)、归一化差异红外指数(NDII)和结合E敏感波段构建的4个广义归一化差异水指数(NDWI)对紫花苜蓿E进行反演,7个指数均具有较好的反演效果,R2>0.8,均方根误差为0.0010~0.0019 g/cm2,其中传统水分敏感光谱指数的E-MSI、E-NDII、E-NDWI((860,1240))和基于广义光谱指数的E-NDWI((1240,1650))的反演效果最佳.

作物冠层的热红外辐射传输模型

通过在辐射传输方程中添加热发射项的方式 ,直接把一个常用的可见光波段的冠层模型———SAIL模型改造成热红外波段模型。该模型与Hapke公式相比能更准确地计算多种农作物冠层的热红外辐射特性 。

植被冠层3D辐射传输模型及热辐射方向性模拟

研究了植被冠层的热辐射方向性并建立了有关模型.从辐射传输机理出发,建立了3D冠层场景,并将场景以微分体元方式进行离散,根据给定的观测几何参数进行逐个体元内部与体元之间的多次散射及发射辐射传输计算,最终通过积分运算得到所有微分体在半球空间上对给定观测方向上的热辐射,得出整个冠层的热辐射方向性.利用两个时相的地面观测数据对3D辐射传输模型及模拟结果进行了验证和分析,相关系数分别为0.91和0.79,RMSE分别为0.4K和0.6K,证明建立的模型是有效的,能改进热红外温度反演精度和实现组分温度反演.

基于PROSAIL模型的广州市过渡带森林植被冠层可燃物含水率估算

基于PROSAIL模型,结合野外实测叶片等水分厚度、干物质重量、叶面积指数数据,构建一种基于归一化红外指数和归一化干物质指数的植被冠层可燃物含水率估算方法。首先,在PROSAIL模型输入实测参数模拟植被冠层光谱曲线,计算归一化红外指数、归一化干物质指数用于叶片等水分厚度、干物质重量的反演。结果表明:归一化红外指数与叶片等水分厚度、归一化干物质指数与干物质重量存在明显的线性关系,基于该关系建立叶片等水分厚度、干物质重量的经验估算模型,经验证估算结果精度较高;将该经验模型推广至利用Landsat 8数据拟合植被冠层可燃物含水率,并与实测数据进行验证,结果显示R^(2)达到0.743,RMSE达到34.2%,具有较高的精度。文章提出的植被冠层可燃物含水率估算模型,可实现广州市过渡带森林大面积、较高精度植被冠层可燃物含水率监测,为预防森林火灾提供参考。

考虑开放度的树冠层辐射传输模型及实验验证

基于树冠层的结构特征，从方向间隙率定义了冠层中不同空间位置对天空散射入照的开放度及其在冠层中的分布，建立了入射辐射在冠层中的衰减与传输模型。应用对冠层结构、总入射辐射、辐射在冠层中衰减等的野外观测数据，对模型进行了验证。模型成功地解释了光在树冠层中辐射传输的变化规律。

基于PROSAIL模型的玉米冠层参数敏感性分析

PROSAIL模型是一种基于辐射传输理论建立的植被冠层反射率模拟模型,其输入参数包括叶片结构和生理特征、冠层结构、土壤反射率、天空光散射比和观测几何等。为分析不同参数在不同波段对模型输出结果的影响,该文以玉米冠层为研究对象,对PROSPECT模型的输入参数进行定性的OTA局部敏感性分析和定量的EFAST全局敏感性分析,并得到以下结论:全局敏感性较强的输入参数为冠层叶面积指数、叶片叶绿素含量、叶片水分含量和平均叶倾角。叶片叶绿素含量对冠层反射光谱的影响主要集中在绿光和红光波段,能够解释超过一半的反射率方差变化。叶片水分含量在1 150~1 850 nm波段为敏感性最高的输入参数。在400~500 nm、750~950 nm和1 900~2 000 nm波段,LAI对反射率方差的贡献最大,全局敏感性指数均超过0.5。

