黃華國(guó)， 王詩(shī)瑞

(北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

雙向反射率分布函數(shù)(bidirectional reflectance distribution function，BRDF)是物體表面反射率隨入射角、反射角和波長(zhǎng)變化的函數(shù)，描述了物體表面的空間反射分布特性和光譜特性，根據(jù)不同地物的雙向反射特性差異可以識(shí)別植被類(lèi)型或植被結(jié)構(gòu)特性[1-2]。植被BRDF模型具體實(shí)現(xiàn)了植被反射率與入射角和觀測(cè)角度的關(guān)系[3-5]，能夠幫助完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)的角度歸一化，也可以實(shí)現(xiàn)利用多角度觀測(cè)反演地表結(jié)構(gòu)參數(shù)[6-7]。在自然條件下，測(cè)量BRDF比較困難，所以人們常用雙向反射率因子(bidirectional reflectance factor，BRF)來(lái)代替BRDF表述目標(biāo)物的二向性反射特征[8-10]。由于野外環(huán)境的不確定性以及所使用測(cè)量工具的局限性，測(cè)量獲得的BRF數(shù)據(jù)也存在精確度和完整性不足的缺陷[11-12]。近年來(lái)衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)技術(shù)發(fā)展較快，且應(yīng)用較廣泛，但由于目前衛(wèi)星數(shù)目仍偏少，測(cè)量的空間尺度偏大，所觀測(cè)結(jié)果也存在種種缺陷； 而利用航空測(cè)量時(shí)觀測(cè)角度太少[13-15]，限制因素較多，且費(fèi)用昂貴。另外，對(duì)于室內(nèi)測(cè)量的研究也相對(duì)較少，且方向單一[16]。

本文探索利用森林微縮模型開(kāi)展森林BRF研究，試圖降低真實(shí)森林BRF的測(cè)量難度，提高測(cè)量精度，增加測(cè)量數(shù)據(jù)，為森林遙感建模、衛(wèi)星反演和定量遙感教學(xué)提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料選取與模型制作

實(shí)驗(yàn)材料有： 剪刀、聚氯乙烯(poly vinyl chloride，PVC)板、若干普通闊葉樹(shù)葉片、小樹(shù)枝、樹(shù)粉、沙盤(pán)林木模型等。

1.1.1 抽象林木模型

利用較大葉片修剪出半徑為1.2 cm，1.4 cm，1.6 cm和2.0 cm的圓葉，將其依次以1.2 cm，1.4 cm，1.6 cm，2.0 cm，2.0 cm，1.6 cm，1.4 cm和1.2 cm為半徑穿過(guò)細(xì)小樹(shù)枝形成水平層狀疊置的橢圓樹(shù)形模型，樹(shù)高8.0 cm，冠幅2.0 cm，葉面積指數(shù)(leaf area index,LAI)為2.5。

1.1.2 近真實(shí)林木模型

選擇沙盤(pán)林木模型作為逼近真實(shí)的林木模型，模擬自然界中橢圓樹(shù)形林木的真實(shí)形態(tài)。沙盤(pán)林木模型采用樹(shù)粉材料制作而成，其反射光譜在綠光波段有明顯的波峰，且近紅外波段光譜明顯高于可見(jiàn)光部分，具有植被波譜的基本特點(diǎn)[17]。研究選用的林木模型為闊葉樹(shù)，樹(shù)高8.0 cm，冠幅4.0 cm。由于樹(shù)木太小(高僅8.0 cm)，樹(shù)粉葉面積難以直接測(cè)量。從不同方向?qū)α帜具M(jìn)行拍照，獲得孔隙率，然后通過(guò)比爾消光定律進(jìn)行估算，即

,

(1)

式中：P為某觀測(cè)方向的模型孔隙率；k為消光系數(shù)，假設(shè)葉片均勻分布，可取常數(shù)值0.5；θ為觀測(cè)天頂角； 對(duì)0°，45°和60°等多個(gè)觀測(cè)角度得到的LAI取平均，最終求得模型的LAI為2.4。微縮模型及微型觀測(cè)架等見(jiàn)圖1。

(a) 抽象林木模型(b) 近真實(shí)林木模型(c) 多角度觀測(cè)架

從不同角度得到的微縮模型反射率見(jiàn)圖2。

(a) 抽象微縮模型葉片反射率和透過(guò)率(b) 近真實(shí)林木模型反射率

為分析林木空間位置分布和地形對(duì)森林BRF的影響，設(shè)計(jì)了8個(gè)場(chǎng)景(圖3)。

(a) 稀疏分布的抽象模型(b) 密集分布的抽象模型(c) 高斯地形上稀疏分布(d) 高斯地形上密集分布的抽象模型的抽象模型

(e) 稀疏分布的近真實(shí)模型(f) 密集分布的近真實(shí)模型(g) 高斯地形上稀疏分布(h) 高斯地形上密集分布的近真實(shí)模型的近真實(shí)模型

