冠层、叶片和光系统尺度的日光诱导叶绿素荧光SIF模拟的辐射传输模型：SCOPE模型介绍

冠层、叶片和光系统尺度的日光诱导叶绿素荧光SIF模拟的辐射传输模型：SCOPE模型介绍

SCOPE模型全称：Soil Canopy Observation, Photochemistry and Energy fluxes (SCOPE, Van der Tol et al. 2009)是荷兰特温特大学ITC的van der Tol开发的结合辐射传输和能量守恒的一维模型。是目前最广泛应用于日光诱导叶绿素荧光模拟的模型之一。

本文简单介绍SCOPE最新版本V1.73的模型功能、基础入门、模拟选项、输入和输出文件等。文末有SCOPE模型（Matlab版本）的Github下载地址和说明文档地址。

目录：
第一部分 模型功能介绍
第二部分 模型基础入门
第三部分 模拟选项介绍
第四部分 输入和输出文件介绍

第一部分 模型功能介绍

Model capabilities
Spectra
Fluorescence
Energy balance
Vertical profiles
BRDF
Time series


光谱模拟：

对于热辐射光谱，启用options.calc_planck＆options.calc_ebal。
使用BSM模型进行土壤反射率模拟 options.soilspectrum
定义

光谱的光学部分Optical考虑了物体（叶片，土壤）反射光的能力。
光谱的热辐射Thermal部分基于普朗克定律，即温度高于0 K的任何物体都会发射电磁波。
SCOPE模型使用描述电磁波传播的辐射传输理论，并考虑了吸收和散射。
模型中包含3个部分：

土壤部分：

SCOPE使用BSM()（if options.soilspectrum）模拟土壤反射率（光学部分）。另外，也可以提供一个具有土壤反射率的光谱文件（几个选项在*./data/input/soil_spectrum/soilnew.txt**中）。

叶片

SCOPE模型（尤其是fluspect_B_CX_PSI_PSII_combined()）的工作方式类似于PROSPECT模型，模拟了叶片的反射率，透射率和吸收率（扣除反射率和透射率的部分）。特殊的部分是SCOPE可以模拟荧光。
另一个好处是xanthopyll循环（可用option.calc_xanthophyllabs），您可能会在500 nm附近看到一个微小的差异。
备注：叶片尺度没有热辐射的叶片反射率的模型

冠层

SCOPE将冠层表示为两种类型的60个基本叶子层：阳叶sunlit（考虑叶子的倾斜度）和阴叶shaded。
在此考虑叶片和土壤的光学特性。
光学性能由RTMo()，热辐射性能由RTMt_planck()计算。输出的辐亮度Radiance（如下图所示）
备注：默认配置使用Stefan-Boltzmann定律（RTMt_sb()），它将输出光谱积分的热通量而不是每个波长，在这种情况下：
半球形热辐射的积分为432.5 W m-2
直接辐射的积分140.4 W m-2

荧光模拟

options.calc_fluor

定义：
到达叶片（几乎所有物体）的光可以被反射，透射或吸收。在植物中，吸收的光可以用于三种不同的过程：
光化学反应 photochemistry（吸收二氧化碳）
非光化学淬灭non-photochemical quenching（NPQ）：热耗散
发射叶绿素荧光chlorophyll fluorescence excitation

荧光（几乎是所有光）在到达传感器的过程中都会被吸收和散射。
SCOPE模型可以模拟3种荧光（半球）：

（1）fluorescence emitted by all photosystems 光系统发出的所有荧光，在叶片或冠层内都没有任何散射/重吸收；
（2）fluorescence emitted by all leaves 所有叶片发出的荧光，在冠层内部或土壤背景下没有任何散射/重吸收；
（3）fluorescence emitted by canopy (all leaf layers) 冠层（所有叶片）发出的荧光，考虑了所有散射/重吸收。

备注：注意定向荧光和半球荧光在范围和单位上的差异。
SCOPE模型模拟定向荧光（实际到达传感器的荧光）及其成分来自：

（1）阳叶
（2）阴叶
（3）叶片和土壤的散射
可以使用options.calc_PSI计算光系统Ⅰ的定向荧光，但不建议在光系统Ⅰ和Ⅱ（PSI，PSII）之间分配定向荧光。
备注：biochem_out里面存储着biochemical()的输出，与PAM荧光有关的输出。

