一種城市濃密草地輻射方向特性模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種城市濃密草地輻射方向特性模擬方法。具體為：1)任意傾向三角形葉片投影重疊函數和等效投影面積構建；2)理想情況：太陽方向和觀測方向的平均孔隙率相互獨立情況下四分量(光照土壤Kg、陰影土壤Kz、光照葉片Kc和陰影葉片Kl)的各自面積比例計算；3)修正理想情況至實際情況：太陽方向和觀測方向的平均孔隙率不相互獨立情況下四分量比例計算；4)植被冠層反射率一次散射項獲??；6)得到草地冠層反射率。本發(fā)明的城市濃密草地輻射方向特性模擬方法同野外實驗數據驗證相比對，本方法能夠描述草地植被輻射方向性的“熱點”效應和碗邊效應，同時能夠反映草地植被輻射方向性的變化趨勢。
【專利說明】
一種城市濃密草地輻射方向特性模擬方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及遙感領域，尤指一種城市濃密草地輻射方向特性模擬方法。
【背景技術】
[0002] 植被冠層孔隙率可表示為光線穿過植被冠層時沒有被葉片和莖阻擋的概率來，是 描述冠層結構和葉片密度空間分布的一個重要參量。孔隙率在植被冠層能量平衡估計、水 脅迫和多角度信息提取等遙感應用中得到廣泛應用。冠層各向孔隙率的計算廣泛應用于 PAR、冠層BRDF和冠層熱輻射方向性研究中。在作物生長過程中，當葉面積指數相對較小時， 如果不考慮孔隙率將帶來較大誤差。
[0003] 許多著名學者對冬小麥的冠層孔隙率展開了研究= Kimes建立了可適用于任意觀 測方向的幾何光學模型，但沒有考慮小麥壟內的孔隙率的影響。李小文和Strahler建立的 幾何光學模型，采用同一樹冠在入照和觀測兩個方向的陰影重疊面積來計算視場內可見光 照地面比例。陳良富在Kimes模型和李小文模型基礎上，建立了行播作物的熱輻射方向間隙 率模型。閆廣建對行播作物的熱輻射方向間隙率模型進一步完善，建立了行播作物熱輻射 方向性的雙向間隙率模型，并利用冬小麥的熱輻射方向性數據進行模型驗證。
[0004] 同樣，對森林冠層孔隙率模型研究也得到很多學者的重視。Li和Strahler對森林 場景建立孔隙率模型考慮了球形、橢球形、圓錐形樹冠 ;Ni Ison和Ni Ison和Kuusk的孔隙率 模型假設樹冠為橢球形；尹高飛擴展了Nilson的森林孔隙率模型，使其適用于橢球、圓錐、 圓錐+圓柱等3種常見形狀的樹冠。
[0005] 目前，草地作為研究目標的冠層孔隙率模型研究中較少。草地建模多以輻射傳輸 模型為主，對植株的幾何光學特性考慮較少，尤其是常常忽略植株冠層的幾何形狀對反射 的影響，張娜對內蒙半干旱地區(qū)天然草地建模，將草地植株建模假設為球體、柱體和錐體。
[0006] 上述孔隙率模型，多是基于幾何光學的思想直接推導離散植被中孔隙率的計算方 法，對整個植株建模，例如：圓柱體，三角錐體，長方體等立體目標物，沒有考慮植株內部輻 射特性。但植株內部的輻射特性在草地植被輻射方向特性模擬中是不可忽略的。

【發(fā)明內容】

[0007] 針對現有技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種城市濃密草地輻射方向特 性模擬方法。
[0008] 為實現上述目的，本發(fā)明的一種城市濃密草地輻射方向特性模擬方法，具體為：1) 任意傾向三角形葉片投影重疊函數和等效投影面積構建；2)理想情況:太陽方向和觀測方 向的平均孔隙率相互獨立情況下四分量(光照土壤K g、陰影土壤Kz、光照葉片Kc和陰影葉片 Kt)的各自面積比例計算;3)修正理想情況至實際情況:太陽方向和觀測方向的平均孔隙率 不相互獨立情況下四分量計算;4)植被冠層反射率一次散射項獲取;6)得到草地冠層反射 率。
[0009] 進一步，步驟1)中將城市草地葉片模擬成等腰三角形葉片，獲取植被冠層所有葉 片在太陽方向和觀測方向上的重疊指數O和平均投影面積"&。^1)41(^^1)。
[0010] 進一步，步驟2)理想情況:分別計算太陽和觀測兩個方向的平均孔隙率，并假設它 們相互獨立，即太陽方向和觀測方向投影面積各自獨立，認為太陽方向的投影面積和投影 方向的投影面積沒有重疊。推導出光照土壤、陰影土壤、光照葉片和陰影葉片的各自面積比 例。