无人机观测时间对玉米冠层叶绿素密度估算的影响

为探讨不同时间获取的无人机多光谱数据对玉米冠层叶绿素密度(canopy chlorophyll density,CCD)估算的影响,分别在玉米抽雄吐丝期、籽粒建成期、乳熟期和蜡熟期选择同一天的10:00—10:59、11:00—11:59、13:00—13:59和14:00—14:59进行无人机多光谱观测试验,并结合PROSAIL模型模拟结果与实测CCD数据,分析一天中不同时刻典型植被指数的变化规律及CCD估算结果的差异。结果表明:在同一天中,无人机玉米冠层反射率和与实测CCD相关性较好的植被指数值均随时间变化,近红外波段的反射率变化最明显,越接近12:00,实测的植被指数值越低,而在一天的不同时间PROSAIL模型模拟的植被指数值几乎没有差异。在同一天,基于不同观测时间获取的同一植被指数与实测CCD的相关性存在较大差异,且不同生育时期和不同指数间的差异不一致;而模拟得到的同一植被指数与CCD的相关性在同一天不同时间的差异不明显。在不同生育时期,基于不同观测时间无人机数据构建的CCD估算模型均可以取得较好的精度,但不同观测时间的估算结果存在差异,决定系数最低的为0.53,最高的为0.80。这些结果表明,在传统的光谱数据获取时间范围内(10:00—14:00),无人机影像获取时间仍对玉米CCD估算有影响,越接近12:00,估算精度越高。研究结果可为后续作物的CCD精准估算提供基础支撑。

林冠结构、辐射传输与冠层光合作用研究综述

林冠内辐射的分布常用泊松分布、二项分布等来描述 ,主要取决于叶片的空间散布状态。冠形与辐射分布和冠层光合作用密切相关 ,影响程度与地理纬度、太阳高度、林分密度等有关。叶片方位角为随机分布通常是合理的假设。叶倾角分布对叶片尺度的辐射吸收和光合作用是十分重要的 ,但在冠层尺度上的影响则小得多 ,并与其它冠层结构因素有关。由于叶倾角的测定十分困难 ,因而球面和椭球面叶倾角分布是常用的假设。不同的树冠分布方式及在单个树冠内叶片成簇或随机分布 ,都会对冠层辐射分布和光合作用产生重要影响。对树冠高大而叶片较小的林冠 ,半影效应可使辐射在叶片上更趋向均匀分布。目前多以圆形叶片作为计算半影效应的基础。尽管叶片的透射、反射和散射只占总辐射的百分之几 。

陆面过程中冠层四流辐射传输模式的模拟性能检验

利用实际观测资料检验新发展的植被冠层四流辐射传输模式的模拟性能。将浙江大学田间观测数据用于模式试验,其结果表明:在可见光波段,因叶片散射率值较小,四流模式和二流模式模拟结果差别不大,模拟的冠层反照率都接近观测值。这表明在可见光波段,二流模式已经能够较好模拟冠层反照率,四流模式能够提高的精度范围有限;在近红外波段,因叶片散射率值较大,两个模式模拟结果差别较明显,四流模式模拟的冠层反照率相对二流模式的模拟结果更接近观测值。利用第2次雪模式比较计划SNOWMIP资料和改进的10层陆面模式BATS进行耦合试验,将四流模式以及二流模式均耦合到该陆面模式中,其目的是为考察四流模式对陆面模式模拟地表反射太阳短波辐射通量的影响。耦合后得到的结果与SNOWMIP中加拿大BERMS草地站和森林站的观测资料进行了对比。对比结果表明,采用四流模式、二流模式、BATS原辐射传输模式后,耦合四流模式的陆面模式模拟地表反射太阳短波辐射通量最接近观测值。说明采用四流模式能够改善陆面模式对地表反射太阳短波辐射通量的模拟。

人工同龄纯林冠层辐射场模拟模型I 理论计算

充分考虑坡地人工林冠层结构特征和叶面积空间分布的异质性 ,分别相邻树冠遮荫和目的树冠遮荫对树冠内辐射场的影响 ,建立的人工林冠层辐射场模型 ,可模拟树冠内任意点 ,在一年内任一时刻内的辐射及其直接和散射分量 ,以及以 1h为步长的日总辐射等 。

被动微波遥感中一种基于辐射传输理论的植被层模型

使用了一种基于辐射传输理论的非相干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画组成植被的散射个体如叶、茎、枝、树干等对这 2个参数的影响 ,因而能更准确地描述植被对下垫面微波辐射的影响 .为了减少土壤水分反演算法中未知量的数目 ,分别给出了这 2个参数的模拟结果在AMSR E

基于虚拟植物的杨树冠层模拟及辐射传输研究

在虚拟植物的研究领域中,冠层的模拟是非常具有实际应用价值的,其内容包括冠层中枝干的模拟、叶片的模拟、以及基于冠层几何形态模拟结果的太阳辐射传输、透光率、叶片总面积、叶片有效面积等特征的求算。本研究以农田防护林中生长的杨树为虚拟植物对象,首先应用数学函数图形方式模拟树的主干与枝干,再采用射线法实现杨树叶片的模拟,最后完成整个杨树的计算机模拟,并在虚拟杨树的模拟过程中,通过记录相关的信息值,再计算出杨树冠层的辐射传输。研究结果对于农田防护林效益评价、农林复合系统资源利用率的提高等方面均有重要的理论价值。

