一種濕地水生植被冠層brdf蒙特卡洛模型的制作方法
【專利說明】一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型 (一） 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型，屬于光學(xué)遙感領(lǐng)域，在濕 地遙感技術(shù)研宄和遙感輻射傳輸機(jī)理分析方面具有重要意義。 (二）
【背景技術(shù)】
[0002] 濕地水生植被按照其生長習(xí)性可以分為：挺水植被、浮水植被及沉水植被三類。相 對水體與陸地植被，水生植被區(qū)域水體與植被冠層的反射信號會相互影響，因此水生植被 冠層會表現(xiàn)出一些比較獨(dú)特的反射特征，這是傳統(tǒng)的陸地植被冠層模型或水體模型難以精 確描述的?？茖W(xué)認(rèn)識水生植被的光譜反射特性及二向反射特性，對水生植被區(qū)域的遙感監(jiān) 測、水質(zhì)參數(shù)反演等應(yīng)用具有非常重要的意義。
[0003] 水生植被區(qū)域由于不同種類的植被及水體交錯(cuò)分布，深度不大但是水底多淤泥， 因此難以涉足，野外實(shí)驗(yàn)與調(diào)查具有諸多困難。此外，水生植被的反射光譜受到水體與植被 冠層的影響，實(shí)驗(yàn)中需要測量的輔助參數(shù)較多，不確定性也比較大。由于水生植被反射光譜 的現(xiàn)場原位測量比較困難，以及水生植被的非均勻分布等造成的實(shí)驗(yàn)誤差難以精確描述， 水生植被中的輻射傳輸機(jī)理及方向反射特性的研宄相對較少。已有的少量水生植被冠層模 型往往采用了各種簡化處理方法，且缺少系統(tǒng)的模型驗(yàn)證。
[0004] 基于地物場景的蒙特卡洛模型作為一種計(jì)算機(jī)模型，已經(jīng)在植被冠層的建模與驗(yàn) 證中得到了廣泛的應(yīng)用。這種蒙特卡洛模型既可以比較真實(shí)地反映地物的特性，具有較高 精度；其參數(shù)又可以控制，相對野外實(shí)驗(yàn)，不確定性要小。因此常用于輻射傳輸模型等其他 冠層模型的對比驗(yàn)證。但是針對水生植被的蒙特卡洛模型很少見諸報(bào)道。
[0005] 本發(fā)明采用隨機(jī)分布的三角形葉片，利用水面散射方向查找表模擬波浪水面，采 用均勻柵格的加速方法，構(gòu)建一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型，對于濕地遙感中 正確計(jì)算水生植被的方向反射特性，實(shí)現(xiàn)水生植被輻射傳輸機(jī)理的研宄與方向反射特性的 分析具有重要的研宄意義。 (三）

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明涉及一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型。技術(shù)解決方案是：根據(jù)輸 入的冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)生成水生植被場景；將空間劃分為均勻柵格，建立輔助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；建立 波浪水面散射方向查找表；將天球按照等角度或等立體角劃分為若干區(qū)域；在水生植被一 水體耦合系統(tǒng)中追蹤給定數(shù)量的光子包；根據(jù)每個(gè)區(qū)域接收到光子的總權(quán)重計(jì)算水生植被 的方向反射率。其具體步驟如下：
[0007] 1 一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型。其特征在于包含以下步驟：
[0008] (1)根據(jù)輸入的冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)生成水生植被場景；
[0009] (2)將空間劃分為均勻柵格，建立輔助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
[0010] (3)建立波浪水面散射方向查找表；
[0011] (4)將天球按照等角度或等立體角劃分為若干區(qū)域；
[0012] (5)在水生植被一水體耦合系統(tǒng)中追蹤給定數(shù)量的光子包；
[0013] (6)根據(jù)每個(gè)區(qū)域接收到光子的總權(quán)重計(jì)算水生植被的方向反射率。
[0014] 2根據(jù)權(quán)利1要求所述的一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于： 步驟（1)中所述的"根據(jù)輸入的冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)生成水生植被場景"，具體計(jì)算過程如下：
[0015] 第一步：根據(jù)水生植被類型將場景分層，以等邊三角形代替植物葉片，根據(jù)輸入的 場景尺寸、葉面積指數(shù)、葉片邊長、場景分層等信息計(jì)算每層介質(zhì)中葉片的個(gè)數(shù)。
