一种陆地植被冠层偏振反射建模方法

摘要

本发明涉及一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，其步骤如下：在上半球空间对天空光的散射方向进行采样，构建天空光的偏振度分布模式；依据天空光偏振度的分布模式，计算部分偏振光入射的菲涅尔反射系数；基于几何光学原理，分别计算单个叶片和下垫面土壤的偏振反射率；对冠层进行等间距分层，逐层计算叶片的偏振反射率，土壤单独看作一层，采用累加法计算整个冠层的偏振反射率；分析植被冠层偏振反射率的分布特性。本发明能够实现不同类型植被、太阳位置及观测位置等条件下，陆地植被冠层的偏振反射率特性的精确描述，是分析植被偏振方向反射特性及其影响因素的有效技术方法，可以为地气系统偏振信息解耦提供有效的技术方案。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，属于光学遥感领域，在对植被偏 振反射特性分析和地气偏振信息解耦研究方面具有重要的理论意义和应用价值。

(二)背景技术

偏振探测具有广泛的应用前景，目前大气偏振遥感已经开展了探索性应用，植被偏 振的研究较少。植被偏振信息作为陆地地表偏振信息的重要组成部分，不仅能够直接用 于地表参数反演，而且是实现地气偏振信息解耦的关键，然而，目前已有的植被偏振模 型过于简化，并不能够充分描述植被偏振特性，尤其是忽略了入射天空光的偏振特性， 这在很大程度上制约了植被偏振遥感应用的发展。

本发明首先建立上半球空间的天空光偏振度分布模式，再分别建立植被单个叶片的 偏振反射率模型、下垫面土壤的偏振反射率模型、植被冠层的偏振反射率模型，实现大 气——植被——土壤耦合系统的偏振反射建模方法。冠层的方向反射率分解为单次散射 和多次散射之和，多次散射不具备偏振特性，因此只计算单次散射产生的偏振反射率， 单次散射包括冠层单次散射和土壤单次散射，建模过程中将植被冠层沿竖直方向平均分 为水平方向均一，竖直方向变化的若干层，土壤表面单独看作一层，采用累加法计算得 到整个冠层的偏振反射率；陆地植被偏振反射建模，对于对地遥感中正确计算植被偏振 反射特性，实现陆地植被的分类、参数反演与地气偏振信息解耦具有重要的科学意义与 应用价值。

(三)发明内容

本发明涉及一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，技术解决方案是：在上半球空间 对天空光的散射方向进行采样，构建天空光的偏振度分布模式；依据天空光偏振度的分 布模式，计算部分偏振光入射的菲涅尔反射系数；基于几何光学原理，代入偏振菲涅尔 反射系数，分别构建单个叶片和下垫面土壤的偏振反射率模型；对植被冠层进行等间距 分层，逐层计算叶片的偏振反射率，土壤单独看作一层，采用累加法计算整个冠层的偏 振反射率；分析植被冠层偏振反射率的分布特性。

1一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)在上半球空间对天空光的散射方向进行采样，构建天空光的偏振度分布模式；

(2)依据天空光偏振度的分布模式，计算部分偏振光入射的菲涅尔反射系数；

(3)基于几何光学原理，代入偏振菲涅尔反射系数，分别构建单个叶片和下垫面 土壤的偏振反射率模型；

(4)对冠层进行等间距分层，逐层计算叶片的偏振反射率，土壤单独看作一层， 采用累加法计算整个冠层的偏振反射率；

(5)分析植被冠层偏振反射率的分布特性。

2步骤(1)中所述的“在上半球空间对天空光的散射方向进行采样，构建天空光的偏振度 分布模式”，具体实现过程如下：

①输入太阳入射方向在上半球空间对天空光的散射方向进行等立体角采样， 得到采样点处大气分子的散射方向计算散射角γ

其中θ_s为太阳天顶角，为太阳方位角，θ为散射天顶角，为散射方位角；

②采用半经验瑞利散射模型计算天空光偏振度δ

$\delta ={\delta }_{max}\frac{{\sin }^2\gamma }{1+{\cos }^2\gamma }$

其中δ_max为特定太阳天顶角时的最大偏振度，计算方法为

${\delta }_{max}=0.56+\frac{0.07}{30}{\theta }_s$

3步骤(2)中所述的“依据天空光偏振度的分布模式，计算部分偏振光入射的菲涅尔 反射系数”，具体实现过程如下：

①依据输入的太阳方向和观测方向计算入射角α

其中θ_v为观测天顶角，为观测方位角；

②计算偏振菲涅尔反射系数F

F(α,n)＝κ_sr_s²-κ_pr_p²

其中r_s为反射光垂直于入射面的分量，r_p为反射光平行于入射面的分量，计算方法为

$\left(\begin{array}{c}{r}_s=\frac{cos\alpha -\sqrt{n^2-{\sin }^2\alpha }}{cos\alpha +\sqrt{n^2-{\sin }^2\alpha }}\\ r_p=\frac{n^{2}cos\alpha -\sqrt{n^2-{\sin }^2\alpha }}{n^{2}cos\alpha +\sqrt{n^2-{\sin }^2\alpha }}\end{array}\right)$

其中α为入射角，n为被测目标和空气的折射率比；

κ_s和κ_p分别为垂直分量和平行分量占总能量的比例，且κ_s+κ_p＝1。

4步骤(3)中所述的“基于几何光学原理，代入偏振菲涅尔反射系数，分别构建单个 叶片和下垫面土壤的偏振反射率模型”，具体实现过程如下：

①将叶片表面看作很多准镜面的微面元，计算微面元法线方向的天顶角θ_h

${\theta }_h={\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{cos\theta }}_s+{\mathrm{cos\theta }}_v}{2\cos \alpha }\right)$

