所在位置: 文章标题：A new canopy emissivity model for sparsely vegetated surfaces incorporating soil directional emissivity and topography
发表期刊：IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing
在线时间：2024年5月
作者：程 洁，教 授/博导，长期从事定量遥感与地球辐射平衡研究
董胜越，博士研究生，研究方向为热红外辐射传输建模、地表温度/地表发射率反演
作者单位：北京师范大学 地理科学学部 遥感科学国家重点实验室
发射率作为地物的固有属性，在地表温度反演、地质研究以及基岩测绘等方面应用广泛。研究表明发射率与观测角度相关。植被作为自然界中最广泛存在的地表覆盖类型之一，在全球能量交换与物质循环中起着重要的作用，众多学者提出了多种植被冠层方向发射率模型。这些模型忽视了下垫面土壤发射率的方向性，其次没有考虑地形的影响。
本研究基于四流近似模型框架，提出了一种新的植被冠层方向发射率模型。新模型通过引入土壤方向发射率经验模型和天空可视因子(Sky View Factor, SVF)来分别描述下垫面土壤发射率的方向性和地形对于冠层发射率的影响。
为了验证模型的准确性，我们将新模型与DART模型的模拟结果进行了对比。我们设置了不同植被覆盖度、不同坡度以及不同观测角度的场景进行了模拟。总体对比结果如图1所示，可以看出新模型与DART模型的模拟结果保持了较好的一致性，其bias，RMSE和R2分别为-0.001， 0.003和0.97，明显优于4SAIL模型。
图1 模拟冠层发射率差值的直方图。(a)新模型 vs DART模拟；(b) 4SAIL 模型 vs DART模拟
此外敏感性分析表明，LAI对冠层发射率的影响最大，达52.9%，其次是土壤发射率(30.3%),叶片发射率、坡度和观测角度的影响较小，方差分别为7.8%、6.7%和2.3%。
图2 模型输入变量的敏感性指数
我们还分别探究了考虑土壤发射率方向性和地形的必要性，图3展示了考虑土壤发射率方向性的冠层方向发射率与不考虑土壤发射率方向性的冠层方向发射率之间的差值。结果表明：不同情况下，下垫面土壤发射率方向性的影响不同。差值最大出现在两种情况下：（1）小观测角度和大坡度；（2）大观测角度和小坡度。在LAI为0.1的情况下，当坡度为0，观测角度为80°时，差值最大可达0.02，差值随LAI的增大而减小，并且在LAI大于1.0时几乎消失。
图3 不同的观测角度，坡度和LAI下，考虑和不考虑下垫面土壤发射率方向性模拟的冠层方向发射率差值
图4展示了考虑和不考虑地形模拟的冠层方向发射率的差值图。结果表明：随观测角度和坡度的增大，地形造成的差值之间变大，同时，发射率差值随LAI变化而变化，具体表现为随LAI的增大，差值呈现出先变大后变小的趋势。此外，与下垫面土壤发射率不同的是，当LAI为2.0时，地形仍然对冠层发射率有影响。忽视地形的影响最大可造成0.02的冠层发射率的影响，因此不管是稀疏植被还是浓密植被，在冠层方向发射率建模时都有必要考虑地形的影响。
图4 不同的观测角度、坡度和LAI下，考虑和不考虑地形模拟的冠层方向发射率的差值
(1) 新模型与DART模型的模拟结果保持了较好的一致性。
(2) 新模型对LAI、土壤发射率较为敏感，对叶片发射率、坡度和观测角度的敏感性稍弱。
(3) 忽略土壤下垫面发射率方向性或地形将对冠层方向发射率产生影响，最大可达0.02。
