一种水生植被-大气耦合辐射传输模型

摘要

本发明涉及一种水生植被—大气耦合辐射传输模型。其步骤如下：将水生植被分为两层；将植被冠层结构参数、观测几何、单个叶片反射率与透过率等输入到Suits模型，计算植被冠层的消光及散射系数；将水体组分浓度输入水体光学模型，计算水体的消光及散射系数；利用观测几何、风速等条件以及水体、植被冠层的消光及散射系数，计算水生植被的二向光谱反射特性；将水生植被的反射光谱作为下边界条件，与相关大气参数一起输入到MODTRAN模型，计算卫星入瞳辐亮度。本发明能实现对不同水生植被类型与结构参数、水体组分浓度、太阳照射与观测几何等情形下，水生植被冠层反射光谱与表观辐亮度的模拟，是实现湿地生态系统植被与水环境参数精确遥感反演的前提与基础。

说明书

（一）所属技术领域

本发明涉及一种水生植被-大气耦合辐射传输模型，属于光学遥感领域，在湿地遥感技术研究和定量化应用方面具有重要意义。 

（二）背景技术

自然界的浅水水域（湖泊、河流、湿地等）生长的水生植被可以分为：挺水植被与沉水植被。相对水体，水生植被具有相对较高的反射率以及明显的光谱反射特征，因此水生植被的存在会对光学浅水遥感信号产生显著的影响。因此，科学认识水生植被的光谱反射特性及二向反射特性，对水生植被的遥感监测、浅水水域水质参数反演等具有非常重要的意义。 

为了从遥感影像中获取水生植被以及水体的信息，需要对太阳辐射在水生植被-大气耦合系统中的传输过程有深入的了解。太阳辐射经地表物体反射后被卫星传感器接收的过程中，两次经过大气层。因此在遥感影像定量化应用的过程中必须考虑大气的影响，并对大气效应予以精确校正。 

关于植被冠层二向反射特性、水体光谱反射特性的研究在国内外已经取得了长足的发展。但水生植被反射特性、水生植被-大气耦合系统辐射传输特性的研究相对较少。这主要是由于影响水生植被-大气耦合系统中辐射传输的因素较多，现场原位测量比较困难，水面的波动、水生植被的非均匀分布、大气状况的非均匀分布以及动态变化等都能引起较大误差，难以通过实验精确测量。以往的诸多相关研究多侧重于水生植被反射光谱的测量；或者构建水体-大气耦合辐射传输模型，不考虑水生植被的影响。实际上水生植被的存在会显著影响水体的反射光谱与方向反射特性，水生植被的反射特性与陆地植被也具有明显的差异。随着高空间分辨率、高光谱分辨率的新型卫星传感器不断投入使用，研究辐射在水生植被-大气耦合系统中的传输规律，对水生植被的遥感监测与参数反演具有重要的意义以及应用价值。 

（三）发明内容

本发明涉及一种水生植被-大气耦合辐射传输模型。技术解决方案是：将水生植被分为两层；将植被冠层结构参数、观测几何、单个叶片反射率与透过率等条件输入到Suits植被冠层辐射传输模型，计算植被冠层对辐射的消光及散射系数；将水体组分（叶绿素、悬浮物质、有色可溶有机物）浓度输入水体模型，计算水体对辐射的消光及散射系数；利用观测几何、风速等条件以及水体、植被冠层对辐射的消光及散射系数，计算水生植 被的二向光谱反射特性；将水生植被的反射光谱作为下边界条件，与大气参数一起输入到MODTRAN大气辐射传输模型，计算表观辐亮度。其具体步骤如下： 

1 一种水生植被-大气耦合辐射传输模型。其特征在于包含以下步骤： 

（1）将水生植被分为两层； 

（2）将植被冠层结构参数、观测几何、单个叶片反射率与透过率等条件输入到Suits植被冠层辐射传输模型，计算植被冠层对辐射的消光及散射系数； 

（3）将水体组分（叶绿素、悬浮物质、有色可溶有机物）浓度输入光学水体模型，计算水体对入射辐射的消光及散射系数； 

（4）利用观测几何、风速等条件以及水体、植被冠层对辐射的消光及散射系数，计算水生植被冠层的二向光谱反射特性； 

（5）将水生植被的反射光谱作为下边界条件，与大气参数一起输入到MODTRAN大气辐射传输模型，计算表观辐亮度。 

2 根据权利1要求所述的一种水生植被-大气耦合辐射传输模型，其特征在于：步骤（1）中所述的“将水生植被分为两层”，具体计算过程如下：根据水生植被高度与水深的相对关系，将水生植被分为挺水植被与沉水植被两类，其中挺水植被以水面为界分为两层，沉水植被以冠层顶部为界分为两层，每层皆可视作混合均匀、光学特性均一的介质。 

3 根据权利1要求所述的一种水生植被-大气耦合辐射传输模型，其特征在于：步骤（2）中所述的“将植被冠层结构参数、观测几何、单个叶片反射率与透过率等条件输入到Suits植被冠层辐射传输模型，计算植被冠层对辐射的消光及散射系数”，具体计算过程如下：将植被冠层结构参数、观测几何、单个叶片反射率与透过率等条件输入到Suits植被冠层辐射传输模型，计算植被冠层对辐射的消光及散射系数。 