陆面过程模式中植被冠层短波辐射传输参数化方案研究进展

阐述植被冠层内短波辐射传输模式研究在陆面过程及陆气相互研究中的重要性,全面地回顾有关冠层短波辐射传输模式的研究进展,结合目前在陆面过程领域具有代表性的冠层短波辐射传输模式,指出当前在这一领域研究中存在并有待于解决的问题,探讨了未来的发展趋势。

人工同龄纯林冠层辐射场模拟模型 II.应用与验证

应用建立的人工同龄林辐射场模型对杉木 (Cunninghamialanceolata)人工林冠层辐射场进行了模拟 ,以实测的冠层辐射数据对模型进行了验证 ,对模型的不确定性以及叶面积密度和叶片散射的影响进行了计算和分析。结果表明 ,模拟和实测辐射场及日总量无显著差异 ,所建模型适于对杉木人工林冠层辐射的模拟。模型可能的误差来源包括树冠形状的不规则性、树冠大小和高低的不一致性、叶片在小范围内的簇生性等。考虑二维叶面积密度 (LAD)分布的模拟结果优于平均LAD。叶片的散射辐射约占总辐射的 3%～ 11%,且越靠近树冠里层和下部 ,散射作用越大。

玉米抽穗期雄穗对冠层反射率辐射传输特征的影响

为分析玉米雄穗对冠层可见光、近红外波段辐射传输特征的影响,运用四维轨道塔吊系统获取连续2 a玉米抽穗期的冠层光谱,并在抽穗初期和末期分别进行了3个梯度的剪穗试验,分析玉米抽穗期冠层二向反射率特征以及雄穗干物质含量特征。结果表明:1)比较抽穗期不同时间冠层反射率的模拟值和实测值得出,在抽穗初期实测值高于模拟值,随着生育期的推进,模拟值逐渐高于实测值。但在可见光波段整个抽穗期实测值均高于模拟值,在近红外波段模拟值总体高于实测值。2)分析不同穗梯度冠层二向反射率特征发现,在可见光波段,太阳主平面和垂直太阳主平面方向上,2个散射方向的无穗反射率值在所有观测角度上均最高,1/2穗次之,全穗最低;近红外波段,在太阳主平面方向,3个穗梯度反射率差异不大,但在垂直太阳主平面方向,后向散射方向反射率值总体高于前向散射方向反射率值,且无穗反射率值依然总体高于1/2穗和全穗;在垂直观测条件下得到相同的结果。3)分析PROSAIL模型模拟值和农学参数相关性,得出模拟值与叶绿素含量、叶面积指数在全波段呈显著负相关,无穗实测值和模拟值分别与叶面积指数和叶绿素含量相关性表现一致。4)在玉米整个抽穗期雄穗鲜质量变化差异较大,而干质量变化差异不大。研究可为修正辐射传输模型、提高模拟精度,使之更好地应用于植被理化参数反演提供科学依据。

安徽省淮南森林冠层辐射传输过程的特征

本文利用淮南森林观测站2018年7月1日至2019年6月30日冠层辐射观测,分析了淮南栎树森林下垫面冠层内外辐射变化特征。结果表明:(1)从春季到夏季,栎树冠层之上向下的太阳短波辐射增加,到冬季逐渐减少。从早春开始,由于叶片生长增多,冠层中间和冠层之下向下的太阳短波辐射下降,从秋季到冬季树叶凋落,其向下的太阳辐射增加,与冠层之上的变化趋势相反;对于向上的短波辐射,无论冠层之上、冠层中间还是冠层之下,随季节的变化都与向下的短波辐射相似,只是数值小很多。(2)冠层之上、冠层中间和冠层之下向下的长波辐射,随时间的变化从春季逐渐开始增大至夏季达到最大,随后逐渐减小并在冬季达到最小;就空间变化而言,冠层中间和冠层之下向下的长波辐射值比冠层之上的辐射值高,使得冠层对长波辐射的振幅增大,晴空条件最高可达1.3倍。(3)淮南森林区冠层之上(距地面25 m)年平均反照率为0.14,比中国北方地区(35°N)温带季风气候区(混交林为主)反照率的整体水平低0.01,表明淮南的森林茂密、灌丛更多些。(4)冠层上部分和整层的短波辐射透射率主要受叶片的影响。夏季,冠层的短波透射率平均为0.1。到了冬天,叶子凋落,透射率增加并趋于一个平稳的波动。冠层的短波辐射吸收率在夏季最高,秋季逐渐降低,随着叶子凋落在冬季迅速减小,趋于一常值。