[0011] 進一步，步驟3)修正理想情況至實際情況:太陽和觀測兩個方向的平均孔隙率不 相互獨立，即太陽方向的投影面積和投影方向的投影面積有重疊面積，修正光照土壤、陰影 土壤、光照葉片和陰影葉片的各自面積比例。
[0012] 進一步，步驟4)利用天空散射光因子區(qū)分太陽直射光和天空散射光的作用，基于 實測數據和步驟3中獲取的修正四分量比例，獲取植被冠層反射率一次散射項。
[0013] 進一步，步驟5)利用SAIL模型模擬植被冠層反射率的多次散射項，與步驟4)中得 到的植被冠層反射率的一次散射項，相加后構成最終的草地冠層反射率。
[0014] 本發(fā)明的城市濃密草地輻射方向特性模擬方法同野外試驗數據驗證相比對，本方 法能夠描述草地植被輻射方向性的"熱點"效應和碗邊效應，同時能夠反映草地植被輻射方 向性的變化趨勢。
【附圖說明】
[0015] 圖1為一種城市濃密草地輻射方向特性模擬方法流程圖；
[0016] 圖2為任意傾向三角形葉片在太陽方向和觀測方向的投影重疊面積示意圖；
[0017] 圖3為圖3模擬數據與野外觀測數據的對比圖；圖3(a)，（b)，（c)為太陽主平面觀 測，圖3(d)，（e)，（f)為垂直主平面觀測；圖3(a)，（d)為綠光波段，圖3(b)，（e)為紅光波段， 圖3(c)，（f)為近紅外波段。
【具體實施方式】
[0018] 與冬小麥、森林相比，城市草地植被具有其特殊性：（1)植物種類比較單一，植株生 長濃密整齊，這意味著植株冠層之間的相互重疊和相互遮陰不可被忽略。（2)草地的空間異 質性較低，可以假設同一像元中植被類型相同，草地植被是具有植株和植株孔隙的非連續(xù) 性冠層，植株在空間上呈隨機分布。
[0019]因此，針對城市草地植被的特殊性，進行模擬城市草地的輻射方向性。
[0020] 步驟1)中任意三角葉片投影重疊面積的計算平均投影面積和重疊指數的方法具 體為:將草地葉片模擬為等腰三角形葉片，如圖2的示意圖顯示。
[0021] 獲取葉片在太陽方向和觀測方向上的平均投影面積織~^) ,A1(^r1)和重疊指 數〇,需要確定葉片形狀、入射光線方向^與視線方向r。。太陽光線方向r s與視線方向r。。葉 片三角形的法線天頂角為θι、方位角為Φι。
[0022] 單個葉片的投影面積：
[0023] Ai(r〇,ri) =ai I r · π|/μ (I)
[0024] 單個葉片在太陽方向和觀測方向的投影重疊面積：
[0025] Aoi(r〇,rI,rs,d) = Al(r〇,π) ΠAl(rs,ri) (2)
[0026] 植被冠層所有葉片的平均投影面積為：
[0027] ,、
(3)
[0028] 其中，gl(r〇為葉傾角空間取向分布函數，分為統(tǒng)一型，球面型，平面型，豎直型，傾 斜型，極端型。根據城市草地植被的特殊性，認為是豎直型：
[0029] n(a〇為葉片尺度的概率密度函數，根據城市草地植被的特性，采用通用的三角形 分布數學模型：
[0030] (4)
[0031] 步驟2)分析理想情況下太陽方向和觀測方向的平均孔隙率相互獨立的情況，即太 陽方向和觀測方向投影面積各自獨立，認為太陽方向的投影面積和投影方向的投影面積沒 有重疊。推導出光照土壤K g、陰影土壤Kz、光照葉片Kc和陰影葉片Kt的各自面積比例。其中， 傳感器觀測到的植被冠層光照葉片、陰影葉片、光照土壤和陰影土壤的面積占傳感器視場 總面積的比例，簡稱為四分量比例，是植被遙感幾何光學建模的重要參數。
[0032]從統(tǒng)計幾何學Boolean模型出發(fā)，已知葉片法向方向ri，在太陽入射光方向rs，視線 方向r。確定的情況下，可得到土壤面積比例^+Kz，植被冠層葉片面積比例Kc+Kt，以及觀測方 向孔隙率P v和太陽方向孔
[0033] 土壤面積比例： （5)
[0034] 植被冠層葉片1 (6)
[0035] 觀測方向孔隙； （7)
[0036] 太陽方向孔隙 （8)此處
%葉片的密度，假設象元A內有η個葉片。A1(^r 1)為沿視線r。方向葉片在水平面的平 均投影面積。A1(^r1)為沿太陽^方向葉片在水平面的平均投影面積。
[0037] 分別計算太陽和觀測兩個方向的平均孔隙率，并假設它們相互獨立，即太陽方向 和觀測方向投影面積各自獨立，認為太陽方向的投影面積和投影方向的投影面積沒有重 置。
[0038] 推導出光照土壤Kg'昍戢+ ?K一 I昭卟皆和昍戢卟^K-+K+的夂白而葙屮仿Il.
