针对SAIL冠层模型的土壤背景反射率修正

郭云开,安冠星,谢 琼,周烽松,李 健

(长沙理工大学,湖南 长沙 410076)

针对SAIL冠层模型的土壤背景反射率修正

郭云开,安冠星,谢 琼,周烽松,李 健

(长沙理工大学,湖南 长沙 410076)

提出一种基于SAIL模型的地表反射率修正方案，有效减小地形起伏的影响。通过引入太阳直射光的方向-方向反射与大气散射的半球-方向反射，遵循光路可逆原理对地表反射率进行几何修正，同时考虑地表自身热辐射对入瞳辐射的影响从而修正地表反射率，发展适用于SAIL模型的地表反射率修正模型。利用长常高速部分路段的实测植被理化参数及光谱信息对地形修正后的SAIL模型模拟精度进行对比分析，结果表明地形修正后SAIL模型有效提高SAIL模型模拟的植被冠层光谱精度，修正后SAIL模型可为后续南方地区定量遥感的应用提供更精确的数据支持。

坡度坡向；地形校正；方向反射；地表热辐射；入瞳辐射

近年来，在推进物理模型业务化运营过程中发现尽管以SAIL模型为代表的物理模型有良好的广泛适用性，但其模型参数中土壤参数作为背景反射率未经过相应修正，在南方丘陵地区应用时模型模拟的精度有所降低。经分析产生此现象的主要原因为入射辐射、地表、传感器之间存在的相对几何关系在地形起伏较大时会导致BRDF发生扭曲，最终影响了耦合模型的鲁棒性，致使利用耦合模型在地形起伏较大的地区反演植被信息精度受到较大的影响[1]。针对这一问题，部分学者采用遥感影像反演得到的背景反射率对模型进行修正或是尝试采用地面波谱采集再应用的方法;另一部分学者采用对遥感影像进行地形修正以求得到较为准确的光谱信息，再利用物理模型进行参数反演的方法并取得了一定成果。目前国外学者研究较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]；国内学者在此领域也取得了一定成果，如高永年的变经验系数校正模型、元雪勇等改进的山地大气辐射校正模型及闻建光等提出的基于方向反射的地表反射率修正模型等[4]。模型以遥感影像为研究对象，直观地研究地形对裸露地表反射率变化的影响，这类模型在修正地形影响过程中导致输入的参数较难获取且不具有普适性，这一缺陷使其难运行，同时也无法应用于物理模型。

根据地表对辐射的入射和反射方式的不同，对地形进行几何修正并引入地表热辐射作用建立适用于SAIL模型的地表反射率修正方案，以湖南省某高速路段实测理化信息及光谱数据作为研究样本，分析和验证修正方案的实际效果。

1 模型修正算法

地表反射率变化是由观测方向引起的传感器入瞳辐射量变化造成的，在入射辐射量不变的情况下，探测到的反射率为入瞳辐射与入射辐射的比值。因此，通过修正地形引起的入瞳辐射变化即可修正植被冠层覆盖下的地表反射率。

1.1 入射辐射

对于冠层覆盖的地表而言，入射辐射E主要由三部分构成：太阳直射辐射ES；大气散射辐射Ed；周围地形反射辐射Ea[5]。地表对于太阳直射光的反射过程为方向-方向反射；对于大气散射为半球-方向反射；当地表反射较高(如雪地、红外波段的植被存在)时，周围地形反射带来的影响不可忽略。对于植被冠层，天空散射光在入射光中所占比例可用SAIL模型参数SKYL来表示[6-7]，SKYL参数可在SAIL模型的计算过程中获取，表示入射辐射中天空散射光所占比例。

入射辐射中的太阳直射光为方向入射，因此首先要对太阳直射入射光进行修正，任意倾斜面上的太阳光相对入射角为

cosis=cosαcosθs+

sinαsinθscos(β-φs).

(1)

式中:is为相对入射角；α，β分别为坡度与坡向；θs，φs分别为太阳天顶角与方位角，如图1所示。

图1 坡度、坡向、天顶角、方位角示意图

1.2 入瞳辐射

对于传感器而言，其接收到的辐射能量除对太阳直射辐射、天空散射辐射及周围地形反射辐射外，还接收到了地表自身的热辐射，尤其750～2 500 nm的近红外波段，南方丘陵地区的地表热辐射尤其明显[8-9]。因此，对于传感器的入瞳辐射需要进行4项修正。

研究中认为地表本身的反射率不变，入瞳辐射变化是由各种辐射的方向反射起的[10-12]。因此将反射光线按照入射光线的纠正方法进行方向修正，即

1)太阳直射辐射经地表反射后做观测方向的几何修正，太阳直射光到达地面的入射辐射为

(2)

因此，直射太阳光反射辐射修正式为

(3)

式中：θv和φv分别为传感器的天顶角和方位角，cosiv的计算：

cosiv=cosαcosθv+

sinαsinθvcos(β-φv).

