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PROSPECT SAIL模型：植被光学特性应用研究综述

Steacute;phane Jacquemoud a,⁎, Wout Verhoef b, Freacute;deacute;ric Baret c, Ceacute;dric Bacour d, Pablo J. Zarco-Tejada e, Gregory P. Asner f, Christophe Franccedil;ois g, Susan L. Ustin h

摘要：PROSPECT叶片光学性质模型和SAIL冠层双向反射模型（也称为PROSAIL）已经被使用了大约十六年，用于研究太阳能领域的植物冠层谱和方向反射。PROSAIL也被用于开发用于检索植被生物物理性质的新方法。它将主要与叶片化学成分相关的冠层反射率的光谱变化和主要与冠层结构和土壤/植被对比有关的方向变化联系起来。该联系是同时估计不同尺度农业，植物生理学或生态学应用的冠层生物物理/结构变量的关键。PROSAIL已经成为最受欢迎的辐射传输工具之一，因为它易于使用，通用的稳定性，以及多年来实验室/现场/空间实验的一致验证。然而，PROSPECT和SAIL仍在发展：他们在叶和植物水平方面最近都有了改善。 本文对冠层生物物理学和辐射传输建模背景下的PROSAIL开发进行了广泛的回顾。

copy; 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

介绍

从光学遥感开始，辐射传输模型有助于了解植物冠层的光拦截以及生物物理特性对植被反射的解释。由于它们试图描述这种模型涉及的两个主要物理过程吸收和散射，冠层辐射传输模型在设计植被指数，进行灵敏度分析和开发从遥感数据准确地模拟植被属性的反演程序方面有用。在过去二十年发表的所有代码中，SAIL冠层双向反射模型和PROSPECT叶光学性质模型是最受欢迎的。基于ISI（科学信息研究所)科学网络的分析显示，自1992年以来已经发布的共有113和105篇文章分别使用PROSPECT和SAIL，显示了模型的并行演进(Fig. 1)。他们评价了1675和1783次引用，其中h指数（每篇论文的h数量至少有h个引文）在23到24之间。PROSPECT结合SAIL在29篇文章中使用513篇引文，每篇文章引用18篇引文，略高于PROSPECT（15）和SAIL（16）。这证明了这两个模型在科学社区及其密切关系中的重要性。

图 1在1992–2007年间从ISI科学网络检索PROSPECT和SAIL的数量

大约十六年前将这些模型连接到PROSAIL中（比如Liang，2003），能够用叶生物化学（主要是叶绿素，水和干物质含量）和冠层结构（主要是叶面积指数，叶角分布和相对叶尺寸）来表示冠层反射的光谱和方向变化。PROSAIL成立的原则已经进行了广泛的测试，这部分解释了其成功。

在这次审查中，我们将重点介绍PROSPECT和SAIL及其应用的基础，特别强调耦合的PROSAIL模型。第一部分是模型原理和时间演化的概述。然后，我们将看到如何使用这些模型生成数据库并测试新的光谱指标，或执行敏感性分析，以突出显示导致光谱和方向反射变化的主要的冠层生物物理变量。在第三部分，我们报告评估PROSAIL的研究活动。最后列出了模型的应用，特别关注用于从遥感观测（迭代方法，查找表，人造神经网络等）中计算冠层生物物理变量的技术。我们就PROSAIL的未来得出结论，包括辐射传输模型的必要演变及其应用方面。

模型概述

现在在遥感领域广泛使用，SAIL（Scattering by Arbitrary Inclined Leaves 任意倾斜叶子散射）是最早的冠层反射模型之一（Verhoef，1984,1985）。它是由Suits（1972）开发的1-D模型的扩展，通过解决四个向上/向下辐射流的散射和吸收来模拟浑浊介质植物冠层的双向反射因子（参见Schaepman-Strub等人，2006，关于反射辐射定义的细节）。SAIL实际上在输出端提供了所有的四流的光学特性（总共九个）(Verhoef, 1985)。已经提出了几种衍生版本：为了描述纵向非均质冠层，多层（叶光学性质的垂直梯度）和多元素一维模型已经被提出比如Geo SAIL（Verhoef＆Bach，2003b）或2M-SAIL（Weiss等人，2001）；在Kuusk（1991）的形式之后，SAILH中加入了热点效应，作为叶尺寸与冠层高度的比值的函数；Verhoef等人最近公布了称为4SAIL的数字稳健和速度优化的版本；为了模拟水平不连续的冠层，SAIL模型还结合了几何模型，如Geo Sail，其中突起是圆柱体或锥体，允许在冠层尺度上包含一些聚集（Huemmrich，2001）；最近，Verhoef和Bach（2007）提出将Geo SAIL（不要与Geo Sail混淆）扩展为包括冠状结块（称为4SAIL2），另外与PROSPECT结合，以及基于Hapke的工作的土壤BRDF模型（Hapke， 1981; Hapke＆Wells，1981）。除了逐渐的改进和复杂性的平行增加外，SAIL的形式也适用于辐射传输过程中的排放：在FLSAIL（Rosema等人。，1991）和Fluor SAIL（Miller 等人。，2005）中加入了太阳能诱导的叶绿素荧光发射，并在4SAIL（Verhoef等人，2007）中的热发射以与用于反射的一致的方式模拟冠层亮度温度。