[0039] 光照土壤面積比例
[0040] 陰影土壤面積比例
[0041] 光照葉片和陰影葉
[0042] 在此引入Γ(爐)函數，其中供為太陽方向和觀測方向之間的夾角.在此用Γ(??)的大 小表達陰影效果。
[0043]
(12)
[0044] 當爐=〇,太陽方向和觀測方向重疊，太陽方向投影面積和觀測方向投影面積相同；
[0045] 當P = A葉片在太陽方向和觀測方向上的投影面積沒有重疊。
[0046] 當〇 <在太陽方向和觀測方向的投影面積相互重疊。
[0047] 引入Γ(供)函數后，光照葉片面積比例Kc和陰影葉片面積比例Kt發(fā)生變化：
[0048] 光照葉片面積比存 (13)
[0049] 陰影葉片面積比存 (14)
[0050] 歸納得出，在太陽方向和觀測方向的平均孔隙率相互獨立的情況下，光照土壤Kg、 陰影土壤K z、光照葉片Kc和陰影P+片1(+的而葙比仿IL
[0051] 光照土壤面積比例
[0052] 陰影土壤面積比例
[0053] 光照葉片面積比例
[0054] 陰影葉片面積比例
[0055] 在步驟2)中分析了埋想情況卜太陽萬冋和觀測萬冋的干均扎隙卒相且獨?的情 況下光照土壤Kg、陰影土壤Κζ、光照葉片Kc和陰影葉片Kt的面積比例。但在實際情形中，太陽 方向和觀測方向的平均孔隙率并不是相互獨立的，太陽方向的投影面積和投影方向的投影 面積是有重疊面積存在的。因此，在步驟3)中，利用步驟1)中獲取的任意三角葉片投影重疊 面積的計算平均投影面積來修正步驟2)中修正理想情況下的光照土壤心、陰影土壤Κ ζ、光照 葉片Κ。和陰影葉片Kt的面積比例。
[0056] 分別計算太陽和觀測兩個方向的平均孔隙率，并假設它們相互獨立，簡單地相乘， 就可以得到一個粗糙的雙向間隙率。但是，很顯然太陽方向和觀測方向兩個方向的孔隙率 在事實上并非相互獨立，尤其在熱點方向，它們是完全相關的。但大多數情況下，太陽方向 的投影面積和投影方向的投影面積是存在重疊的，因此不能直接簡單采用公式（15)-(18) 作為的光照土壤心、陰影土壤K z、光照葉片Kc和陰影葉片Kt的面積比例。
[0057] 本方法提出等效投影面積的概念，引用重疊指數來獲取等效投影面積來計算太陽 方向和觀測方向的平均孔隙率不相互獨立的情況的光照葉片面積比例K c和陰影葉片面積 比例Kt:
[0058] 0 = 〇/ (Ai(r〇,ri)+Ai(rs,ri)) (19)
[0059] 其中A1(^r1) A1(^r1)分別為葉片在太陽方向和觀測方向的平均投影面積;〇為 Ai(r〇，ri)、41(1^，1'1)的重疊面積，0為重疊指數。
[0060] 進一步利用重疊指數0可得到等效投影面積：
[0061] A7 (r〇,rs,ri) =A(r〇,rs,ri)*(l-〇) (20)
[0062] 獲取等效投影面積后，可得到修正后的四分量比例，具體參下所示。
[0063] 光照土壤面積比例：
[0064] 陰影土壤面積比例：
[0065] 光照葉片面積比例：
[0066] 陰影葉片面積比例：
[0067]在步驟3)中，本方法獲取到了修正理想情況下的光照土壤Kg、陰影土壤Kz、光照葉 片Kc和陰影葉片Kt的面積比例。在步驟4)中，基于步驟3)中獲取的修正四分量面積比例，基 于野外實測數據，獲取植被冠層反射率一次散射項。
[0068] f1 = Kgf g+A (sky) Kzf z+Kcf c+A (sky) Ktf t (25)