8個(gè)場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 微縮森林結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 儀器與測(cè)量方法

使用荷蘭Avantis公司生產(chǎn)的AvaSpec-VIS-USB2光纖光譜測(cè)定儀測(cè)量光譜，該光譜儀波段為0.38～0.85 μm，光譜分辨率為0.289 μm。使用美國(guó)ASD公司生產(chǎn)的Pro Lamp燈近似代替室內(nèi)太陽(yáng)光源，其波譜范圍較寬(350～2 500 nm)，強(qiáng)度適中(14.5 V，50 W)。通過(guò)三腳架設(shè)定照射角度(天頂角分別為20°和40°)模擬太陽(yáng)光入射角度的調(diào)節(jié)。為避免其他光線輻射影響，實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行。如圖1(c)所示，設(shè)計(jì)了一個(gè)有導(dǎo)軌的多角度觀測(cè)架。該觀測(cè)架與中科院和北京師范大學(xué)聯(lián)合研制的觀測(cè)架以及其他室外觀測(cè)架[18]結(jié)構(gòu)類(lèi)似，更小巧簡(jiǎn)單，包含基座(50 cm×50 cm)、圓形導(dǎo)軌(半徑20 cm)、觀測(cè)臂(可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度40～55 cm)。光纖置于觀測(cè)臂頂部，垂直向下固定。

將制作好的不同的林木模型按照一定的空間分布插在直徑為36 cm的圓形黑色PVC紙板上，并在其上覆蓋泥土(模擬土壤效果)，放入多角度觀測(cè)架的基座即可進(jìn)行觀測(cè)。光纖探頭位于底座中心的正上方，距離底座50 cm。光纖探測(cè)器視場(chǎng)角為25°，所探測(cè)面積為386 cm2，占實(shí)際模型面積的37.9%(實(shí)際模型面積約為1 018 cm2)，這樣可以盡可能地排除探測(cè)視場(chǎng)周?chē)牟糠植淮_定因素，保證觀測(cè)的準(zhǔn)確性。光纖探測(cè)器均從后向(光源同側(cè)的方向)開(kāi)始，逐步觀測(cè)到前向(面向光源)。后向取觀測(cè)角度為負(fù)，觀測(cè)天頂角變化范圍為-70°～70°，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)觀測(cè)臂，觀測(cè)步長(zhǎng)10°，共測(cè)量15個(gè)觀測(cè)角度。從光源主平面開(kāi)始，依次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°方位角，實(shí)現(xiàn)4個(gè)平面觀測(cè)，分別為： 主平面、加密平面1、垂直主平面和加密平面2。每個(gè)平面觀測(cè)前，都需要測(cè)量一下白板的反射輻射。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析方法

1.3.1 雙向反射率因子(BRF)計(jì)算

扣除暗電流后，將白板的反射輻射記為R0，某個(gè)角度的方向反射輻射記為R1，白板反射率為99%，則BRF為

BRF=0.99R1/R0。

(2)

1.3.2 分析波段選擇

以紅光和近紅外為主要波段進(jìn)行分析。由于ASD Pro Lamp在近紅外波段的發(fā)射能量偏低，噪聲較強(qiáng)，偶有光源照射不穩(wěn)定的現(xiàn)象存在，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)在近紅外波段范圍存在抖動(dòng)。故在數(shù)據(jù)分析時(shí)，將近紅外波段800～850 nm數(shù)據(jù)進(jìn)行了均值平滑處理，增強(qiáng)了測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性與可研究性。

1.3.3 BRF分析對(duì)比

設(shè)計(jì)獲取8組不同林分結(jié)構(gòu)、4個(gè)不同平面、15個(gè)不同天頂角和3個(gè)不同波段、2個(gè)太陽(yáng)入射角下的BRF。將每個(gè)平面的紅光、近紅外波段的觀測(cè)結(jié)果繪制成折線圖，分析天頂角的變化。使用Matlab軟件將所得到4組反射率光譜生成極坐標(biāo)圖，顯示BRF在整個(gè)上半球空間的變化規(guī)律。分析以下情況的BRF差異： ①土壤和地形對(duì)BRF的影響； ②林分稀疏程度對(duì)BRF的影響； ③紅光和近紅外波段的BRF差異； ④不同太陽(yáng)天頂角下的BRF差異。

