基于Clamp模型的植被色度值计算机模拟表征

摘要

植被是地表最重要的覆盖类型之一，也是生态系统中最重要的组成成分之一。它与太阳入射光源的辐射传输相互作用，是全球变化的重要环节，影响生态系统的水、气、碳等多种物质的循环,全面掌握植被的生长规律为了解不同尺度的生态系统功能提供了非常有用的帮助。 各国科学家对植被仿真，特别是与人类生存息息相关的农作物仿真进行了大量的研究,提出和发展了不同复杂程度的模型。根据模型所用的理论和假设,冠层反射模型可以分为4种不同的学派:混浊介质模型,几何光学模型,混合模型和计算机模拟模型。 在我国，近年来，人们致力于全球尺度的资源探测和环境问题的系统研究，迫切要求遥感提供大范围的植被状况及其动态变化的数据。植被仿真无疑是一种有效的手段，它能真实直观的反映数据。但在很多时候，模型在应用过程中会产生很多问题，比如说涉及的参数针对性太强，不能适用于多种作物；或者模拟的场景失真，与真实场景不符等等。此外，最需要解决的问题是如何给场景赋予真实的颜色。所谓真实的颜色，是指与太阳光发生相互作用的叶片形成的颜色，并不是平常的仿真中选取的近似颜色。 色度值，即颜色，它的表征或测量是非常复杂的交叉性很强的边缘学科。要将其定量度量，涉及观察者的视觉生理、视觉心理以及照明条件、观察条件等许多问题。 本文的选题也顺应了传统遥感向定量遥感转型这一趋势。定量遥感是利用遥感传感器获取的地表地物的电磁波信息，在先验知识和计算机系统支持下，定量获取观测目标参量或特性的方法与技术。作为新兴的遥感信息获取与分析方法，定量遥感强调通过数学的或物理的模型将遥感信息与观测地表目标参量联系起来，定量地反演或推算出某些地学目标参量。在本文中，需要研究的就是如何将叶片的光谱特性与色度值建立关系，既将色度值定量度量。 本文研究的主要内容如下： （1）选定模型来生成基本场景，要求控制参数少，且都是和农学及遥感应用直接相关的一些参数，能普适、通用地描述各种植被冠层。 （2）将叶片的三维空间坐标点导入到POV-Ray光线跟踪软件中，设置光源和摄像头，对场景进行渲染。 （3）为了达到逼真效果，真实体现透射和反射造成的叶片颜色差异，需要判断太阳光到达叶片发生的是反射作用或者透射作用。 （4）建立叶片光谱特性与色度值的关系，研究如何通过测得的反射率或透射率计算得到叶片的色度值。 遵循上述思路，本文得到的结果是如下： （1）基于通用和近似的原则并通过比较多种植被模型，选取CLAMP模型来生成基本场景。Clamp模型，全名The Clumped Architecture Model of Plants，称为植被丛生构建模型，是一款结构真实模型，即上述四种流派之一的计算机模拟模型。它以简单的三角形来模拟叶片，其特点是输入参数少，且都是和农学以及遥感应用直接相关的参数，可以根据具体的植被类型加以调整，具有较大的灵活性； （2）为了建立叶片光谱特性与色度值的关系进行了野外实测，以玉米叶片为例，测得其反射率与透射率，记录实验时的太阳高度角和方位角，为场景渲染做准备； （3）对于判断叶片是发生反射作用还是透射作用这一步骤，采用的是判断单位法向量正弦相交的方法，这牵涉到叶片与太阳的关系以及叶片与照相机的关系。具体办法是首先计算叶片的单位法向量A，其次计算叶片与太阳光的单位法向量B以及叶片与相机的单位法向量C，计算AB 以及AC的正交值。如果两者皆为同号，那么为反射；反之，为透射； （4）最后，基于色度学相关的理论和原理，建立起叶片光谱特性与色度值的关系，通过实验实测的反射率与透射率计算得到叶片的色度值。这一步骤也涉及到很多参数，比如三刺激值，光谱功率分布，亮度因子等，因此，色度值的计算也是一个比较复杂的过程。 分析结果可以发现：目标植被模拟结果与观测真实场景相比较，本文的方法不仅较好达到观测的实用、稳定、实时和高效生成的功效，同时，消除了遥感数据随机误差和无用信息带来的干扰影响。对植被模型参数值和状态变量初始值重新调整的效果还取决于被调参数的选择。如果被调参数不太多，给定取值范围较小，则调整效果较好。因此，这种基于遥感数据的植被仿真模拟方法比较理想。颜色，原本属于物理学的范畴，但由于其应用的广泛性和多样性，最后逐渐发展成为一门独立的学科，称之为色度学。将色度学应用到植被仿真中，这是本文新颖的一点；建立叶片光谱特性与色度值的唯一对应关系，这也是很有意义的。由于色度值是根据叶片光谱特性计算得到，整个仿真场景也随之具有了辐射作用的表征。但是，本文只是实现了从光谱特性到色度值的正向过程，希望通过以后的学习能实现它的反演。除此之外值得一提的是，叶片的色度值，并不单纯是它的频率在人眼中的反映，它还牵涉到叶片内部结构及其生化参数等，比如水份、叶绿素、胡萝卜素等。叶片在不同的生长期，内部物质含量的不同会引起叶片色度值的改变。对这一关系有一个模型可以很好的说明，这就是Prospect模型。它是一个基于Allen 平板模型的辐射传输模型，它可以表述植株叶片从4,00nm到2500nm的光学特性。它的主要参数包括光谱的折射指数n和叶片的叶肉构造参数N、色素浓度Ca+b、水含量Cw以及相应的特定光谱吸收系数（Ka+b和Kw），通过这一模型可以获得一定的精度的叶片反射率和透射特性。结合这个模型来看，如果一旦实现色度值的反演，那么通过色度值直接获得植被的内部参数也是有可能的，这对大规模掌握植被的生长情况和规律是非常有意义的。针对植被结构本身的复杂性、分布生长的随机性，对植被结构的定义、描述、定量表征会是一种很有效及有力的手段。