基于Sentinel-2影像与PROSAIL模型参数标定的玉米冠层LAI反演

叶面积指数(LAI)与植被光合作用、蒸腾作用、生物量的形成等有密切联系,是玉米长势监测、灾害胁迫监测、产量预测等重要参数之一,也是辐射传输模型、作物生长模型等机理模型的一个重要参数。Sentinel-2卫星是“全球环境与安全监测”计划的第二颗卫星,具有较高的时空分辨率,且具有红边波段,其可见光和近红外波段的分辨率为10m,是农业遥感应用的理想数据源。PROSAIL辐射传输模型是遥感反演玉米冠层LAI的有效途径,然而在反演中存在输入参数不确定性大、调参困难、病态反演、速度慢等问题。模型的参数标定能够获取观测反射率及不确定性范围内的参数取值,提供丰富准确的参数信息,降低模型反演过程中的偏差。为探索参数标定在玉米冠层LAI反演中的应用,研究以Sentinel-2A卫星影像为数据源,使用马尔可夫链蒙特卡洛方法(MCMC)对PROSAIL模型进行参数标定,通过加入5%的观测光谱不确定性,获取各参数在不确定性范围内的后验取值概率分布,以优化反演过程中的参数设置,提高LAI反演精度。研究结果表明:(1)PROSAIL模型对可见光和近红外波段较为敏感的输入参数有LAI、叶片叶绿素含量及结构系数,将此三个参数作为查找表反演中的可变参数能够有效地进行LAI的反演,反演精度的决定系数达0.7以上。(2)MCMC方法能够对PROSAIL模型进行参数标定,获取研究区内玉米各参数取值分布信息,参数后验分布与实际情况接近,表明利用MCMC方法进行参数标定可行有效。(3)通过参数标定可以有效提高LAI的反演精度,在降低反演偏差和异常值方面尤为明显,参数标定优化后的反演平均偏差由原先的20%降低至8%,同时估算精度由76%提高至90%。研究结果表明:利用MCMC进行PROSAIL模型参数标定,能够提高PROSAIL模型的LAI反演精度,降低反演偏差,为利用PROSAIL辐射传输模型提高作物冠层参数反演精度提供借鉴。

辐射传输模型多尺度反演植被理化参数研究进展

植被是生态系统最重要的组成成分之一,许多与植被有关的物质能量交换过程都与植被的理化参数密切相关,因此定量估算植被的理化参数含量对监测植被生长状况、森林火灾预警以及研究全球碳氮循环过程等都具有重要意义。在众多定量反演植被理化参数的方法中,基于数学、物理学以及生物学的基本理论建立起来的辐射传输模型受到越来越多的关注。辐射传输模型描述了植被与入射辐射之间的相互作用过程和特征,相对于传统的经验/半经验方法,辐射传输模型物理意义明确,具有稳定性和可移植性强的特点。在分析国内外最新相关研究的基础上,首先从植被叶片、冠层和像元3个不同的尺度阐述反演植被理化参数的辐射传输模型。叶片尺度上主要介绍PROSPECT模型和LIBERTY模型;冠层尺度上主要介绍SAIL冠层辐射传输模型以及PROSPECT与SAIL耦合的PROSAIL叶片-冠层辐射传输模型;像元尺度的植被理化参数反演目前主要采用冠层尺度的辐射传输模型。其次,分析尺度变化下植被理化参数遥感反演所面临的主要问题,如不同尺度下模型参数敏感性的变化、辐射传输模型的选取以及混合像元的影响等。最后,总结展望植被理化参数反演多模型与多种数据源相互结合的研究趋势,以及将来具有高空间分辨率的高光谱遥感卫星升空后所带来的发展前景。

玉米冠层内太阳直接辐射三维空间分布的模拟

太阳直接辐射在植物冠层内的空间分布特征影响植物生理生态功能 ,是衡量植物群体结构是否合理的重要指标。利用田间实测的玉米冠层内植株各器官的三维空间坐标进行冠层结构分析 ,将冠层内的植株器官表面划分成小面元 ;根据几何光学中光的直线传播原理 ,利用面元沿太阳光线的平行投影和投影深度排序 (Z- buffer)算法计算冠层内面元受太阳光直接照射的情况 ,建立了太阳直接辐射在玉米冠层内三维空间分布的模拟模型。模型可计算出作物冠层内任选植株的器官表面或冠层内地面上的太阳直射光斑 (Sunflecks)分布 ,也可输出选定空间位置或范围上的太阳直接辐射的分布 ,同时可实现模拟结果的三维可视化。根据此模型的模拟结果可对太阳直接辐射在玉米冠层内的空间分布进行各种分析。利用玉米冠层内光斑的三维分布测定试验 ,在光合有效辐射 (PAR)波段对模型进行了检验。