能量守恒模拟
定义
净辐射（Rn）：… http://www.indiana.edu/~geog109/topics/04_radiation/4c-RadiationBalance_nf.pdf

Rn = (SW_in - SW_out) + (LW_in - LW_out)

SW-短波辐射（400-2400 nm）
LW-长波（热）辐射
净辐射可分为3（4）个热通量：

Rn = H + lE + G

H-sensible heat
lE-latent heat
G-ground heat flux

随着options.calc_ebal能量平衡回路的启动，直到能量平衡关闭（净辐射等于热通量）为止。
为了达到能量平衡，需要反复调整叶片温度和Monin-Obukhov长度L。
看起来像这样：
叶片温度通过biochemical()或计算biochemical_MD12()。
土壤和叶片温度的初始值等于环境温度（Ta）。
Monin-Obukhov长度L会影响空气动力阻力值。
能量平衡计算的结果如下：

SCOPE还会计算冠层的光合作用，在这种情况下为18.7 umol m-2 s-1
辐射预算也由SCOPE计算：


垂直剖面模拟
options.calc_vert_profiles 和 options.calc_ebal
SCOPE将冠层表示为两种类型的60个基本叶子层：sunlit和shaded。
options.calc_vert_profiles可以计算出每一层的能量平衡，温度和荧光成分。

备注：该图将剖面进行了翻转，以使土壤为＃0层，而第一冠层为＃1层。这样，树冠的顶部实际上位于图形的顶部（第60层）。

BRDF 双向反射率分布函数
options.calc_directional 和 options.calc_ebal

定义
光由直接（镜面反射）和漫射（半球面）两个部分组成。为了分别解释每个光分量的反射率，使用了不同的反射率因子。 请参阅 [Schaepman-Strub et al., 2006]进行进一步的解释。
SCOPE模型模拟以下反射系数：
入射光是定向的：
案例1：双向（BRF）
案例2：定向半球（DHRF）
入射光是半球形的：
案例7：半球形（HDRF）
案例9：双半球（HRF）
来自材料的反射后，入射光的直接分量会同时影响反射光的方向分量和半球分量。
在材料反射后，入射光的漫反射分量也对反射光的定向分量和半球形分量都有贡献。

备注：双向反射率分布函数是描述材料的双向反射率的函数。
BRDF的“输入”有四个角度（太阳天顶和方位角（入射光的方向）；视场天顶和方位角（观察方向））。
BRDF的“输出”是反射率（BRF）。

在SCOPE中要模拟BRDF 需要启动 options.calc_directional。
SCOPE可以计算BRDF本身，还可以计算定向荧光辐射和定向热辐射（或亮度温度）。
方向图具有3个组成部分：
视场天顶角（朝向圆心）
视场方位角（绕圆）
实测数量（颜色）
在所有图形上，您都可以看到一个热点（红点），其中视场方位角为0º，视场天顶角为30º。
当视场方向与入射方向一致时会发生热点。实际上，在此示例中，使用了30º的太阳天顶角。

时间序列模拟

options.simulation== 1

将options.simulation选项模拟设置为1。

以berkeley格式提供startDOY和endDOY作为时间戳：（自2015年以来为FLUXNET标准）-YYYYMMDD [HHMMSS]。从“ ../data/input/dataset X”中的文件读取的数据将成为您的startDOY，endDOY的子集。
SCOPE将对数据中的每个时间戳进行运行。

第二部分 模型入门介绍

0.软件要求
1.解压缩zip文件
2.运行一次模型
3.设置输入 input_data.xlsx
4.输出分析
5.更进一步

软件要求
SCOPE模型_v1.73是在Windows操作系统上运行的Matlab R2015b中编写的。我们已经注意不要使用所有最新的Matlab版本中都提供的功能，但是我们不能保证它可以在其他操作系统和其他Matlab版本上使用。
SCOPE由多个脚本和功能（模块）组成，可以分别使用或作为集成的SCOPE模型（SCOPE.m）的一部分使用。
当模块分别使用时，在Structs中指定的结构中提供输入很重要。
调用集成模型时，将自动从电子表格input_data.xlsx以及./ data / input中指定的文件中加载输入。
备注：需要Matlab的基本知识才能运行模型。

