針對SAIL冠層模型的土壤背景反射率修正

郭云開,安冠星,謝 瓊,周烽松,李 健

(長沙理工大學,湖南 長沙 410076)

針對SAIL冠層模型的土壤背景反射率修正

郭云開,安冠星,謝 瓊,周烽松,李 健

(長沙理工大學,湖南 長沙 410076)

提出一種基于SAIL模型的地表反射率修正方案，有效減小地形起伏的影響。通過引入太陽直射光的方向-方向反射與大氣散射的半球-方向反射，遵循光路可逆原理對地表反射率進行幾何修正，同時考慮地表自身熱輻射對入瞳輻射的影響從而修正地表反射率，發展適用于SAIL模型的地表反射率修正模型。利用長常高速部分路段的實測植被理化參數及光譜信息對地形修正后的SAIL模型模擬精度進行對比分析，結果表明地形修正后SAIL模型有效提高SAIL模型模擬的植被冠層光譜精度，修正后SAIL模型可為后續南方地區定量遙感的應用提供更精確的數據支持。

坡度坡向；地形校正；方向反射；地表熱輻射；入瞳輻射

近年來，在推進物理模型業務化運營過程中發現盡管以SAIL模型為代表的物理模型有良好的廣泛適用性，但其模型參數中土壤參數作為背景反射率未經過相應修正，在南方丘陵地區應用時模型模擬的精度有所降低。經分析產生此現象的主要原因為入射輻射、地表、傳感器之間存在的相對幾何關系在地形起伏較大時會導致BRDF發生扭曲，最終影響了耦合模型的魯棒性，致使利用耦合模型在地形起伏較大的地區反演植被信息精度受到較大的影響[1]。針對這一問題，部分學者采用遙感影像反演得到的背景反射率對模型進行修正或是嘗試采用地面波譜采集再應用的方法;另一部分學者采用對遙感影像進行地形修正以求得到較為準確的光譜信息，再利用物理模型進行參數反演的方法并取得了一定成果。目前國外學者研究較深入地形修正模型的主要有C模型、Cosine-C模型、Cosine-b模型、SCS模型、SCS+C模型及b模型等[2,3]；國內學者在此領域也取得了一定成果，如高永年的變經驗系數校正模型、元雪勇等改進的山地大氣輻射校正模型及聞建光等提出的基于方向反射的地表反射率修正模型等[4]。模型以遙感影像為研究對象，直觀地研究地形對裸露地表反射率變化的影響，這類模型在修正地形影響過程中導致輸入的參數較難獲取且不具有普適性，這一缺陷使其難運行，同時也無法應用于物理模型。

根據地表對輻射的入射和反射方式的不同，對地形進行幾何修正并引入地表熱輻射作用建立適用于SAIL模型的地表反射率修正方案，以湖南省某高速路段實測理化信息及光譜數據作為研究樣本，分析和驗證修正方案的實際效果。

1 模型修正算法

地表反射率變化是由觀測方向引起的傳感器入瞳輻射量變化造成的，在入射輻射量不變的情況下，探測到的反射率為入瞳輻射與入射輻射的比值。因此，通過修正地形引起的入瞳輻射變化即可修正植被冠層覆蓋下的地表反射率。

1.1 入射輻射

對于冠層覆蓋的地表而言，入射輻射E主要由三部分構成：太陽直射輻射ES；大氣散射輻射Ed；周圍地形反射輻射Ea[5]。地表對于太陽直射光的反射過程為方向-方向反射；對于大氣散射為半球-方向反射；當地表反射較高(如雪地、紅外波段的植被存在)時，周圍地形反射帶來的影響不可忽略。對于植被冠層，天空散射光在入射光中所占比例可用SAIL模型參數SKYL來表示[6-7]，SKYL參數可在SAIL模型的計算過程中獲取，表示入射輻射中天空散射光所占比例。

入射輻射中的太陽直射光為方向入射，因此首先要對太陽直射入射光進行修正，任意傾斜面上的太陽光相對入射角為

cosis=cosαcosθs+

sinαsinθscos(β-φs).

(1)

式中:is為相對入射角；α，β分別為坡度與坡向；θs，φs分別為太陽天頂角與方位角，如圖1所示。

圖1 坡度、坡向、天頂角、方位角示意圖

1.2 入瞳輻射

對于傳感器而言，其接收到的輻射能量除對太陽直射輻射、天空散射輻射及周圍地形反射輻射外，還接收到了地表自身的熱輻射，尤其750～2 500 nm的近紅外波段，南方丘陵地區的地表熱輻射尤其明顯[8-9]。因此，對于傳感器的入瞳輻射需要進行4項修正。

研究中認為地表本身的反射率不變，入瞳輻射變化是由各種輻射的方向反射起的[10-12]。因此將反射光線按照入射光線的糾正方法進行方向修正，即

1)太陽直射輻射經地表反射后做觀測方向的幾何修正，太陽直射光到達地面的入射輻射為

(2)

因此，直射太陽光反射輻射修正式為

(3)

式中：θv和φv分別為傳感器的天頂角和方位角，cosiv的計算：

cosiv=cosαcosθv+

sinαsinθvcos(β-φv).

(4)

2)天空散射輻射的反射過程為方向反射，因此也需要對其角度進行幾何修正，天空散射光到達地面的入射輻射為

Ed=E×SKYL.

(5)

從而得到天空散射輻射的反射輻射部分修正式為

(6)

3)周圍地形輻射修正，傾斜地表對周圍地形的反射被認為是半球-方向反射，因此需要對入射的周圍地形影響進行方向反射修正，對于傾斜地表，來自周圍的反射輻射為

(7)

其中，σg為地表的太陽反照率；

其修正式為

(8)

4)地表在太陽光的同時會提高地表溫度，從而引起地表向外發射熱輻射[13]。由基爾霍夫定律可知，地表自身熱輻射量的計算式為

M=εσT4.

