叶片正面（adaxial side）和背面（abaxial side）具有不同的解剖学结构和不同的化学成分。这种不对称性决定了叶片正面和背面的波谱特性（反射率、透射率和发射率）是不尽相同的。实验室测量结果表明，叶片正面和背面的波谱差异在某些波长上非常明显。然而，这种差异对冠层尺度参数（如冠层反射率和亮度温度）的影响很少在遥感领域内引起关注。其中一个重要原因是缺乏能够处理叶片正面和背面不同波谱特性的冠层辐射传输模型。在考虑叶片不同面波谱特性的基础上，构建了一个光学-热红外冠层辐射传输模型4SAID (Scattering by Arbitrary Inclined Dorsiventral leaves)。它是基于4SAIL (Scattering by Arbitrary Inclined Leaves)的一维冠层模型，具有出色的执行效率并且易于使用。

【模型构建】

原始的4SAIL模型假设叶片正反面是一致的，通过求解四个微分方程得到，涉及10个SAIL系数。如图1所示，考虑叶片正反面具有不同的波谱特性，构建了新的方程，涉及的系数也增加到14个。

图 1  模型构建示意图与基本思路

求解微分方程组，并引入Kuusk提出的热点因子，最终构建出4SAID模型。具体建模过程与计算请参见论文。

【数值验证】

为了从数学计算和物理建模的角度来验证模型的准确性，将4SAID模型与光线追踪模型DART进行对比。DART能够考虑叶片正反面不同的波谱特性；通过设置场景中叶片（facet）有不同的反射率以及透过率，利用光线追踪方法模拟得到冠层顶部的辐亮度/反射率/亮温。不失一般性，我们分别在一个反射波段（0.87μm）和一个发射波段（12μm）进行了对比。设置了不同的大气状况、观测角度、叶倾角分布、叶片以及土壤温度等条件进行了模拟，总体对比结果如图2所示

图 2  考虑（4SAID）和忽略（4SAIL）叶片正反面波谱特性差异模型与DART模拟结果的散点密度图：（a）4SAID与DART模拟反射率的对比，（b）4SAID与DART模拟方向亮温的对比，（c）4SAIL与DART模拟反射率的对比，（d）4SAIL与DART模拟方向亮温的对比

从图2可以看出：（1）构建的数学物理模型4SAID与利用光线追踪算法模拟得到的结果有很好的一致性；（2）忽略叶片正反面不同波谱特性的差异对反射波段的影响较大，对发射波段影响较小。在半球空间上的对比结果也说明了这一点，如图3和图4所示：

图 3  半球空间反射率模拟：（a）DART，（b）4SAID，（c）4SAIL。（0.87μm，球面型叶倾角分布，太阳天顶角25度、方位角0度，叶面积指数4.0）

图 4  半球空间方向亮温（℃）模拟：（a）DART，（b）4SAID，（c）4SAIL。（12μm，球面型叶倾角分布，太阳天顶角25度、方位角0度，叶面积指数4.0，叶片温度25℃，土壤温度40℃）

【叶片背腹特性对冠层尺度参数的影响】

将实测叶片波谱输入到4SAID（正反面波谱）与4SAIL（正面波谱），分析忽略叶片背腹波谱特性给冠层反射率和方向亮温带来的误差。类似地，在不同的大气状况、观测角度、叶倾角分布、叶片以及土壤温度等条件下进行了模拟分析。

如图5和图6所示，研究中使用了两个叶片测量数据集：（1）包含49组叶片正反面反射率与透射率的叶片0.4—2.3μm波谱[Hovi et al., 2017]；（2）包含1组叶片不同面反射率的叶片3—14μm波谱[Ribeiro da Luz, 2005]。

图 5  Hovi et al.(2017)测量得到的49组叶片正反面波谱的差异统计图：（a）不同面反射率的差异，（b）不同面透过率的差异

图 6  Ribeiro da Luz(2005)测量得到的叶片正面（绿色实线）与反面（绿色虚线）波谱曲线

将这些叶片波谱曲线输入4SAID和4SAIL模型，模拟得到不同条件下的冠层反射率（基于图5中的叶片波谱）和方向亮温（基于图6中的叶片波谱），并对二者差异进行统计，结果分别如图7和图8所示。

图 7  不同条件下4SAID与4SAIL模拟得到的（a）BRF与（b）HDRF的差异统计

图 8  不同条件下4SAID与4SAIL模拟得到的方向亮温差异统计

【论文链接】

H. Shi and Z. Xiao, “A Canopy Radiative Transfer Model Considering Leaf Dorsoventrality,” IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 60, Art no. 2002711, 2022

https://ieeexplore.ieee.org/document/9585064/