在叶片尺度，PROSPECT率先在400 nm到2500 nm的太阳光谱范围内模拟了各种绿色单子叶植物和双子叶植物以及衰老叶片的定向半球形反射和透射率（SchaepmanStrub等人，2006）（Jacquemoud ＆Baret，1990）。它是基于Allen等人 （1969）将叶片表示为一个或多个会引起各向同性散射的具有粗糙表面的吸收板。该模型使用两类输入变量：叶结构参数N是指定叶片内空气/细胞壁界面平均数量的紧密层数，以及自模型原始配方以来发生的叶生物化学含量（Fourty等人。，1996; Jacquemoud等人，1996,2000）。虽然类胡萝卜素（包括叶黄素颜料）和花青素在绿化或衰老叶中可能是重要的，在可见光（VIS）光谱中占优势的光合色素的光吸收长期被认为完全是由叶绿素引起的。Feret等人（2008年）最近成功地将总叶绿素与总类胡萝卜素分离，这可能会显著提高遥感数据估算光合速率的能力，并更准确地监测植被生存压力。为了画出一个完整的情况，Bousquet等人(2005) 包括对叶片的方向性反射特性的物理描述，增加了叶面上的镜面反射对原始朗伯式流体的贡献; 通过在叶片中包括吸收和散射梯度，在模型中引入了近轴和后轴光学性质的差异（Kai等人，在新闻中）; 最近，计算稳态叶绿素荧光的新版本正在进行中（Pedroacute;s等人，提交出版）。

PROSPECT和SAIL的耦合：PROSAIL

Goel（1989）进行的第一次SAIL模型的反演允许通过使用Exotech 100型辐射计获得的12个太阳方向的场效应双向反射测量来估算大豆冠层结构（LAI，叶角分布）。目前，很少有太空仪器能够通过这种定向覆盖来监测地球表面。只有CHRIS，MISR或PARASOL分别同时提供5,9或16个观测方向的一个轨迹数据。实际上，除非多时间采集可用，否则大多数传感器通常在几个波段和一个方向测量地球的辐射，通常在最低点附近。然而，多光谱或高光谱数据不能由SAIL单独反演，因为波段数量的增加迅速导致不确定的系统。由于叶片反射率，叶片透射率和土壤反射率是SAIL的三个依赖于波长的输入变量，因此这个在定义的相对方位平面给定的太阳和视角下，从冠层反射光谱中计算生物物理变量的模型的实施需要至少三倍于波长的变量。因此，除非有多个视角可用，否则SAIL的反演通常是不切实际的。为了降低逆问题的维数并评估冠层生物化学，上世纪90年代初将SAILH与PROSPECT结合起来推导PROSAIL（Baret等人，1992）。这是一系列出版文献的开始。综合模型的主要输入变量如表1和图2所示，图2勾画出实际的耦合。请注意，输出变量不符合双向反射rho;_c，但延伸到fAPAR和反照率，这些过程描述了冠层和大气之间的质量和能量交换过程。耦合只是将PROSPECT模型的输出叶反射率和透射率传递给SAIL模型来模拟整个分光定向冠层反射场。还需要土壤光谱或方向反射作为SAIL的输入：通常使用现场辐射测量数据，较少使用土壤BRDF模型。Hapke模型的输入变量（Jacquemoud等人，1992）如图2所示：单散射反照率alpha;(lambda;)，相位函数P(theta;)和表面粗糙度参数h。最后，可以使用大气辐射传输模型（Baret等人，1992; Verhoef＆Bach，2007）计算观察方向上的顶层大气表观辐射度L₀。

表 1 PROSAIL的主要参数

*已经提出了几种功能来定义LIDF：以平均叶角（ALA）为特征的多项式，椭圆或椭圆分布，以两个参数（a和b）为特征的beta;分布。

图2 PROSAIL模型：SAIL和PROSPECT辐射传输模型的耦合模拟了正向和反向的冠层光谱和方向反射。输入变量列在白色椭圆中，模型和输出变量都嵌入灰色框中。

PROSPECT已经与大多数后续版本的SAIL相结合，已经适应于考虑到植被冠层内的一些异质性：Geo Sail（Bowyer＆Danson，2004; Koetz等，2004），Geo SAIL（Verhoef＆Bach，2003a，b），2M-SAIL（Weiss等，2001; Le Maire等，2008），4SAIL （Verhoef，2005）或4SAIL2（Verhoef＆Bach，2007）。它也被整合到其他冠层反射模型中：FCR（快速冠层反射，Kuusk，1994），NADIM（新型高分子模型，Jacquemoud等人，2000; Ceccato等人，2002），MCRM（马可夫链冠层反射模型，Kuusk，1995）适应于作物（Cheng等，2006），DART（离散各向异性辐射传递，Demarez＆Gastellu-Etchegorry，2000），SPRINT （辐射截取光子的传播Zarco-Tejada等，2004a），FLIM（森林光互动模型，Zarco-Tejada等人，2004b）和FLIGHT（三维森林光相互作用，Koetz等人，2004）。最后四个模型用于模拟不连续的森林冠层。Ganapol等人 （1999）用LEAFMOD CANMOD，Dawson等人 （1999）用LIBERTY FLIGHT，Dash和Curran（2004）用LIBERTY SAIL都尝试过类似的叶冠耦合模型。

使用PROSAIL进行灵敏度分析

模型模拟有助于量化冠层生物物理和生物化学性质对冠层反射的贡献。PROSAIL的第一个应用之一集中在红边（Baret等人，1992; Broge＆Leblanc，2000）。从成像光谱测定开始，红光与近红外的反射光谱的这一部分从凹状切换为凸状，然后产生一个爆发点，已成为高光谱遥感研究与开发的重点。PROSAIL数值模拟表明，该波长窗口的光谱变化主要由叶片叶绿素和叶面积指数

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