植被光辐射传输及表面反射特性研究

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1、第二章植被光辐射传输及表面反射特性研究本章描述了光辐射在水平均匀和垄状非均匀植被中的传输过程，导出了具有非朗伯特性组分群体直射衰减系数、漫射衰减系数、漫射散射系数、方向散射系数以及双向散射系数。确定了表面双向反射分布函数的解析表达式，分析了不同形态结构植被的表面反射特性。§2.1引言植被中的光辐射分布以及植被组分的光辐射吸收，对植物的光合作用有非常大的影响。当把植被作为目标进行遥感、遥测，或以植被为背景对军事目标进行伪装和鉴别时，对植被表面反射特性的了解是十分必要的。因此，植被群体光辐射传输、植被光辐射吸收以及植被表面双向反射特征的研究在遥感信息识别、植物污染与病虫害检测

2、、农作物估产以及配合地质找矿等方面都有广泛的应用价值[1-4]。由于自然地物既非理想的光滑面，又不是完全的朗伯体，其反射辐射分布同时受到入射方向和观测方向的控制。因此，植被反射系数是随辐射源（太阳）方向和仪器测量方向变化的一个概率函数，通常称之为双向反射分布函数（BidirectionalReflectanceDistributionFunction）。在实际测量及应用中，为了便于在遥感器中直接实现，常常采用以有限面积为基础，被称之为“方向反射系数”（）的物理量来代替。被定义为在相同光照条件下，地物在某一方向的反射辐射强度与水平朗伯体在同一方向的反射辐射强度之比[5]。当

3、入射光线直射时，两者之间仅差一常数，所以可认为是的极限形式。对于同一地物目标，通过从不同的方向，在不同的光照条件下测量其，依据描述地物与辐射相互作用的物理模型即可反演出地物的几何结构。对于植被，就是说可得到许多在生产中十分有价值的生态参数[6]。同时，若在几个不同的波长处测得其，依据上述物理模型和植被组分的特征光谱，就可鉴别植被的灾害情况[7]。这可使遥感技术的方法和应用产生质的飞跃，也就是目前45研究在国际上成为热门课题的原因所在。但是，要实现上述目标，除了要在多角度遥感系统研制方面进行大量的工作外，建立精确的描述地物相互作用的模型是关键的一步，也是当今研究的核心。许多

4、学者在这方面作了大量的工作，他们依据不同的研究对象或研究目的提出了各种物理模型，归纳起来可分为四类，即几何模型、混浊介质模型、混合模型和计算机模拟模型[8]。从应用角度看，混浊介质模型和混合模型更适合于模拟植被的辐射吸收和表面反射特性。混浊介质模型的出发点是将植被各部分假定为已知光学性质和取向的小吸收体和散射体，群体被处理成辐射场在垂直方向发生变化、水平方向随机分布的平面平行层（Plane-Parallel-Layer）的集合，通过引入叶面积指数和叶面倾角分布等概念来考虑群体结构的影响。基于上述假设，目前已经出现了众多的具体模式，其中Suits[9,10]和Verboef

5、[11]所提出的五参数四通量微分方程组，考虑了各参数随太阳位置和观测方向以及叶面倾角的变化，理论比较简单、实用，在植被遥感中得到了广泛应用。混合模型是几何模型和混浊介质模型的综合。群体仍象几何模型那样被处理成具有一定几何形状和空间分布特征的植被集合。植株的每部分又类似于混浊介质模型，被认为是光学性质已知的吸收体和散射体，同时还考虑群体的多次散射作用。混合模型是通用模型，它既适合于稀疏群体，又适用于密闭群体。以往许多文献的作者在利用混浊介质模型或混合模型分析植被表面的反射特性时，要么简单地将植被群体假设为是由水平叶面和竖直叶面组成的，将植被表面反射特性与植被群体的简化结构联

6、系起来[9,10]；要么将植被组分看成是完全的朗伯体，由此分析任意倾斜组分的散射特性，得到各类散射系数，进而计算表面的反射特性[11]。这些假设可以简化分析和计算步骤，对于利用模型和表面反射参数反演各类植被特征参量（如产量估算）时是十分有利的[12-17]。但是，作为地表辐射特性分析以及进一步的图象模拟，要想获得植被内光辐射分布的完整描述，从而计算植被组分的光辐射吸收和表面的反射参数，必须考虑植被组分的非朗伯特性以及各种倾角组分的贡献，在一般情形下进行分析计算。本章从基本的光学原理出发，分析了各种倾角分布、具有非朗伯特性组分的植被群体的散射特性。针对水平均匀群体，采用混浊

7、介质模型；对于非均匀分布群体，采用混合模型，给出了植被内光辐射分布和表面双向反射分布函数的解析表示式，并对不同形态结构的植被群体进行了模拟计算和分析。45本章作者的主要贡献为，首次推出了具有非朗伯特性组分的植被群体的直射衰减系数、漫射衰减系数、漫射散射系数、方向散射系数以及双向散射系数的解析表达式；给出了非均匀植被群体的光辐射分布以及表面双向反射分布函数的解析表达式；探讨了植被微观形态结构（叶面倾角分布）和宏观形态结构（单株外轮廓形状）以及入射方向和观测方向对植被表面反射特性的影响。§2.2基本概念植被内光辐射分布以及表面反射