[0016] 第二步：根據(jù)輸入的葉傾角分布參數(shù)，按照SAIL模型計(jì)算葉片葉傾角的累積概率 分布函數(shù)。
[0017] 第三步：在場景內(nèi)隨機(jī)生成葉片重心位置，根據(jù)葉傾角累積概率分布函數(shù)生成葉 片葉傾角。之后可以計(jì)算葉片三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)、葉片法向量等數(shù)據(jù)。
[0018] 3根據(jù)權(quán)利1要求所述的一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于： 步驟
[0019] (2)中所述的"將空間劃分為均勻柵格，建立輔助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)"，具體計(jì)算過程如下：
[0020] 第一步：根據(jù)柵格數(shù)與葉片數(shù)的關(guān)系計(jì)算x、y、z三個(gè)方向上的柵格個(gè)數(shù)及柵格尺 寸；
[0021] 第二步：根據(jù)葉片在X、y、z三個(gè)方向上坐標(biāo)的最小值與最大值，建立每個(gè)柵格與 位于其中的葉片編號的映射關(guān)系。
[0022] 4根據(jù)權(quán)利1要求所述的一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于： 步驟
[0023] (3)中所述的"建立波浪水面散射方向查找表"，其計(jì)算過程如下：
[0024] 第一步：按照Γ天頂角間隔與Γ方位角間隔對天球進(jìn)行劃分；
[0025] 第二步：根據(jù)波浪水面的二向散射分布函數(shù)（包括反射及透射）及能量守恒定律
[0026]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型。其特征在于包含以下步驟： (1) 根據(jù)輸入的冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)生成水生植被場景； (2) 將空間劃分為均勻柵格，建立輔助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； (3) 建立波浪水面散射方向查找表； (4) 將天球按照等角度或等立體角劃分為若干區(qū)域； (5) 在水生植被一水體耦合系統(tǒng)中追蹤給定數(shù)量的光子包； (6) 根據(jù)每個(gè)區(qū)域接收到光子的總權(quán)重計(jì)算水生植被的方向反射率。
2. 根據(jù)權(quán)利1要求所述的一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于：步 驟（1)中所述的"根據(jù)輸入的冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)生成水生植被場景"，具體計(jì)算過程如下： 第一步：根據(jù)水生植被類型將場景分層，以等邊三角形代替植物葉片，根據(jù)輸入的場景 尺寸、葉面積指數(shù)、葉片邊長、場景分層等信息計(jì)算每層介質(zhì)中葉片的個(gè)數(shù)。 第二步：根據(jù)輸入的葉傾角分布參數(shù)，按照SAIL模型計(jì)算葉片葉傾角的累積概率分布 函數(shù)。 第三步：在場景內(nèi)隨機(jī)生成葉片重心位置，根據(jù)葉傾角累積概率分布函數(shù)生成葉片葉 傾角。之后可以計(jì)算葉片三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)、葉片法向量等數(shù)據(jù)。
3. 根據(jù)權(quán)利1要求所述的一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于：步 驟（2)中所述的"將空間劃分為均勻柵格，建立輔助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)"，具體計(jì)算過程如下： 第一步：根據(jù)柵格數(shù)與葉片數(shù)的關(guān)系計(jì)算x、y、z三個(gè)方向上的柵格個(gè)數(shù)及柵格尺寸； 第二步：根據(jù)葉片在x、y、z三個(gè)方向上坐標(biāo)的最小值與最大值，建立每個(gè)柵格與位于 其中的葉片編號的映射關(guān)系。
4. 根據(jù)權(quán)利1要求所述的一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于：步 驟（3)中所述的"建立波浪水面散射方向查找表"，其計(jì)算過程如下： 第一步：按照1°天頂角間隔與1°方位角間隔對天球進(jìn)行劃分； 第二步：根據(jù)波浪水面的二向散射分布函數(shù)（包括反射及透射）及能量守恒定律