(9)

式中：T為地表溫度；σ為黑體輻射常數，取5.670 3×10-8；ε為地表比輻射率，其數值可由經驗式確定：

ε=1.009 4+0.047×ln(NDVI).

(10)

NDVI稱為歸一化植被指數，可由遙感影像計算得到[14-15]。

由1.2節的入瞳輻射和總入射輻射的比值即可得到地形的反射率修正結果，在計算過程中總的太陽輻射一般采用太陽常數，其值為1 367 w/m2。將修正后的地表反射率嵌入SAIL模型中即可得到地形修正后的DSAIL模型。

2 模型分析

利用經過修正后的SAIL模型對模型參數的敏感程序進行分析。理化參數選定為等效水厚度0.014 3，干物質含量0.017 1，葉綠素含量59.2，葉面積指數4.301，地表溫度38°，NDVI為0.727，太陽高度角16，方位角0°，植被為喜平型且地表土壤為干土壤，傳感器為垂直觀測。在研究坡度時設定坡向為0°，坡度從0°～90°變化，間隔為10模擬植被冠層光譜數據，可得到圖2。由圖2可看出，坡度修正主要對植被冠層光譜的800～1 800 nm產生較大影響，且隨著坡度的增加，某一方向光譜反射率逐步減小。在360～780 nm的可見光波段是其光合作用吸收的主要波段，此時這一波段穿透冠層到達地表的輻射較少，因此其反射作用對地形敏感性較低；而800～1800 nm的入射輻射則是以熱輻射為主且水的反射較強，此時葉片對這一波段的光譜反射率較高，類似于自身的保護機制，對坡度較為敏感。

圖2 坡度-光譜變化

利用同樣的方法，在其他參數不變的情況下令坡度為60°，坡向從0°～80°，-20°～-80°間隔為20可得到坡向-光譜曲線(如圖3所示)。由坡向-光譜曲線圖可看出，坡向對模擬光譜的影響小于坡度對模擬光譜的影響，影響區域仍主要集中在800～1 400 nm。將這一波段放大如圖4所示。由曲線可看出當坡向為正時，模擬光譜反射率隨著坡向的增加呈現先增大后減小的趨勢；當坡向為負時，模擬光譜反射率隨著坡向絕對值的增加而減小的趨勢。

圖3 坡向-光譜變化

圖4 800～1 400 nm光譜曲線放大

3 模型試驗

本研究以長常高速長沙至益陽段(9～42 km)共計33 km為研究路段，高速公路兩側為丘陵地形且植被覆蓋較多，植被覆蓋度較高。實驗中采集葉綠素含量(SPAD)、葉面積指數、溫度、地形參數、葉片鮮重、干重、葉片面積及冠層光譜等信息，實驗參數經過整理后對部分參數進行換算得到模型參數，最終形成如表1所示成果。

在分析過程中以實測光譜為基準，分別利用未進行地形修正和進行過地形修正的SAIL模型模擬光譜與實測數據對比，計算均方根誤差，得到如下均方根誤差統計表(見表2)。

表中RMSE差為負表示經過地形修正后光譜反射率與實測數據更為接近；否則表示地形修正后出現了過度校正的問題。

在利用模擬光譜與實測光譜進行RMSE分析的同時取出部分模擬光譜進行分析，結果顯示：地形修正后的植被冠層光譜更加接近實測結果，其RMSE可提高0.006～0.040左右。

4 結論與展望

經上述研究，本文可得出以下結論：在南方丘陵地區使用地形修正后SAIL模型，可在一定程度提高SAIL模型模擬植被冠層反射率的精度。進一步提高輻射傳輸理論的適應性，使其更加適應南方地區的地區性特點，推進定量遙感的業務化進程。

表1 實驗參數表

表2 實驗分析表

然而，模型修正時未考慮熱輻射的波譜特性，其結果可能是造成部分地形過度修正的原因之一，在后續的工作中需進一步對熱輻射的波譜特性分析。

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[責任編輯：李銘娜]

Soil background reflectance correction for SAIL model of canopy

GUO Yunkai,AN Guanxing, XIE Qiong, ZHOU Fengsong,LI Jian

(Changsha University of Science & Technology, Changsha 410076,China)

In order to reduce the influence of terrain changes in the hilly area, this paper proposes a method based on SAIL model, by introducing the direction reflection of the sunlight and hemisphere-direction reflection of atmospheric scattering. Following the optical reversible principle, it takes a geometry modification to the surface reflectance. And simultaneously considering the influence of soil radiation on the pupil radiation, it develops a surface reflectivity model appropriate for the SAIL model. By comparing and analyzing the simulation accuracy of the terrain modified SAIL model, this paper adopts the vegetation physicochemical parameter in Chang-chang highway and spectral information. The result shows that the terrain modified SAIL model can improve the vegetation canopy spectral accuracy effectively. Meanwhile it can provide more accurate data supports for the application of quantitative remote sensing in South China.

slope ans aspect; topographic correction; directional reflection; surface thermal radiation; pupil radiation

2016-10-27

國家自然科學基金資助項目(41671498；41471421)

郭云開(1958-)，男，教授，博士.

著錄：郭云開,安冠星,謝瓊，等.針對SAIL冠層模型的土壤背景反射率修正[J].測繪工程，2017，26(8)：1-4.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.08.001

TP701

A

1006-7949(2017)08-0001-04