不同植被冠层多角度反射特性研究

杨秀云，张春影，孙仲秋

(东北师范大学地理科学学院，吉林长春 130024)



不同植被冠层多角度反射特性研究

杨秀云，张春影，孙仲秋

(东北师范大学地理科学学院，吉林长春 130024)

[摘要]为了比较不同植被冠层双向反射分布的差异性和关联性，为植被特征参数的反演提供依据，本研究通过使用ASD FS3光谱仪和东北师范大学实验室角度测量系统(NENULGS)获取了植被冠层多角度反射信息。研究发现：(1)阔叶植被冠层各向异性特征比针叶明显；(2)一般来说后向反射值大于前向，后向随探测角增加阴影面积减小反射值增加，前向随探测角增加阴影面积增加反射值降低；(3)入射角减小，冠层反射规律的变化阔叶比针叶明显。(4)植被冠层双向反射分布受探测条件和冠层形态的双重影响。

[关键词]冠层；多角度反射；各向异性特征

植被在环境变化、水土保持等方面具有重要作用，植被反射信息成为地球生态系统重要研究指标之一。依据植被反射信息，不仅可以识别不同的地物植被或植被的不同特性[1]，还可以反演出植被结构参数和生物量，获取更为详细的植被生长信息，进行植被监测[2-4]。传统的遥感技术大都以垂直观测为主，并假设被观测地物为“朗伯体”[2]。实际上自然界中几乎所有的地物都具有各向异性的反射特征[3,5]。因此，传统的单一角度研究地物反射信息的方法已渐渐不能满足研究的需要。多角度遥感包含了大量立体结构信息，具备求解植被特征的潜力，可能避免传统遥感面临的“异物同谱、同物异谱”的困难[5]，能很好地弥补传统遥感技术的不足，为遥感的应用提供有效手段。

近年来，已有许多学者开展了关于植被的多角度反射特性研究，杜朋朋获取并且分析了小麦叶片的多角度光学特性[6]；Breece and Holmes在375～1000 nm之间的19个波段内研究了大豆玉米叶主平面方向的双向反射特性[7]；东北师范大学阎国倩获取了植被与土壤混合像元的多角度偏振反射信息[8]；赵娟等人探讨了不同株型小麦的双向反射分布函数特征[9]；北京大学闫彬彦等人从叶片着手分析了行播作物二向性反射的一体化模型[10]；田启燕结合覃文汉“热点”校正模型，给出了任意倾向长方形叶片的双向反射率模型[11]。已有的研究虽均涉及植被多角度反射，但从中不难看出：(1)研究多数是单叶尺度而不是冠层尺度。(2)研究对象以大田农作物为主，室内景观植物研究较少。与单叶相比，植被冠层反射信息较为完整，能较精确地反映植被自身特性，避免偶然性。另外，大田作物生长习性与室内景观植物存在差别，研究室内植物反射特性同样具有重要意义。因此本研究选取盆栽植被冠层——南洋杉(模拟针叶)和菜豆树(模拟阔叶)为研究对象，在多角度反射测量的基础上，获得了植被冠层双向反射信息。本文主要对不同植被冠层双向反射特征的变化规律进行讨论。

1材料与方法

1.1实验材料

选取菜豆树(模拟阔叶)和南洋杉(模拟针叶)植被冠层为研究对象。菜豆树：羽状复叶，叶片革质且全缘无毛，冠层较密[12-13]；南洋杉：叶片多为针状，冠层较平整[14-15]。

1.2实验仪器及方法

本实验使用ASD FS3系列光谱仪, 结合东北师范大学实验室角度测量系统(NENULGS)[16-17]来获取植被冠层多角度反射信息。实验所选方位角范围0～360°，15°一个间隔；探测角范围0～60°，10°一个间隔；又选择了50°入射角和60°入射角进行测量。实验中0°、15°、345°方位角下40°探测角时因仪器自身构造影响，发生挡光现象，三处反射值无法测量。因此，每个入射角环境下均可对样本进行142个方向的光谱测量，本研究主要依据这些数据进行分析。

图1　入射角60°，垂直探测不同植被冠层反射光谱

2结果与分析

2.1植被冠层反射光谱曲线

南洋杉与菜豆树在60°入射角、垂直探测时反射光谱曲线如图1所示，横轴表示不同波段，纵轴表示反射比，即在相同条件下地物向某一方向反射的强度与该方向理想的漫反射强度之比[5]。