計(jì)算不同入射角情況下，波浪水面出射能量的分布。其中，0S、W分別為入射天頂角及 方位角；9分別為觀測天頂角及方位角；f為波浪水面的二向反射分布函數(shù)或二向透 射分布函數(shù)。入射天頂角的取值范圍是0° (豎直向上，從水中入射）到180° (豎直向下， 從空氣中入射）。 第三步：將計(jì)算出的出射能量分布進(jìn)行歸一化并刪除較小的增量，建立出射能量的累 積概率分布函數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利1要求所述的一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于：步 驟（4)中所述的"將天球按照等角度或等立體角劃分為若干區(qū)域"，具體計(jì)算過程如下：根 據(jù)研宄問題的需要將上半球空間按照等角度間隔或者等立體角間隔等進(jìn)行劃分。
6. 根據(jù)權(quán)利1要求所述的一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于：步 驟（5)中所述的"在水生植被一水體耦合系統(tǒng)中追蹤給定數(shù)量的光子包"，具體計(jì)算過程如 下： 第一步：在場景頂部隨機(jī)生成入射光子的初始位置，光子的初始入射方向根據(jù)直射光 與漫射光的比例、太陽方向及天空光分布模型確定； 第二步：光子在步驟（2)建立的柵格中進(jìn)行傳播，并與當(dāng)前柵格中的三角形葉片進(jìn)行 相交判斷：若光子不與當(dāng)前柵格中的所有葉片相交則繼續(xù)移動到下一個(gè)柵格；若光子與當(dāng) 前柵格中的葉片相交，則尋找與光子當(dāng)前位置最近的交點(diǎn)，并根據(jù)葉片的反射率、透過率及 吸收系數(shù)計(jì)算光子被葉片攔截后的出射方向及權(quán)重的變化。當(dāng)光子穿過水面時(shí)，根據(jù)步驟 (3)中建立的波浪水面散射方向查找表確定光子的出射方向。當(dāng)光子傳播到場景的四周邊 界時(shí)，將光子移動到當(dāng)前邊界面的對側(cè)繼續(xù)進(jìn)行傳播。當(dāng)光子傳播到水底（假設(shè)為朗伯體） 時(shí)，根據(jù)水底的反射率計(jì)算光子的權(quán)重變化及反射方向。 第三步：當(dāng)光子從場景頂部出射或者權(quán)重小于給定閾值時(shí)進(jìn)行如下處理：對于前者， 需要根據(jù)光子的出射方向確定其落入的上半球空間的區(qū)域；對于后者，需要利用輪盤確定 接下來是增大當(dāng)前光子的權(quán)重并繼續(xù)跟蹤，還是停止當(dāng)前光子的跟蹤并生成一個(gè)新的光 子。
7.根據(jù)權(quán)利1要求所述的一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于：步 驟（6)中所述的"根據(jù)每個(gè)區(qū)域接收到光子的總權(quán)重計(jì)算水生植被的方向反射率"，具體計(jì) 算過程如下：出射方向的反射率可以表示為 r=Jrff0/(dQ0ffs) 其中，dD。是出射方向?qū)?yīng)天球區(qū)域的投影立體角，Ws是入射光子的總權(quán)重，在觀測方 向?qū)?yīng)區(qū)域內(nèi)的出射光子總權(quán)重為W。。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種濕地水生植被冠層BRDF蒙特卡洛模型。其步驟如下：根據(jù)輸入的冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)生成水生植被場景；將空間劃分為均勻柵格，建立輔助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；建立波浪水面散射方向查找表；將天球按照等角度或等立體角劃分為若干區(qū)域；在水生植被-水體耦合系統(tǒng)中追蹤給定數(shù)量的光子包；根據(jù)每個(gè)區(qū)域接收到光子的總權(quán)重計(jì)算水生植被的方向反射率。本發(fā)明能較好地模擬不同類型水生植被的冠層結(jié)構(gòu)元素的分布特性，實(shí)現(xiàn)不同冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)、水體組分濃度等條件下水生植被方向反射特性的精確模擬，是研究入射太陽輻射與水生植被冠層相互作用機(jī)理的有力工具。此外本發(fā)明是一種三維計(jì)算機(jī)模擬模型，具有計(jì)算精度高、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以部分地替代野外實(shí)驗(yàn)與其他類型的水生植被冠層反射模型進(jìn)行對比驗(yàn)證。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104699952
【申請?zhí)枴緾N201510045270
【發(fā)明人】周冠華, 牛春躍, 王繼文, 徐武健
【申請人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年1月29日