[0069] 由于光照面和陰影面入射光能量不同，前者為太陽直射光和天空散射光能量之 和，后者只接收天空散射光能量，本方法引入天空散射光因子A (sky)將太陽直射光和天空 散射光的I田-
[0070] (26)
[0071]其中，μ$。為太陽直射對目標構成的輻照度，Ed為天空亮度對目標構成的輻照度。 [0072] fg，fc，ft依次為土壤反射率，植被葉片反射率和植被葉片透過率，可由實測數據獲 取。
[0073] 在步驟4)中，獲取了植被冠層反射率一次散射項。在步驟5)利用SAIL模型模擬植 被冠層反射率的多次散射項，與步驟4)中得到的植被冠層反射率的一次散射項，相加后構 成最終的草地冠層反射率。
[0074] 草地植被具有連續(xù)植被和離散植被的特性，目標的反射輻射近似為一次散射項L1 和多次散射項Lm之和并分別計算二者的貢獻：
[0075] L = L1Um (27)
[0076]已有研究表明：
[0077] 1)目標的非各向同性反射主要決定于一次散射項
[0078] 2)多次散射項具有近似各向同性性質，它的主要貢獻是提高反射率的數值和加強 碗邊效應，主要作用波段僅限于波長大于730nm的近紅外波段。
[0079]目標的反射率近似表達為：
[0080] f = T^fm (28)
[0081] 其中，f1代表一次散射的貢獻量，Γ代表多次散射的貢獻量。
[0082] Γ利用四流近似用于多次散射項的計算。本文采用成熟的植被輻射傳輸模型計算 多次散射項，選用的模型是基于四流近似理論的SAIL模型，通過設置合適的邊界條件和散 射系數，可求得冠層的多次散射貢獻。
[0083]為了評估城市濃密草地輻射方向特性模擬方法的準確性，我們采用野外實驗實測 數據來驗證。我們采用野外試驗數據驗證模型的準確性。2012年7月16日中國科學院遙感與 數字地球研究所在國家森林公園西南側草坪開展了草地遙感實驗，對草地的輻射方向性進 行觀測。試驗當天天氣晴朗、無云、風速很小，測量儀器選用美國ASD(analytical spectral device)公司的field-spec FR2500光譜儀進行觀測，測量時距地表2.0m，視場角為25度。整 個實驗時間在北京時間10: OO--15:00時進行測量，共采用25個樣點，每個點在視場范圍 內重復5次，取平均值。同時采用多角度觀測架聯合ASD光譜儀，分別測定太陽主平面和垂直 主平面不同觀測天頂角的反射光譜。當觀測方向與太陽入射方向在同側時，天頂角取正值， 當觀測方向與太陽入射方向在反側時，天頂角取負值;觀測方位角均以與正北方向重合為 0°，順時針方向旋轉遞增。觀測天頂角從0°到60°，步長為10°。在測量輻射特性的當天，同時 測量了太空散射光因子，草地植被的結構特性:葉長，葉寬，葉片密度，葉面積指數等，以及 草地植被的生化參數。同時，利用積分球(LI-COR 1800)耦合ASD field-spec FR2500光譜 儀在室內同步測量葉片的光譜數據。
[0084]根據野外實測數據，將本方法所需的物理參數輸入到城市濃密草地輻射方向特性 模擬方法需要輸入的參數中。具體參數如表1所示。
[0085]表1:城市濃密草地輻射方向特性模擬方法輸入參數
[0087] 圖3給出了城市濃密草地輻射方向特性模擬方法與野外實驗實測數據的對比結 果:太陽主平面和垂直主平面在綠光波段(550nm)，紅光波段(680nm)，近紅外波段(850nm) 草地的反射率隨觀測天頂角的變化情況。
[0088] 圖3可以看出模型模擬值和實際觀測值的變化趨勢基本一致，在太陽主平面，本方 法預測的熱點與實際觀測的熱點吻合，同時本方法模擬出了碗狀效應。