2 測(cè)量結(jié)果與分析

2.1 背景土壤BRF

圖4顯示了土壤BRF測(cè)量結(jié)果。

(a) 平地(b) 高斯地形(坡度45°)

由圖4可以看出，土壤反射率存在明顯的“熱點(diǎn)效應(yīng)”[19]，光源入射方向的BRF較高，后向BRF一般大于前向反射率，光源天頂角和坡地也對(duì)BRF有影響。以上測(cè)量結(jié)果表明，建模時(shí)應(yīng)該考慮土壤的BRF，尤其是在稀疏冠層下土壤貢獻(xiàn)較大的時(shí)候。

2.2 稀疏與密集冠層BRF的對(duì)比

圖5為不同太陽(yáng)天頂角和稀疏條件下測(cè)量得到的BRF。

(a) 20°入射角抽象模型(b) 40°入射角抽象模型

(c) 20°入射角近真實(shí)模型(d) 40°入射角近真實(shí)模型

由圖5(a)(b)可知，整體上，在紅波段，稀疏冠層的BRF高于密集冠層，而在近紅外波段正好相反。冠層的熱點(diǎn)位置分別位于20°和40°左右，和真實(shí)的直射入射光的角度一致[19]。這個(gè)結(jié)果符合通常的植被BRF分布規(guī)律。40°入射角時(shí)，密集冠層在近紅外波段的“碗邊效應(yīng)”[20-22]較為明顯。圖5(c)(d)顯示了近真實(shí)林冠模型的BRF測(cè)量結(jié)果，角度效應(yīng)(包括“熱點(diǎn)效應(yīng)”)也較為明顯。和抽象樹(shù)冠的結(jié)果有明顯差異的是觀測(cè)到的近紅外BRF顯著偏低，“碗邊效應(yīng)”不顯著。這是由于橢球樹(shù)冠采用塑料樹(shù)粉制作而成，其近紅外反射率和透過(guò)率不高，多次散射貢獻(xiàn)并不大，而相互遮蔭帶來(lái)的反射率降低則起到了主導(dǎo)作用。稀疏冠層中，土壤背景反射率較高，對(duì)總體的貢獻(xiàn)也大，因此無(wú)論在紅光還是近紅外波段都較高。雖然測(cè)量結(jié)果在近紅外波段和正常森林不一致，但是對(duì)于葉片受到嚴(yán)重傷害，而導(dǎo)致樹(shù)冠反射率下降的森林而言，其結(jié)果是有參考價(jià)值的。

2.3 太陽(yáng)位置的影響

圖6顯示了密集分布的綠光波段的BRF極坐標(biāo)圖，展示了不同太陽(yáng)入射角導(dǎo)致的冠層整體BRF分布差異。

(a) 平地20°入射角(b) 平地40°入射角(c) 坡地40°入射角

從圖6可以看出，光源入射角不同所產(chǎn)生的熱點(diǎn)位置(紅色區(qū)域)不同，太陽(yáng)天頂角40°時(shí)，BRF隨著方位變化更加明顯； 不同地形對(duì)BRF有影響，45°坡地顯著增強(qiáng)了BRF的角度差異，坡后向BRF整體大于平地，而前向BRF則小于平地。

2.4 平地和坡地BRF的對(duì)比

圖7顯示了地形在主平面上影響抽象冠層BRF的情況。

(a) 稀疏分布20°入射角(b) 稀疏分布40°入射角

(c) 密集分布20°入射角(d) 密集分布40°入射角

由圖7可知，冠層的熱點(diǎn)位置有10°的偏移，原因可能是測(cè)量天頂角控制偏差?？傮w而言，坡度的存在增強(qiáng)了后向BRF，而降低了前向BRF。

3 模型驗(yàn)證

3.1 與真實(shí)結(jié)構(gòu)模型的比較

計(jì)算機(jī)真實(shí)結(jié)構(gòu)模型(radiosity-graphics combined model,RGM)以植被三維(3D)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用輻射度方法準(zhǔn)確求解植被冠層內(nèi)部多次散射，獲得場(chǎng)景BRF，已經(jīng)在植被定量遙感研究中得到了較為廣泛的研究和應(yīng)用，模擬精度較為可信[23]。通過(guò)比較RGM模擬結(jié)果和測(cè)量結(jié)果，可檢驗(yàn)微縮測(cè)量結(jié)果是否可以用于驗(yàn)證BRF模型。圖8給出了稀疏抽象冠層和濃密近真實(shí)場(chǎng)景在平地條件下測(cè)量曲線和模擬結(jié)果的散點(diǎn)圖。