该模型的应用包括以下步骤：

1.解压缩zip文件
解压缩模型，并保留目录结构不变。

2.一次运行模型
在修改参数和输入之前，请运行一次模型。它将检查软件是否在您的系统下运行。该模型使用示例数据集（options.verify）运行，并且输出会自动与应产生的输出进行比较。如果结果有所不同，将显示消息。
导航到matlab代码所在的目录：

./SCOPE_v1.73/ src

在Matlab中打开SCOPE.m

或在Matlab命令窗口中输入：

SCOPE

运行模型可能需要一段时间，因为几乎所有选项都已打开。如果模型的输出与预期不符，则会出现消息。还会出现显示新生成的输出和预期输出的图形。如果一切正常，则不会生成任何图形或警告。

3.在input_data.xlsx设置输入

主输入文件input_data.xlsx有4个sheet，位于./SCOPE_v1.73中。
备注：
如果Excel不可用，则可以使用来自txt文件（.m和.txt）的输入。
使用文本需要用%注释set_parameter_filenames.m

要找出输入参数的范围和单位，请看一下input structs。

4.输出分析

所有输出文件及其内容（变量，单位）可在输出文件Output files中找到。
某些输出文件可用于每次运行，其他输出文件可使用各种Options编写。
要绘制输出，请选择options.makeplots或使用以下函数plots()

注意：
辐射光谱和荧光输出通常具有两个单位的参数：
半球形：W m-2 um-1
方向上（方向性，实际到达传感器的方向）W m-2 um-1 sr-1

5.进一步说

SCOPE.m是一个脚本，因此在运行后，运行期间生成的所有matlab结构（输入，输出，常量）在工作区中均可用。您可以获得一些未写入输出文件的额外变量。您可以在Structs中找到可用的变量。
所有功能都记录在代码中以及API中。

第三部分 模拟选项介绍

这是几乎是SCOPE模型的所有功能

初始化
SCOPE.m：从input_data.xlsx读取输入或读取setoptions.m

输入运行规则

simulation

定义输入运行规则

0
单个运行：为固定输入参数指定一个值，并为运行之间变化的所有参数指定相同数量（> 1）的值。

1
时间序列模拟

2
查找表模拟：在输入参数的行中指定多个值。将使用所有可能的输入组合。

让我们举例说明一下具体的区别。

可以在inputdata的input_data.xslx表格的一行中指定几个值。假设我们有以下输入参数的组合。注意，我们分别为Cab和Cca参数提供了两个值。

如果选择单个运行的选项，即：options.simulation == 0
SCOPE将得到两个模拟过程：

如果选择查找表选项，即：options.simulation == 2
SCOPE将进行四个模拟过程：

输入的选项设置

rt_thermal

在热辐射内叶片和土壤的发射率

0
提供发射率值从leafbio（rho_thermal，tau_thermal），soil.rs_thermal作为输入数据
1
在TIR范围内使用2400 nm处的fluspect和土壤的值

calc_zo

roughness length for momentum of the canopy (zo) and displacement height (d)

开启 select_input() load_timeseries()

0
使用inputdata的zo和d值
1
根据LAI，树冠高度，CD1，CR，CSSOIL计算zo和d（如果LAI在时间序列中发生变化，则建议使用） zo_and_d()

soilspectrum

计算土壤反射或从../data/input/文件中使用soil_spectrum

启动 SCOPE.m

0
使用从…/data/input/文件soil_spectrum
默认文件是soilnew.txt，可以在工作表filenames的soil_file单元格上更改
变量名是 rsfile
1
使用BSM模型（BSM()）模拟土壤光谱（代码中固定了参数）

soil_heat_method

地热通量（G）的计算方法

启动SCOPE.m，select_input()，ebal()

0
根据土壤特性计算热惯性的标准方法
Soil_Inertia0() 在 select_input()
1
从土壤水分含量凭经验校准式select_input()的Soil_Inertia1()中
2
土壤净辐射的恒定分数（0.35）
Soil_Inertia0() 在 select_input()

calc_rss_rbs

从孔隙空间蒸发的土壤阻力（rss）和土壤边界层阻力（rbs）

启动 select_input()

