一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型

摘要

本发明涉及一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型。其步骤如下：根据输入的冠层结构参数生成水生植被场景；将空间划分为均匀栅格，建立辅助数据结构；建立波浪水面散射方向查找表；将天球按照等角度或等立体角划分为若干区域；在水生植被-水体耦合系统中追踪给定数量的光子包；根据每个区域接收到光子的总权重计算水生植被的方向反射率。本发明能较好地模拟不同类型水生植被的冠层结构元素的分布特性，实现不同冠层结构参数、水体组分浓度等条件下水生植被方向反射特性的精确模拟，是研究入射太阳辐射与水生植被冠层相互作用机理的有力工具。此外本发明是一种三维计算机模拟模型，具有计算精度高、适用性强等优点，可以部分地替代野外实验与其他类型的水生植被冠层反射模型进行对比验证。

说明书

(一)所属技术领域

本发明涉及一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型，属于光学遥感领域，在湿地遥感技术研究和遥感辐射传输机理分析方面具有重要意义。

(二)背景技术

湿地水生植被按照其生长习性可以分为：挺水植被、浮水植被及沉水植被三类。相对水体与陆地植被，水生植被区域水体与植被冠层的反射信号会相互影响，因此水生植被冠层会表现出一些比较独特的反射特征，这是传统的陆地植被冠层模型或水体模型难以精确描述的。科学认识水生植被的光谱反射特性及二向反射特性，对水生植被区域的遥感监测、水质参数反演等应用具有非常重要的意义。

水生植被区域由于不同种类的植被及水体交错分布，深度不大但是水底多淤泥，因此难以涉足，野外实验与调查具有诸多困难。此外，水生植被的反射光谱受到水体与植被冠层的影响，实验中需要测量的辅助参数较多，不确定性也比较大。由于水生植被反射光谱的现场原位测量比较困难，以及水生植被的非均匀分布等造成的实验误差难以精确描述，水生植被中的辐射传输机理及方向反射特性的研究相对较少。已有的少量水生植被冠层模型往往采用了各种简化处理方法，且缺少系统的模型验证。

基于地物场景的蒙特卡洛模型作为一种计算机模型，已经在植被冠层的建模与验证中得到了广泛的应用。这种蒙特卡洛模型既可以比较真实地反映地物的特性，具有较高精度；其参数又可以控制，相对野外实验，不确定性要小。因此常用于辐射传输模型等其他冠层模型的对比验证。但是针对水生植被的蒙特卡洛模型很少见诸报道。

本发明采用随机分布的三角形叶片，利用水面散射方向查找表模拟波浪水面，采用均匀栅格的加速方法，构建一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型，对于湿地遥感中正确计算水生植被的方向反射特性，实现水生植被辐射传输机理的研究与方向反射特性的分析具有重要的研究意义。

(三)发明内容

本发明涉及一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型。技术解决方案是：根据输 入的冠层结构参数生成水生植被场景；将空间划分为均匀栅格，建立辅助数据结构；建立波浪水面散射方向查找表；将天球按照等角度或等立体角划分为若干区域；在水生植被—水体耦合系统中追踪给定数量的光子包；根据每个区域接收到光子的总权重计算水生植被的方向反射率。其具体步骤如下：

1一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型。其特征在于包含以下步骤：

(1)根据输入的冠层结构参数生成水生植被场景；

(2)将空间划分为均匀栅格，建立辅助数据结构；

(3)建立波浪水面散射方向查找表；

(4)将天球按照等角度或等立体角划分为若干区域；

(5)在水生植被—水体耦合系统中追踪给定数量的光子包；

(6)根据每个区域接收到光子的总权重计算水生植被的方向反射率。

2根据权利1要求所述的一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于：步骤(1)中所述的“根据输入的冠层结构参数生成水生植被场景”，具体计算过程如下：