南洋杉和菜豆树在350～2500 nm范围内均表现出典型的植被光谱反射特征，即在可见光波段内，出现“红谷”、“蓝谷”、“绿峰”，在近红外区内出现高反射平台[18-20]。其中，750～1300 nm波谱段内，由于水或氧的吸收带影响，植被光谱曲线具有波状起伏的特点[18]。总体上，反射曲线呈“五谷四峰”的变化，反射率受到植被本身的色素含量、细胞结构等多方面因素的影响，所以两种植被冠层的反射值显现一定的差异性[19-20]。

谢晓金曾提出：380～760 nm时植被反射值多与叶绿素的吸收有关，760～1350 nm时多与植物本身的细胞构造有关，1400 nm以后主要受含水量的影响[18]。杨红飞研究证明可见光波段，生物量大、叶绿素高导致反射值低[19]。而本实验中，菜豆树较为茂盛，冠层较密，其生物量大于南洋杉，相对的叶绿素含量高于南洋杉，因此可见光波段阔叶植被反射值低于针叶。近红外波段反射值的差异与细胞结构和含水量有关，南洋杉叶片呈针状，与菜豆树相比，含水量相对较小，近红外部分对光的吸收较弱，因此反射值高于阔叶。与可见光相比，近红外处两种植被冠层反射值的差异更明显，因此近红外波段可以为植被冠层的区分提供参考依据。

2.2主平面反射特性分析

主平面方向(即前向180°方位和后向0°方位构成的平面)携带了丰富的光学信息[6,9]。本研究选取670 nm、865 nm进行分析，60°入射时主平面方向植被冠层反射比与探测角的关系如图2所示。180°方位，标识为正值；0°方位，标识为负值。

Nolin[21]和孙仲秋[22]先后研究过“各向异性反射系数”。本研究中，为了比较植被冠层在不同波段对探测角的敏感性，亦引入“各向异性反射系数”(各探测角度观测值与0°探测观测值之比)。反射系数与探测角的关系如图3所示。

图2　入射角60°，反射比随探测角度的变化

图3　入射角60°，各向异性反射系数示意图

670 nm：前向散射方向(180°方位)上，针叶植被冠层随探测角增加阴影面积增大导致反射值先减小，后因单次散射光的影响反射值增加[17]。阔叶植被冠层随探测角增加反射值增加，主要是因为菜豆树叶片平整，蜡质层较明显，容易产生镜面反射，而叶片的表面不是绝对的镜面反射体，所以探测角度越大镜面反射越明显，反射值越高[23]；后向散射方向(0°方位)上，针叶和阔叶植被冠层均随探测角增加阴影面积减小导致反射值增加。

865 nm：前向反射规律与670 nm有所不同。在前向，随探测角增加，阔叶植被冠层反射值先增加到峰值后又逐渐减小[23]，针叶植被冠层因阴影面积一直增加导致反射值持续降低。

两种植被冠层在670 nm和865 nm波段，后向反射值均高于前向，这主要与阴影面积的变化有关。

整体比较两个波段，865 nm冠层反射值明显高于670 nm，与上文2.1中提出的近红外区出现高反射平台规律相符。出现高反射平台与植物细胞结构有关，可理解为植物防灼伤的自卫本能[18-19]。

由图3可知，670 nm时两条曲线起伏较大，865 nm时较平缓，即两种植被冠层在670 nm对探测角的敏感性要比865 nm高。

2.3植被冠层双向反射分布

双向反射分布图中，0°、15°、345°方位的40°探测角测量时，因仪器构造影响发生挡光现象，测量值无法得到，图上对应的空白范围即为未知值。

2.3.1双向反射特征分析

由图4、图5可知，不同植被冠层双向反射分布特征差异较大。总体来看阔叶的各向异性反射特征(即地物反射强度随光线入射角和观测角的不同而变化的特性[3,5,9])要明显强于针叶，这可能与植被冠层的叶片形态和内在细胞结构有关，叶子形态、结构、色素、含水量等特征不同，反射率也各有特点[20]。

由于菜豆树与南洋杉叶片表面比较均匀，以主平面为轴，轴线两侧冠层双向反射均呈现较好的对称性。杜朋朋也曾证明，叶片表面粗糙分布对称性会形成较为对称的双向反射分布[6]。