(a) 抽象模型(b) 近真實(shí)模型

由圖8可以看出，測(cè)量和模擬的結(jié)果基本一致，吻合較好(R2>0.6,RSME<3.5)，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果

可以用于后續(xù)驗(yàn)證，具有參考價(jià)值。

誤差產(chǎn)生的原因主要是光源。首先，光源并非完全平行，隨著照射距離的增大，光線會(huì)發(fā)生小幅度發(fā)散，與模型的平行入射光假設(shè)略有不同； 其次，光源發(fā)射能量隨著距離增大而衰減，靠近光源的目標(biāo)接受到的能量偏大，而遠(yuǎn)離光源的目標(biāo)則會(huì)偏小。而RGM僅能模擬穩(wěn)定均勻的平行光條件下的BRF，2者之間會(huì)存在偏差。此外，光源溫度較高，測(cè)量中會(huì)不斷對(duì)葉片和土壤產(chǎn)生加熱作用，造成濕度降低，進(jìn)而引起組分反射率變化。另一個(gè)原因來(lái)自于微縮林木模型。抽象模型由平行葉片組成，但是葉片本身存在一定的方向性，RGM中并未考慮。近真實(shí)模型的近紅外反射率達(dá)不到真實(shí)葉片的要求，且組分反射率僅僅靠估算獲得，也影響了模擬精度。

3.2 與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較

由于野外實(shí)測(cè)的森林BRF數(shù)據(jù)非常缺乏，因此通過(guò)產(chǎn)生與野外森林完全符合的場(chǎng)景進(jìn)行室內(nèi)BRF觀測(cè)的驗(yàn)證是非常困難的。本文選用加拿大北方森林的3組觀測(cè)數(shù)據(jù)(白楊、云杉和短葉松)[21]和室內(nèi)測(cè)量進(jìn)行直觀比較，結(jié)果見(jiàn)圖9。

由于野外測(cè)量和室內(nèi)測(cè)量的結(jié)構(gòu)參數(shù)和組分反射率并不完全相同，所以部分?jǐn)?shù)值存在較大偏差，但是“熱點(diǎn)”位置和曲線形狀是基本一致的。密集近真實(shí)冠層在紅光波段的組分反射率和野外冠層較為接近，BRF吻合較好； 但是近紅外波段葉片反射率太低，導(dǎo)致整體BRF顯著偏低。密集抽象冠層2(160株)在2個(gè)波段基本類(lèi)似，但是由于葉片為水平型葉片，株數(shù)密度略低，還是存在一定的差異。

4 結(jié)論與討論

目前，除了在熱紅外遙感領(lǐng)域采用不透明模型進(jìn)行過(guò)溫度觀測(cè)[24]外，類(lèi)似的研究還很少。本文使用了微縮模型模擬森林的林分，并用于研究觀測(cè)植被的雙向反射特性。得到如下結(jié)論：

1)本實(shí)驗(yàn)表明，大部分?jǐn)?shù)據(jù)接近理論預(yù)測(cè)，基本符合真實(shí)森林測(cè)量數(shù)據(jù)的“熱點(diǎn)”和形狀特征。

2)通過(guò)對(duì)測(cè)量進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),抽象樹(shù)木模型為稀疏分布時(shí)，在可見(jiàn)光波段反射率值大于密集分布，但在近紅外則相反。模型以45°坡度分布時(shí)，熱點(diǎn)效應(yīng)更加明顯。

3)可找到一些敏感參數(shù)對(duì)植被雙向反射特性的影響，如地形因素，即坡度的影響以及林分密度，即不同郁閉度的影響。這些有效參數(shù)對(duì)于衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)中的地物判別有較好的作用。

4)采用微縮模型方法進(jìn)行森林BRF測(cè)量分析的思路是可行的，值得進(jìn)一步挖掘和應(yīng)用。其中，一個(gè)簡(jiǎn)單、形象的應(yīng)用就是用其進(jìn)行課堂教學(xué)演示。

然而，微縮模型方法研究也存在一些問(wèn)題，需要今后注意： ①要配備好的光源。光源輸出光線一定要是平行光，能量要強(qiáng)而穩(wěn)定，以增強(qiáng)信噪比； 同時(shí)不能靠近目標(biāo)太近，避免高溫加熱引起水分散失。②微縮模型材料最好選擇活體植物。離體葉片會(huì)很快干枯，反射率變化較大； 活體植物的反射率更接近實(shí)際，能保證測(cè)量精度，但通常體積較大，需要增大觀測(cè)架半徑至1～2 m，測(cè)量不便。③光譜儀探頭的視場(chǎng)角要盡可能小，以捕捉熱點(diǎn)效應(yīng)。

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