(4)

2)天空散射辐射的反射过程为方向反射，因此也需要对其角度进行几何修正，天空散射光到达地面的入射辐射为

Ed=E×SKYL.

(5)

从而得到天空散射辐射的反射辐射部分修正式为

(6)

3)周围地形辐射修正，倾斜地表对周围地形的反射被认为是半球-方向反射，因此需要对入射的周围地形影响进行方向反射修正，对于倾斜地表，来自周围的反射辐射为

(7)

其中，σg为地表的太阳反照率；

其修正式为

(8)

4)地表在太阳光的同时会提高地表温度，从而引起地表向外发射热辐射[13]。由基尔霍夫定律可知，地表自身热辐射量的计算式为

M=εσT4.

(9)

式中：T为地表温度；σ为黑体辐射常数，取5.670 3×10-8；ε为地表比辐射率，其数值可由经验式确定：

ε=1.009 4+0.047×ln(NDVI).

(10)

NDVI称为归一化植被指数，可由遥感影像计算得到[14-15]。

由1.2节的入瞳辐射和总入射辐射的比值即可得到地形的反射率修正结果，在计算过程中总的太阳辐射一般采用太阳常数，其值为1 367 w/m2。将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

利用经过修正后的SAIL模型对模型参数的敏感程序进行分析。理化参数选定为等效水厚度0.014 3，干物质含量0.017 1，叶绿素含量59.2，叶面积指数4.301，地表温度38°，NDVI为0.727，太阳高度角16，方位角0°，植被为喜平型且地表土壤为干土壤，传感器为垂直观测。在研究坡度时设定坡向为0°，坡度从0°～90°变化，间隔为10模拟植被冠层光谱数据，可得到图2。由图2可看出，坡度修正主要对植被冠层光谱的800～1 800 nm产生较大影响，且随着坡度的增加，某一方向光谱反射率逐步减小。在360～780 nm的可见光波段是其光合作用吸收的主要波段，此时这一波段穿透冠层到达地表的辐射较少，因此其反射作用对地形敏感性较低；而800～1800 nm的入射辐射则是以热辐射为主且水的反射较强，此时叶片对这一波段的光谱反射率较高，类似于自身的保护机制，对坡度较为敏感。

图2 坡度-光谱变化

利用同样的方法，在其他参数不变的情况下令坡度为60°，坡向从0°～80°，-20°～-80°间隔为20可得到坡向-光谱曲线(如图3所示)。由坡向-光谱曲线图可看出，坡向对模拟光谱的影响小于坡度对模拟光谱的影响，影响区域仍主要集中在800～1 400 nm。将这一波段放大如图4所示。由曲线可看出当坡向为正时，模拟光谱反射率随着坡向的增加呈现先增大后减小的趋势；当坡向为负时，模拟光谱反射率随着坡向绝对值的增加而减小的趋势。

图3 坡向-光谱变化

图4 800～1 400 nm光谱曲线放大

3 模型试验

本研究以长常高速长沙至益阳段(9～42 km)共计33 km为研究路段，高速公路两侧为丘陵地形且植被覆盖较多，植被覆盖度较高。实验中采集叶绿素含量(SPAD)、叶面积指数、温度、地形参数、叶片鲜重、干重、叶片面积及冠层光谱等信息，实验参数经过整理后对部分参数进行换算得到模型参数，最终形成如表1所示成果。

在分析过程中以实测光谱为基准，分别利用未进行地形修正和进行过地形修正的SAIL模型模拟光谱与实测数据对比，计算均方根误差，得到如下均方根误差统计表(见表2)。

表中RMSE差为负表示经过地形修正后光谱反射率与实测数据更为接近；否则表示地形修正后出现了过度校正的问题。

在利用模拟光谱与实测光谱进行RMSE分析的同时取出部分模拟光谱进行分析，结果显示：地形修正后的植被冠层光谱更加接近实测结果，其RMSE可提高0.006～0.040左右。

4 结论与展望

经上述研究，本文可得出以下结论：在南方丘陵地区使用地形修正后SAIL模型，可在一定程度提高SAIL模型模拟植被冠层反射率的精度。进一步提高辐射传输理论的适应性，使其更加适应南方地区的地区性特点，推进定量遥感的业务化进程。

表1 实验参数表

表2 实验分析表

然而，模型修正时未考虑热辐射的波谱特性，其结果可能是造成部分地形过度修正的原因之一，在后续的工作中需进一步对热辐射的波谱特性分析。

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[责任编辑：李铭娜]

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

国家自然科学基金资助项目(41671498；41471421)

郭云开(1958-)，男，教授，博士.

著录：郭云开,安冠星,谢琼，等.针对SAIL冠层模型的土壤背景反射率修正[J].测绘工程，2017，26(8)：1-4.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.08.001

TP701

A

1006-7949(2017)08-0001-04