第一步：根据水生植被类型将场景分层，以等边三角形代替植物叶片，根据输入的场景尺寸、叶面积指数、叶片边长、场景分层等信息计算每层介质中叶片的个数。

第二步：根据输入的叶倾角分布参数，按照SAIL模型计算叶片叶倾角的累积概率分布函数。

第三步：在场景内随机生成叶片重心位置，根据叶倾角累积概率分布函数生成叶片叶倾角。之后可以计算叶片三个顶点的坐标、叶片法向量等数据。

3根据权利1要求所述的一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于：步骤

(2)中所述的“将空间划分为均匀栅格，建立辅助数据结构”，具体计算过程如下：

第一步：根据栅格数与叶片数的关系计算x、y、z三个方向上的栅格个数及栅格尺寸；

第二步：根据叶片在x、y、z三个方向上坐标的最小值与最大值，建立每个栅格与位于其中的叶片编号的映射关系。

4根据权利1要求所述的一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于：步骤

(3)中所述的“建立波浪水面散射方向查找表”，其计算过程如下：

第一步：按照1°天顶角间隔与1°方位角间隔对天球进行划分；

第二步：根据波浪水面的二向散射分布函数(包括反射及透射)及能量守恒定律

计算不同入射角情况下，波浪水面出射能量的分布。其中，θ_s、分别为入射天顶 角及方位角；θ_o、分别为观测天顶角及方位角；f为波浪水面的二向反射分布函数或二向透射分布函数。入射天顶角的取值范围是0°(竖直向上，从水中入射)到180°(竖直向下，从空气中入射)。

第三步：将计算出的出射能量分布进行归一化并删除较小的增量，建立出射能量的累积概率分布函数。

5根据权利1要求所述的一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于：步骤(4)中所述的“将天球按照等角度或等立体角划分为若干区域”，具体计算过程如下：根据研究问题的需要将上半球空间按照等角度间隔或者等立体角间隔等进行划分；

6根据权利1要求所述的一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于：步骤(5)中所述的“在水生植被—水体耦合系统中追踪给定数量的光子包”，具体计算过程如下：

第一步：在场景顶部随机生成入射光子的初始位置，光子的初始入射方向根据直射光与漫射光的比例、太阳方向及天空光分布模型确定；

第二步：光子在步骤(2)建立的栅格中进行传播，并与当前栅格中的三角形叶片进行相交判断：若光子不与当前栅格中的所有叶片相交则继续移动到下一个栅格；若光子与当前栅格中的叶片相交，则寻找与光子当前位置最近的交点，并根据叶片的反射率、透过率及吸收系数计算光子被叶片拦截后的出射方向及权重的变化。当光子穿过水面时，根据步骤(3)中建立的波浪水面散射方向查找表确定光子的出射方向。当光子传播到场景的四周边界时，将光子移动到当前边界面的对侧继续进行传播。当光子传播到水底(假设为朗伯体)时，根据水底的反射率计算光子的权重变化及反射方向。

第三步：当光子从场景顶部出射或者权重小于给定阈值时进行如下处理：对于前者，需要根据光子的出射方向确定其落入的上半球空间的区域；对于后者，需要利用轮盘确定接下来是增大当前光子的权重并继续跟踪，还是停止当前光子的跟踪并生成一个新的光子。

7根据权利1要求所述的一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于：步骤(6)中所述的“根据每个区域接收到光子的总权重计算水生植被的方向反射率”，具体计算过程如下：出射方向的反射率可以表示为

r＝πW_o/(dΩ_oW_s)

其中，dΩ_o是出射方向对应天球区域的投影立体角，W_s是入射光子的总权重，在观测方向对应区域内的出射光子总权重为W_o。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)目前学术界缺乏针对水生植被(挺水植被、浮水植被、沉水植被)方向反射特性的蒙特卡洛模型，本发明填补了这一领域的空白，并且可以用于水生植被辐射传输模型等其他冠层模型的对比验证，具有显著的创新性。

(2)本发明利用三角形代表植被冠层中的叶片，考虑了叶片光学特性、波浪水面与水体中的光学活性组分的影响，相比于辐射传输模型，本发明的模型更接近真实地表场景，通过模拟辐射在水生植被冠层与水体中的传播过程计算方向反射率，具有可靠的精度。

(四)附图说明

图1是本发明的技术流程图。图2是不同叶倾角分布、入射天顶角条件下，基于本发明模型计算得到的水生植被二向反射特性。

(五)具体实施方式

为了更好地说明本发明涉及的一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型，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)根据输入的冠层结构参数生成水生植被场景；

(2)将空间划分为均匀栅格，建立辅助数据结构；

(3)建立波浪水面散射方向查找表；

(4)将天球按照等角度或等立体角划分为若干区域；

(5)在水生植被—水体耦合系统中追踪给定数量的光子包；

(6)根据每个区域接收到光子的总权重计算水生植被的方向反射率。

实验结果如图2所示，基于本发明的模型，可以定量探讨叶倾角分布、入射天顶角等因素对水生植被二向反射特性的影响。