[0089]在后向方向（即太陽同側，設前向角度為正），BRDF值隨著觀測角的增加而增大，當 觀測角近似等于太陽天頂角時出現BRDF最大值，稱為"熱點"，反射率峰值出現在35-一40° 之間，該現象是由熱點效應引起的；
[0090]在后向，離熱點越遠反射率越小，其原因是遠離熱點，視場內光照組分比例不斷減 小，陰影不斷增大;在前向（即太陽異側，射后向觀測角度為負），曲線呈向上"碗狀"。
[0091]在太陽主平面和垂直主平面，后向反射率均高于前向反射率，這是因為前向陰影 顯著，后向陰影相對較小。
[0092]結果表明在垂直主平面，BRDF的各向異性最強，且前向低于后向。其中，綠光波段 和紅光波段后向各向異性更明顯，近紅外波段的各向異性相對較弱，隨著觀測天頂角的增 大，各向異性更明顯，其原因可能是冠層可見光波段的陰影效應強于近紅外波段，冠層近紅 外波段的高透射及多次散射特性削弱了各向異性，對BRDF的影響不如可見光明顯。太陽主 平面各向異性較弱，太陽主平面的前向和后向反射率呈現一定的對稱性。
[0093]綜合來看，本發(fā)明的城市濃密草地輻射方向特性模擬方法，能夠描述草地植被輻 射方向性的"熱點"效應和碗邊效應，同時能夠反映草地植被輻射方向性的變化趨勢。
【主權項】
1. 一種城市濃密草地輻射方向特性模擬方法，具體為：1)任意傾向三角形葉片投影重 疊函數和等效投影面積構建;2)理想情況:太陽方向和觀測方向的平均孔隙率相互獨立情 況下四分量(光照土壤K g、陰影土壤Kz、光照葉片Kc和陰影葉片Kt)的各自面積比例計算；3) 修正理想情況至實際情況:太陽方向和觀測方向的平均孔隙率不相互獨立情況下四分量比 例計算;4)植被冠層反射率一次散射項獲取;6)得到草地冠層反射率。2. 如權利要求1所述的城市濃密草地輻射方向特性模擬方法，其特征在于，步驟1)中采 用任意傾向三角形葉片投影重疊函數和等效投影面積構建。3. 如權利要求2所述的城市濃密草地輻射方向特性模擬方法，其特征在于，步驟2)中具 體為理想情況:分別計算太陽和觀測兩個方向的平均孔隙率，并假設它們相互獨立，即太陽 方向和觀測方向投影面積各自獨立，認為太陽方向的投影面積和投影方向的投影面積沒有 重疊。推導出光照土壤、陰影土壤、光照葉片和陰影葉片的各自面積比例。4. 如權利要求3所述的城市濃密草地輻射方向特性模擬方法，其特征在于，步驟3)具體 為修正理想情況至實際情況:太陽和觀測兩個方向的平均孔隙率不相互獨立，即太陽方向 的投影面積和投影方向的投影面積有重疊面積，修正光照土壤、陰影土壤、光照葉片和陰影 葉片的各自面積比例。5. 如權利要求4所述的城市濃密草地輻射方向特性模擬方法，其特征在于，步驟4)利用 天空散射光因子區(qū)分太陽直射光和天空散射光的作用，基于實測數據和步驟3中獲取的修 正四分量比例，獲取植被冠層反射率一次散射項。6. 如權利要求5所述的城市濃密草地輻射方向特性模擬方法，其特征在于，步驟5)利用 SAIL模型模擬植被冠層反射率的多次散射項，與步驟4)中得到的植被冠層反射率的一次散 射項，相加后構成最終的草地冠層反射率。
【文檔編號】G01N21/17GK105891120SQ201610166028
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】顧行發(fā), 余濤, 孫源, 謝勇, 韓杰, 劉其悅, 高海亮, 王春梅, 方莉
【申請人】中國科學院遙感與數字地球研究所