针叶冠层反射最高值分布在后向0°附近，最低值分布在前向180°附近。而阔叶冠层反射最高值出现在330°和30°方位角附近，最低值出现在255°和105°方位角附近，即极值并不集中分布在主平面方向，与针叶存在较大差别，这与植被冠层自身特性有关。

图4　入射角60°，670 nm不同植被冠层双向反射分布

图5　入射角60°，865 nm不同植被冠层双向反射分布

2.3.2入射角对针叶植被冠层双向反射分布的影响

为了说明观测反射分布变化，这里以针叶树为研究对象。观察图6可知，入射角的变化并不影响针叶植被冠层双向反射分布的整体规律(规律如上文2.2中所述)。但随着入射角减小，反射值整体减小，且极值愈加集中在主平面方向。张红和朱启疆在对玉米、大豆、棉花研究中也证明，入射角变大，近红外的反射值均增大，且在相对入射方向的反射方向出现峰值[23]。

图6　入射角为50°和60°，670 nm针叶植被冠层双向反射分布

3结论

(1)不同植被冠层双向反射特征差异很大。与针叶相比，阔叶植被冠层各向异性更明显。针叶植被冠层：60°入射：后向反射值大于前向；反射极值较集中的分布在主平面方向；后向随探测角增加反射值增加；前向规律因波段而有差别，670 nm处，探测角增加反射值先减小后增加，865 nm处，探测角增加反射值降低。

(2)阔叶植被冠层：60°入射：后向反射值大于前向；反射最高值出现在距主平面的后向30°方位角附近，最低值出现在距主平面的前向75°方位角附近；后向随探测角增加反射值增加；前向规律因波段而有差别，670 nm处，探测角增加反射值增加，865 nm处，探测角增加反射值先增加后降低；不同植被冠层反射分布受入射角影响，即随着入射天顶角增加，反射增大。

本文主要对不同种植被冠层的反射特性进行对比研究，实际中还可考虑同为针叶或阔叶植被冠层，若其形态、结构、处的生长期等不同，则反射特征也会有差别。因此，研究同种植被冠层反射分布的差异及影响因素也是非常有意义的。

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Study on Different Vegetation Canopy Multi-angle Reflection Characteristics

YANG Xiu-yun，ZHANG Chun-ying，SUN Zhong-qiu

(School of Geographical Sciences of Northeast Normal University，Changchun Jilin 130024，China)

Abstract:In order to compare the difference and correlation of bidirectional reflectance distribution of different vegetation canopy and provide the basis for the inversion of vegetation characteristic parameters. In this study, we use the ASD FS3 spectrometer and the Northeast Normal University laboratory angle measurement system (NENULGS) to obtain the reflection information of multi-angle of vegetation canopy. The study shows that:(1) The anisotropic characteristics of the broad leaf canopy was more obvious than the needle.(2)Generally, the backward reflection value is greater than the forward direction, and in the backward reflection, with the increase of the detection angle, the shadow area decrease and the reflected value increase. The forward reflection is opposite to the backward. (3)With the decrease of the incidence angle, the change of the reflection law of broad leaf canopy was more clear than the needle. (4) The bidirectional reflectance distribution of vegetation canopy is impacted by the detection conditions and canopy morphology.

Key words:canopy; multi-angle reflection; anisotropic characteristics

[收稿日期]2016-03-07

[基金项目]国家自然科学基金委员会青年基金项目“粒径大小对颗粒表面偏振反射光谱特性影响机制研究”(41401379)；国家级大学生创新创业训练计划项目“基于植硅体分析的昂昂溪文化期古人类生存环境的复原与重建——以洪河遗址为例”(201510200052)。

[作者简介]杨秀云(1994- )，女，东北师范大学地理科学学院学生，从事定量遥感实验与研究。

[通讯作者]孙仲秋(1986- )，男，讲师，博士，从事偏振光遥感与定量遥感研究。

[中图分类号]TP72

[文献标识码]A

[文章编号]2095-7602(2016)06-0185-06

注：本研究为国家级大学生创新创业训练计划项目。项目组成员：刘旭、杨秀云、段天男、熊志飞、历丹丹；指导教师：介冬梅。