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基于三维辐射传输模型的植被反射率模拟及其生物光学参数反演

甄治钧  
【摘要】:植被是地表生态系统的组成部分之一,它能维持生态平衡,改善生态环境,与人类生存发展密不可分,对人类的生存和发展起着重要作用。遥感数据因其测量精度和空间/光谱/时间分辨率的提高以及遥感数据解译方法的进步而越来越多地被应用于植被监测及参数反演。传统的一维辐射传输模型由于其不准确的参数估计,影响了植被反射率模拟及生物光学参数反演的准确性。基于真实结构的三维辐射传输模型可以很好地考虑传感器观测和太阳入射方向,地表辐照度的直射与漫散射,以及场景复杂的三维结构问题。然而,三维辐射传输模拟及反演的应用遇到了以下几个方面的问题:(1)现有模拟模型由于缺少地面关键参数时空变化知识,不具备连续时相模拟能力,而遥感影像多为时间序列数据,难于与遥感数据共同使用。(2)现有的叶片光谱反演方法多适用于植被密集区域,而在城市等地物类型复杂,混合像元弥漫的场景中,叶片光谱特性的反演精度受到严重影响。(3)现有的植被指数在高植被覆盖区反演叶面积指数时易受到饱和效应影响,严重限制了其反演能力。针对上文提到的问题,以基于三维辐射传输模型的植被反射率模拟及其生物光学参数反演为核心,通过耦合生长模型实现三维辐射传输连续时相模拟能力;通过基于离散各向异性辐射传输模型(DART)校正精确反演了亚像元尺度下城区叶片的光谱特性;通过分析植被等值线规律提出了交点右移现象以缓解土壤调节植被指数(SAVI)在高植被覆盖区域的饱和效应。为了实现三维辐射传输连续时相模拟能力,基于一款由扩展L系统(ELSYS)开发的静态三维玉米建模模型,耦合了以累积日度差为生长因子的玉米生长方程,加入了描述整个植物生长季节冠层结构的发展规则,模拟了从出苗到雄花期的三维玉米场景。利用多种三维辐射传输模型模拟了对应场景的玉米冠层反射率以进行交叉验证,取得了很好的一致性。以三维辐射传输模型的结果为真值,与相同叶面积指数(LAI)条件下的一维辐射传输模型进行对比,发现相同LAI条件下一维辐射传输模型的均质性假设条件导致场景盖度大约是真实盖度的1.5倍,且近红外天顶方向反射率存在明显的高估现象。产生的原因可能是由于均质性假设未能考虑到天顶观测到的植被比例较低,而多重散射主要来自植被。考虑到天顶方向是传感器的重要观测方向且近红外是植被监测的重要波段,认为均质性假设导致的高估是不可忽视的,其结果将导致基于均质性假设的遥感反演产生对于植被数量(LAI等)的低估。为了反演城市地区叶片光谱特性,基于DART校正采用线性光谱混合模拟分离出了冠层的单次散射反射率,并由迭代法不断修正输入叶片的光谱特性以模拟接近混合像元分离的冠层反射率。对反演结果进行了精度评定和敏感性分析,在理想无噪声模拟实验中,地面、屋顶、水、树和灌木在所有波段的平均相对误差为0.015、0.004、0.017、0.320和0.303。在添加了噪声的实验条件下(像元偏移、三维场景的几何精度和调制传递函数与真值存在一定偏差),反演出现了较大的误差:对于地面、屋顶、水、树和灌木,平均相对误差分别为0.289、0.448、1.103、1.164和1.242。按重要性降序排列,对城市物质的光谱特性反演精度影响最大的参数是太阳天顶角、卫星图像空间分辨率、像元偏移、三维城市场景建模的不准确性和调制传递函数。为了缓解SAVI在高植被覆盖区域的饱和效应,分析了植被等值线变化特征,提出了植被等值线交点右移现象。右移现象表明在均质冠层(本文定义为聚集指数等于1的冠层)中随着植被盖度增加,植被等值线与土壤线交点逐渐向红光坐标轴正向移动,当植被等值线的截距小于土壤线的截距时,最终交点可以到达红光正值区域,反之不可。右移现象成功化解目前学术界两大争论,从新的角度实现了辩证统一。基于右移现象,考虑到最优土壤调节因子是植被等值线与土壤线交点横坐标负值,提出了在高植被覆盖区最优土壤调节因子应为负值的假说,并加以数据进行验证。结果表明,当平均LAI为5.35时,最佳土壤调节因子约为-0.148;当平均LAI为6.72时,最佳土壤调节因子约为-0.183。该假说可以极大地缓解SAVI的饱和效应并提升LAI反演精度。以基于三维辐射传输模型的植被反射率模拟及其生物光学参数反演为研究对象,从模拟和反演两个方面开展了研究。前半部分着重阐述耦合生长模型的三维植被场景的建模及反射率模拟。后半部分着重阐述利用三维辐射传输模型或其模拟的数据反演植物生物化学参数。研究工作将有助于三维辐射传输模拟在多时相遥感影像中的应用,潜在的应用包括为传感器设计提供高质量的分析验证数据和为定量遥感反演建模、时空尺度转换和多源数据同化等研究提供有效的数据支撑,以实现“定量化模拟,定量化评价”的目的。


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