Prospect-sail模型

PROSPECT+SAIL模型PROSPECT模型是在Allen的平板模型基础上发展起来的。它通过模拟叶片从400nm到2500nm的上行和下行辐射通量而得到叶片的光学特性。PROSPECT模型把叶片看做为一个表面粗糙的均匀平板，把非致密型叶片当做由N层平板和N-1层空气组成。现在N已经被扩展到实数范围内，N实际描述的是叶片内部的结构。光线入射到叶片上时看似垂直，实际上从微观的角度看，入射光线是以一定的角度入射到叶片上的。PROSPECT模型考虑到了这个现象，引入了立体角Ω，Ω由相对于叶平面法线的最大入射角α来确定，假定光线都是从这个立体角里穿过叶片的。PROSPECT模型简化公式如下：其中，α是最大入射角，是所有入射和折射方向的平均辐射在平板表面的透射率，n是叶肉界面折射指数，N是叶片叶肉结构参数。),(1)1),90((),(90,,90,,ntntxyntxxTTyxRRavavavNaNNN),(ntavSAIL模型SAIL(ScatteringbyArbitrarilyInclinedLeaves)模型是一个冠层二向反射率模型，它假设植物冠层是由方位随机分布的水平、均一及无限扩展的各向同性叶片组成的混合体，并且叶子的反射、散射均具有漫反射性质。SAIL模型则是在Suits模型的基础上，以接近现实的任意取向的叶子去代替Suits模型的水平投影与垂直投影，所以比Suits模型更接近观测数据。当给定冠层结构参数和环境参数时，就可以计算任何太阳角度和观测方向的冠层反射率和透射率。OSOSSSSkEuEvEEdxdEaEEESdxdEEaESEdxdEkEdxdE'其中，K为直射辐射的消弱系数，ES为由上而下传输的直射辐射通量密度，α为消光系数，σ为背向散射系数，S为同向直射辐射的散射系数，S’为背向直射辐射的散射系数，E0为观测方向上的通量密度，μ、ν、ω为由E+、E-、ES向观测方向上传输的辐射亮度的转化系数。PROSPECT+SAIL模型模拟过程：（1）通过PROSPECT模型获取的植被叶片反射率rλ和透射率τλ；（2）将叶片反射率和透射率输入SAIL模型，再结合其它相关参数，模拟得到植被冠层反射率。模型需要4个参数：最大入射角α叶肉界面折射指数n透射系数τ叶片叶肉结构参数N入射角取决于反射表面的几何性质，而且通常也随着植株的不同而不同，一般取它的最优值α=59°。折射指数n由Jacquemoud等模拟得到，叶肉界面物质的折射指数接近于1.4，从400nm到2400nm呈规则递减。τ是K(组分吸收系数的线性组合)的函数，我们假设叶的吸收是由水、叶绿素、干物质和褐色素引起的，因此，τ就可以由叶片的生化参数决定。叶片的生化组分含量来自于实测数据或数据库（如LOPEX93）。PROSPECT模型模拟叶片反射率和透射率LOPEX93(LeafOpticalPropertiesExperiment)植物生化参数数据库是由欧盟委员会联合研究中心(JointResearchCentreoftheEuropeanCommission)的空间应用研究所(SpaceApplicationsInstitute)实测获取的，包括70个叶片样本，代表了50种木本和草本植物。数据体现了叶片内部结构、色素含量、水分含量和其它组分含量的多样性。叶片叶肉结构参数N是模型的一个假设参数，它的值一般取自研究者(S.Jacquemoud)根据实测数据拟合的均值(1.3)，或者参考LOPEX93数据库。给定不同的结构参数和生化含量，就可以模拟叶片的反射率和透过率。要模拟的波段范围和波段间隔叶片叶肉结构参数N叶片生化组分含量入射光线相对于叶平面法线的最大入射角α叶肉界面折射指数n各生化组分的吸收系数组分吸收系数的线性组合模拟结果SAIL模型模拟冠层反射率和透射率模型需要以下参数：叶片反射率rλ和透射率τλ背景反射率叶面积指数LAI叶倾角分布LAD太阳天顶角观测天顶角和方位角InputParametersFrameSampleLeafAngleDistributions(LAD)FrameCanopyCompositionFrameLeafAreaIndexFrameInputDataandOptionsFrameInputParametersFrame•FractionDirectSolar：太阳入射辐射中太阳直射光所占的份额。取1表示全部是直射光，取0表示全部是天空散射光。•SolarDeclination：太阳赤纬。范围为-23.5（冬季）——23.5（夏季）。用于计算太阳天顶角。•Latitude(decimaldegrees)：十进制表示。用于计算太阳天顶角。•ViewAzimuthAngle：观测方位角。当太阳方向和观测方向相同时，为0°，相反时，为180°。•ViewZenithAngle：观测天顶角。•TimeofDay(decimalhour)：观测时间。用于计算太阳天顶角。•CalculateƒAPAR：选择是否计算APAR。太阳天顶角由SolarDeclination、Latitude和TimeofDay计算得到。InputDataandOptionsFrame：•Numberofcanopylayer(s)：冠层水平分层层数。范围为1-9层。分的层数越多，结果越精确。•Numberofcomponent(s)：冠层元素数。范围为1-9。不同的组分有不同的光学特性和叶倾角分布。•LeafReflectance/transmittance：每种冠层元素均须知道它的反射率和透射率。软件自带的有玉米、大豆、雪松和铁杉，也可以使用自己实测的数据或模拟的结果。数据格式如下：WAVEREFLTRAN5006.811.43or510.000,7.320,3.080or5208.416.39注意：软件最多可模拟501个波段。•BackgroundReflectance：软件自带的有两个：SAILSOIL.DAT和BACKGDRF.DAT•BackgroundSpectrum：选择背景类型，例如软件自带的土壤反射率文件有5种类型。WAVESOIL1SOIL2SOIL3SOIL4SOIL5注意：冠层元素和背景的波长范围、波长间隔必须相同。LeafAreaIndexFrame设定不同的LAI值来模拟冠层反射率和透射率。SampleLeafAngleDistributions(LAD)Frame软件提供了7种LAD类型，分别是自定义型、均一型、球面型、平面型、竖直型、倾斜型和可供用户自己修改的类型。CanopyCompositionFrame不同冠层元素和层可以设置不同的叶倾角分布，不同层里面元素的比例也可以修改。点击相应元素相应层，右侧显示它的叶倾角分布，也可以直接修改。注意：键入数据不要用小键盘。左图是运行后，显示计算出的太阳天顶角、当前波长、背景反射率和植物叶片的反射率透射率，右侧显示不同LAI对应的冠层反射率透射率，结果可以保存成两个文件，分别为反射率文件（*.RFL）和透射率文件(*.TRS)。点击Viewdata按钮可以查看这些文件，如右图。还可以图片的形式显示不同LAI下的反射率曲线。可以显示反射率的一阶和二阶微分曲线，以及对曲线进行平滑。