冠層反射率BRDF模型分析及改進(jìn)研究.pdf

1、隨著遙感理論和技術(shù)的不斷革新，定量遙感及多角度遙感的重要性日益凸顯。近年來定量遙感模型發(fā)展有數(shù)百種之多，大致分為物理模型、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其中物理模型機(jī)理性強(qiáng)，成為研究的主流，但在應(yīng)用的適用性上、尺度問題在模型中的明確表達(dá)及高精度反演結(jié)果問題等還需要進(jìn)一步完善。物理模型又包括幾種:幾何光學(xué)模型、輻射傳輸模型、計(jì)算機(jī)模擬模型和混合模型。文章對其中的代表性BRDF模型SAIL、GEOSAIL、DART和4-SCALE分別介紹了研究

2、現(xiàn)狀、基本定義、原理、適用范圍及其優(yōu)缺點(diǎn)。外業(yè)實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)模擬分析對比的基礎(chǔ)上研究提出對4-SCALE模型的優(yōu)化改進(jìn)。
　　文中模型的對比分析所用參數(shù)是2010年8月份在黑龍江省大興安嶺地區(qū)塔河縣盤古鎮(zhèn)盤古林場做的外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)。對落葉松純林大樣地和白樺純林大樣地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，為了更好的對比分析，根據(jù)落葉松純林樣地的數(shù)據(jù)自定義一個(gè)落葉松純林樣地?cái)?shù)據(jù);對4-SCALE模型優(yōu)化改進(jìn)所用參數(shù)是2011年8月份盤古林場和2012年加

3、格達(dá)奇林業(yè)局做的外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)。模型模擬的對比分析和改進(jìn)結(jié)果概括如下:
　　(1) GEOSAIL模型，模擬的是單一太陽天頂角垂直觀測時(shí)不同冠層覆蓋度下的反射率，不能說明熱點(diǎn)現(xiàn)象，也不能描述植被的三維結(jié)構(gòu)信息。就單波段看反射率會隨著林分的郁閉度的增大而減小，吸收的有效光合輻射率則是隨著林分郁閉度的增大而增大。
　　(2) DART模型模擬的比較全面，既可以模擬整個(gè)場景，也可以模擬植被、地面、水體等的反射率，所模擬的光線可經(jīng)過多

4、次散射，更好的符合實(shí)際情況。模擬結(jié)果反射率曲線可以看出明顯的熱點(diǎn)現(xiàn)象(PHI=0°，VZA=40°)，近紅外波段的反射率曲線則可以看到“碗邊”效應(yīng)。
　　(3)4-SCALE模型所模擬的是在主平面方向上的反射率，充分考慮了樹冠間的排斥性和樹冠以下的實(shí)體的分布特征對BRDF的影響，未考慮多次散射對陰影部分地物反射強(qiáng)度的影響，也未考慮植被土壤的非朗伯體性質(zhì)等，因而在植被趨于連續(xù)，陰影區(qū)與非陰影區(qū)之間差別較小時(shí)，不如帶幾何光學(xué)修正的輻射

5、傳輸模型嚴(yán)密。在PHI=0°，VZA=40°的模擬結(jié)果看出明顯的熱點(diǎn)現(xiàn)象。郁閉度小時(shí)，在視線的前向方向上陰影樹冠面積增加而BRDF值降低，說明冠層內(nèi)部的多次散射對陰影樹冠的反射率的作用可以忽略，而在視線背向方向出現(xiàn)“碗邊”效應(yīng)也是因?yàn)榭紤]冠層內(nèi)部多次散射，這說明多次散射主要來自于光照樹冠表面。
　　(4)葉傾角分布(LAD)直接決定著植被冠層對輻射的截獲量，同時(shí)對入射太陽輻射的大小與走向也起著決定性作用，是定量遙感中的關(guān)鍵參數(shù)。因

6、此本研究基于Campbell橢球分布函數(shù)和迭代方法擬合大興安嶺林區(qū)主要樹種的LAD，定量分析冠層葉片分層與不分層時(shí)模型的擬合情況及不同齡組對LAD的影響，結(jié)果表明:大興安嶺地區(qū)6種主要樹種的LAD均屬于橫橢球分布，針葉樹的平均葉傾角小于闊葉樹;無論對葉片分層處理與否，模型擬合葉傾角的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致;白樺和落葉松的擬合結(jié)果與實(shí)測結(jié)果線性回歸的相關(guān)系數(shù)分別是0.8268、0.8192，均方根誤差分別是3.7％、4.3％，說明Camp

7、bell模型應(yīng)用于森林冠層是可靠的;考慮齡組的影響時(shí)，雖然分層處理時(shí)葉傾角的分布趨勢與齡組無關(guān)，但幼齡落葉松的平均葉傾角小于成熟落葉松，表明齡組對葉傾角分布取值有正向影響，而對消光系數(shù)取值起到負(fù)向影響。
　　(5)葉傾角分布(LAD)和葉面積指數(shù)（LAI）作為研究植被冠層結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，二者間存在一定的定量關(guān)系。TRAC測量的單線多角度數(shù)據(jù)通過NC理論能很好的反演出葉傾角分布，對實(shí)測的葉傾角分布的解釋能力達(dá)90％以上;研究發(fā)現(xiàn)NC

8、理論計(jì)算得到葉傾角概率密度較實(shí)際偏大，Campbell模型模擬結(jié)果則偏小，尤其在[0°，10°]區(qū)間內(nèi)，兩種理論存在一種互補(bǔ)關(guān)系，而兩種理論得到結(jié)果取平均時(shí)對實(shí)測的葉傾角分布的解釋能力將得到一定提高，達(dá)96％以上;此外利用NC理論反演時(shí)，葉傾角區(qū)間個(gè)數(shù)一般的定義為所測太陽天頂角個(gè)數(shù)的1/2為最佳。定量的反演得到葉面積指數(shù)，為大范圍的LAI測量提供有力的驗(yàn)證，同時(shí)又為葉傾角的分布提供了新的算法。
　　(6)均勻度理論和觀測天頂角分布

9、函數(shù)的引入，也是本研究的一大創(chuàng)新點(diǎn)。優(yōu)化前后模型與DART模型比對分析發(fā)現(xiàn)由于4-SCALE模型考慮了樹冠之間的遮蔽效應(yīng)，導(dǎo)致4-SCALE模型的反演結(jié)果要小于DART模型結(jié)果，而由于準(zhǔn)確計(jì)算得到的消光系數(shù)要大于經(jīng)驗(yàn)值，這對導(dǎo)致了優(yōu)化后的反演結(jié)果大于優(yōu)化前的結(jié)果直到了主要作用，可以看出進(jìn)行過參數(shù)優(yōu)化后的4-SCALE模型的反演能力得到了提高，能夠更加準(zhǔn)確的反演植被冠層反射率，當(dāng)然也可以反演其他參數(shù)如歸一化植被指數(shù)(NDVI)等植被指數(shù)。