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科学研究

闫凯:植被随机辐射传输模型的新进展:改进、评估与验证【RSE,2021】
2021-11-01 阅读:1732

随机辐射传输(Stochastic Radiative Transfer, SRT)模型引入随机几何的思想,兼具较高的计算效率和精度,可用于模拟离散冠层的辐射传输过程,现已被用作NASA MODIS叶面积指数(Leaf area index, LAI)产品的官方算法。但传统SRT模型无法刻画包含了植被冠层结构重要信息的热点效应(即在与入射方向重合的观测方向附近有一个反射峰值,其强度和性质随着观测和光照位置的变化而变化)。针对此缺陷,有学者采用了Kuusk方法,通过将消光系数与半经验参数结合以刻画热点,对SRT模型进行了初步修正(以下简称SRT_HS1)。然而,SRT_HS1模型在热点建模方面不仅忽略了多次散射的光子不会引起热点效应,也忽略了没有发生碰撞直接到达土壤的光子所引起的热点效应。此外,虽然SRT模型已得到了重要应用,但目前对它的评估和验证仍是初步的,这限制了该模型的进一步发展和应用。因此,先前版本的SRT_HS1模型能在热点方向造成多大误差?如何进行修正,以实现SRT模型和热点建模的耦合,进而更好地捕捉热点效应?对SRT模型进行系统性评估和详细的验证结果如何?这是本研究旨在解决的关键科学问题。

针对上述科学问题,金沙最新登录入口-【金沙游艺场】土地科学技术学院闫凯带领定量遥感与植被气候响应团队与植被SRT模型开创者和MODIS LAI产品首席科学家Yuri KnyazikhinRanga Myneni等人开展多国合作,对SRT过程进行分解,构建了新版本的SRT模型,更好地刻画了热点效应,并利用计算机真实场景模拟和地面验证对该模型进行了较为全面的评估。具体评估内容包括:比较了SRT过程的多个中间变量,分析了对关键输入参数的敏感性以及辐射能量的空间分布和守恒情况,定量评价了改进后模型的精度。研究取得的成果如下:

1、    由于SRT_HS1版本忽略了②-2,-2和⑦(图2)三部分能量不会引起热点效应以及没有发生碰撞直接到达土壤的光子会引起热点效应这一问题,所以本研究根据入射能量的方向以及形式的不同,通过将整个SRT过程分为四个子问题对模型进行了修改。研究结果表明,SRT_HS1版本在热点方向反射率会被高估16%左右。

2、    在与蒙特卡洛方法模拟的由相同形状树冠构成的场景的条件对相关函数相比,研究发现SRT模型中的重要参量对相关函数与MC模拟结果具有较高的一致性。此外,不同的树冠形状的条件对相关函数不同(图3)。该结果表明了SRT模型具有刻画冠层结构的能力。

3、    在不同的波督鹕匙钚碌锹既肟谠及光照条件下,SRT模型模拟的反射率与计算机场景模拟的结果更加接近(图4,表明SRT理论可以较好地描述离散冠层的相关特性,且兼具高效与准确的特点。

4、    SRT模型可以提供辐射场的能量随着冠层深度变化的信息(图5)。这说明SRT可以较好的描述光子在冠层内部与植被的相互作用情况。

虽然SRT理论已经广泛适应于植被冠层的研究,但先前版本的SRT模型在热点建模方面仍存在理论缺陷,而且目前对SRT模型的评价和验证较为初步。因此,本研究针对热点问题对SRT-HS1进行了详细的修改,提出了新的热点效应耦合方案,并对其进行了较为全面的评价和验证。本研究为SRT模型的应用和进一步改进提供了详细的理论依据,对其他遥感模型的定量评价具有很好的参考价值。


图1. 典型的不连续植被冠层和随机辐射传输方程(SRTE)的坐标系统示例

图2.随机辐射传输过程被分解为四个子问题的示意图



图3. 蒙特卡洛MC模拟和公式计算得到的条件对相关函数的对比

 

 

 

图4. 不同波段LESS、SRT和1D RT模型的BRF对比

 


图5. 冠层结构对冠层辐射场能量分布的影响


上述研究成果发表在遥感领域国际权威期刊《Remote Sensing of Environment》上:Yan, K.*, Zhang, Y.*, Tong, Y., Zeng, Y., Pu, J., Gao, S., Li, L., Mu, X., Yan, G., Rautiainen, M., Knyazikhin, Y., Ranga, M., 2021. Modeling the Radiation Regime of a Discontinuous Canopy Based on the Stochastic Radiative Transport Theory: Modification, Evaluation and Validation. Remote Sens. Environ. 267, 1–33. [IF2020= 10.164]

全文链接: https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112728


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