4 根据权利1要求所述的一种水生植被-大气耦合辐射传输模型，其特征在于：步骤（3）中所述的“将水体组分（叶绿素、悬浮物质、有色可溶有机物）浓度输入水体光学模型，计算水体对入射辐射的消光及散射系数”，其计算过程如下： 

第一步：计算水体各组分及总的吸收与后向散射系数 

a_w(λ)=a_pw(λ)+a_chla(λ)+a_TSM(λ)+a_CDOM(λ) 

b_bw(λ)=b_bpw(λ)+b_bchla(λ)+b_bTSM(λ) 

其中，a_w(λ)为水体的吸收系数，b_bw(λ)为水体的后向散射系数，λ为波长。下标中，pw代表纯水，chla代表浮游植物，TSM代表悬浮物质，CDOM代表有色可溶有机物。 

第二步：计算水体对介质层消光与散射系数的贡献 

α_w=b_bw+δa_w

σ_w=b_bw

c_w=b_bwsecθ_s

$c_w^{\text{'}}=b_{\mathrm{bw}}{\sec \theta }_s$

k_w=(a_w+b_bw)secθ_s

K_w=(a_w+b_bw)secθ_o

v_w=b_bwsecθ_o

u_w=b_bwsecθ_o

w_w=b_bwsecθ_ssecθ_o

其中，α是漫射辐射的衰减系数，σ是漫射辐射的后向散射系数，c、c′分别是太阳直射辐射的后向散射系数、前向散射系数，v、u、w分别是下行漫射辐射、上行漫射辐射、太阳直射辐射散射到观测方向的散射系数，k、K分别是太阳直射辐射、观测方向等效辐射的消光系数，下标w代表水体的贡献。θ_s、θ_o分别是太阳天顶角与观测天顶角，δ为经验系数，取值1.4。 

5 根据权利1要求所述的一种水生植被-大气耦合辐射传输模型，其特征在于：步骤（4）中所述的“利用观测几何、风速等条件以及水体、植被冠层对辐射的消光及散射系数，计算水生植被的二向光谱反射特性”，具体计算过程如下： 

第一步：对于水体与植被混合介质，将水体对介质消光及散射系数的贡献乘以水体在混合介质中的体积比，再与植被贡献相加。 

第二步：根据Cox-Munk模型计算波浪水面的二向反射分布函数 

其中，为二向反射分布函数。ω、ω_t分别为入射角及折射角，r(ω)、为以ω入射时的菲涅尔反射率，β为波浪面元倾角，为波浪坡度概率，S(θ_s,θ_o,σ²)为遮挡因子。 

第三步：根据改进的Suits模型计算水生植被的二向反射率。 

6 根据权利1要求所述的一种水生植被-大气耦合辐射传输模型，其特征在于：步骤（5）中所述的“将水生植被的反射光谱作为下边界条件，与大气参数一起输入到MODTRAN大气辐射传输模型，计算表观辐亮度”，具体计算过程如下 

第一步：将大气参数与水生植被的光谱反射率写入MODTRAN的输入文件； 

第二步：调用MODTRAN，计算表观辐亮度。 

本发明与现有技术相比的优点在于： 

（1）目前学术界缺乏描述水生植被与大气耦合系统中辐射传输特性的模型，本发明填补了这一领域的空白，具有显著的创新性，丰富了水色与大气遥感理论。 

（2）本发明利用水生植被辐射传输模型与MODTRAN大气辐射传输模型，相比于半经验模型，本发明具有物理概念清晰、计算方便、速度快的特点，并且具有可靠的精度保证。 

（四）附图说明

图1为本发明的技术流程。图2为基于本发明的模型模拟的水生植被冠层反射率，其中，图2-(a)：水体深度对水生植被反射光谱的影响（植被高0.2m,水深0.21m-0.27m）；2-(b)：水体深度对水生植被反射光谱的影响（植被高0.2m,水深0.27m-1.20m）；2-(c)：水植被的表观辐亮度（植被高0.5m,水深0.2m）；2-(d)：沉水植被的表观辐亮度（植被高0.2m,水深0.3m）。 

（五）具体实施方式

为了更好地说明本发明涉及的一种水生植被-大气耦合辐射传输模型，利用本发明的模型进行了测试与分析，取得了良好的效果，具体实施方法如下： 

（1）将水生植被系统分为两层； 

（2）将单个叶片反射率及透过率，与植被冠层结构参数、观测几何等，输入到Suits模型，计算植被冠层对辐射的消光与散射系数； 

（3）将水体组分（叶绿素、悬浮物质、有色可溶有机物）浓度输入水体模型，计算水体对辐射的消光及散射系数； 

（4）利用观测几何、风速等条件以及水体、植被冠层对辐射的消光及散射系数，计算水生植被的二向光谱反射特性； 

（5）将水生植被的反射光谱作为下边界条件，与大气参数一起输入到MODTRAN大气辐射传输模型，计算表观辐亮度。 

实验结果如图2所示，基于本发明的模型，可以定量探讨水深对水生植被反射光谱的影响，以及挺水植被、沉水植被在一定大气条件下的表观辐亮度。