0
使用输入数据土壤中提供的电阻rss和rbs
1
根据土壤含水量计算rss并为LAI校正rbs calc_rssrbs()

输出的选项设置

RTMo()（SAIL）在任何有效的运行中执行。这些选项可能包含其他功能。

calc_ebal

启动 SCOPE.m

0
仅RTMo()运行（RTMf() 运行 if options.calc_fluor）
1
计算完整的能量平衡
备注：要求calc_planck，calc_directional，calc_xanthophyllabs

calc_planck

用光谱发射率而不是宽波段计算热辐射的光谱

警告：仅对 calc_ebal == 1

启动SCOPE.m，calc_brdf()

0
RTMt_sb() -根据Stefan-Boltzman方程计算宽波段亮度温度。
1个
RTMt_planck()在SCOPE.m和calc_brdf()（if calc_directional）中启动。
对每个波长进行计算，因此比Stefan-Boltzman需要更多的时间。

calc_directional

计算BRDF和用于在该文件中指定的多角度定向温度：directional。

警告:
仅对 calc_ebal == 1
请耐心等待，这需要一些时间

启动SCOPE.m，calc_brdf()

0
不计算
1
struct directional is loaded from the file directional
calc_brdf() 在 SCOPE.m运行

calc_xanthophyllabs

计算叶黄素循环以模拟PRI（光化学反射率指数）

警告：
仅对 calc_ebal == 1
接通 SCOPE.m

0
不计算
1
RTMz()在SCOPE.m和calc_brdf()（if calc_directional）启动

calc_vert_profiles

垂直轮廓的计算（每60个冠层）。

启动SCOPE.m，RTMo()然后ebal()

0
配置文件未计算
1
每层的光合有效辐射（PAR）计算如下 RTMo()
每层的能量，温度和光合作用通量计算如下 ebal()
在RTMf()（if calc_fluor）中计算荧光通量

calc_fluor

荧光计算

启动SCOPE.m，calc_brdf()

0
无荧光计算
1
RTMf()在SCOPE.m和calc_brdf()（if calc_directional）启动
总发射荧光由 SCOPE.m计算

calc_PSI

光系统I和II（PSI，PSII）的单独荧光

启动SCOPE.m，select_input()

0
我们推荐的
1
与Franck等人区分PSI和PSII的光谱（使用在SCOPE 1.62及更早版本）
Fluspect版本 fluspect_B_CX()
在select_input()中，PSI的荧光量子效率设置为PSII的0.2

Fluorescence_model

荧光模型

启动 ebal()

0
经验的，具有持续的NPQ（适合Flexas的数据）
1个
经验的，对于Sn具有S形：biochemical()（Berry-Van der Tol）
2
biochemical_MD12() （von Caemmerer-Magnani）

apply_T_corr

校正Vcmax和温度速率常数

警告：
仅对biochemical()有效Fluorescence_model != 2

启动 ebal()

0
不运行
1
根据Q10规则进行更正

对于用户的舒适

verify

验证结果（与保存的“标准”输出进行比较）以首次测试代码

启动 SCOPE.m

0

1
运行 output_verification()

save_headers

在输出文件中写入标题行

启动 create_output_files()

0

1
运行附加部分create_output_files()其中在输出文件中写入两行（名称，单位）

makeplots

绘制结果

启动 SCOPE.m

0

1
运行plots()显示运行的结果

第四部分 输入和输出文件介绍


输入文件

input_data.xlsx

主输入文件input_data.xlsx有4sheet。在文档中，我们引用此文件，尽管也可以使用其他文本。

输出文件

函数output_data()将SCOPE的输出保存在输出目录中。

在SCOPE中，每次计算后都会调用output_data。

数据存储在以下目录中： SiteName_yyyy-mm-dd-hh-mm
其中：
yyyy 指儒略年，
mm 月
dd 天，
hh 时间
mm 分钟
即开始模拟的时间。

结语

SCOPE的Github下载地址：https://github.com/Christiaanvandertol/SCOPE
SCOPE的说明文档：https://scope-model.readthedocs.io/en/latest/index.html

对日光诱导叶绿素荧光遥感感兴趣的同学可以扫描关注上面的订阅号【叶绿素荧光遥感前沿】