叶片镜面反射存在几何影响和面元之间的相互遮挡，计算衰减因子K

其中

$\left(\begin{array}{c}{E}_1=\frac{2{\mathrm{cos\theta }}_h{\mathrm{cos\theta }}_v}{\cos \alpha }\\ E_2=\frac{2{\mathrm{cos\theta }}_h{\mathrm{cos\theta }}_s}{\cos \alpha }\end{array}\right)$

②假设叶片表面的微面元法向服从高斯分布，计算单个叶片的偏振反射率ρ_leafp

其中n_l为植被叶片和空气的折射率比，σ为叶片表面粗糙因子；

③计算下垫面土壤的偏振反射率ρ_soilp

其中n_s为土壤和空气的折射率比，A是与土壤表面粗糙度有关的自由参数。

5步骤(4)中所述的“对冠层进行等间距分层，逐层计算叶片的偏振反射率，土壤单 独看作一层，采用累加法计算整个冠层的偏振反射率”，具体实现过程如下：

①给定地面与冠层顶部间任意位置高度z，计算该位置处的二向孔隙率函数Q

其中H为冠层高度，p_s(z)·p_v(z)是冠层中高度z处能被太阳照亮，同时能由冠层外 自由观测到的联合概率，G(Ω_s)和G(Ω_v)分别为单位面积叶片在太阳入射方向和观测 方向上的投影，S(z)为高度z处的单位叶面积指数；

②将植被冠层沿竖直方向平均分为N层，每层介质的光学特性视为水平方向均一，

竖直方向变化，土壤表面单独看作一层，计算第i个植被单位层的高度z

$z=H-\frac{H}{N}i$

其中N为层数，则第i个植被层对整个冠层的单次散射贡献为

其中为叶倾角分布概率密度函数，Q(z)为第i个植被层处的二向孔隙率函 数；

土壤层对整个冠层的单次散射贡献为

其中Q(H)为冠层底部的二向孔隙率函数；

③分别计算N-1个植被层及下垫面土壤层的偏振反射率，采用累加法计算整个冠层 的偏振反射率。

6步骤(5)中所述的“分析植被冠层偏振反射率的分布特性”，具体实现过程如下：对观 测方向进行等立体角采样，根据设定的地表类型，输入叶片、土壤和冠层光学及结构特 性参数，计算每个采样点的植被冠层偏振反射率，分析偏振反射率在上半球空间的分布 特性。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)目前学术界缺少有效的考虑入射光偏振特性的描述陆地植被偏振反射特性 的技术方法，本发明采用累加法计算叶片和下垫面土壤对整个冠层偏振反 射率的贡献，具有显著的创新性，丰富了植被偏振光学遥感领域的研究。

(2)本发明考虑了大气分子散射作用引起的天空光偏振特性、土壤的粗糙因子 与遮挡效应、植被的空间结构特征等因素，使得模型模拟结果更加接近真 实情况，能适用于不同植被覆盖度下的植被冠层或土壤的偏振特性模拟， 具有良好的应用适用性。

(四)附图说明

图1为本发明的总体技术流程图。

(五)具体实施方式

为了更好地说明本发明涉及的一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，利用本发明的 建模方法进行植被冠层偏振反射特性进行分析。本发明一种陆地植被冠层偏振反射建模 方法，实现流程如图1所示，具体实施步骤如下：

步骤(1)在上半球空间对天空光的散射方向进行采样，构建天空光的偏振度分布 模式：

①输入正午时刻太阳天顶角θ_s和太阳方位角在上半球空间对天空光的散射方向进行 等立体角采样，得到1500个采样点处的散射天顶角θ和散射方位角计算散射角γ

②采用半经验瑞利散射模型计算天空光偏振度δ

$\delta ={\delta }_{max}\frac{{\sin }^2\gamma }{1+{\cos }^2\gamma }$

其中δ_max为特定太阳天顶角时的最大偏振度，当太阳天顶角为30°时，δ_max取值63％， 步骤(2)依据天空光偏振度的分布模式，计算部分偏振光入射的菲涅尔反射系数：

①输入观测天顶角θ_v和观测方位角计算入射角α

②计算偏振菲涅尔反射系数F

F(α,n)＝κ_sr_s²-κ_pr_p²

其中r_s为反射光垂直于入射面的分量，r_p为反射光平行于入射面的分量，计算方法为

$\left(\begin{array}{c}{r}_s=\frac{\cos \alpha -\sqrt{n^2-{\sin }^2\alpha }}{\cos \alpha +\sqrt{n^2-{\sin }^2\alpha }}\\ r_p=\frac{n^2\cos \alpha -\sqrt{n^2-{\sin }^2\alpha }}{n^2\cos \alpha +\sqrt{n^2-{\sin }^2\alpha }}\end{array}\right)$

其中α为入射角，n为被测目标和空气的折射率比；

κ_s和κ_p分别为垂直分量和平行分量占总能量的比例，以自然光入射为例， κ_s＝κ_p＝0.5。

步骤(3)基于几何光学原理，代入偏振菲涅尔反射系数，分别构建单个叶片和下垫 面土壤的偏振反射率模型：

①将叶片表面看作很多准镜面的微面元，计算微面元法线方向的天顶角θ_h

${\theta }_h={\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{cos\theta }}_s+{\mathrm{cos\theta }}_v}{2\cos \alpha }\right)$

叶片镜面反射存在几何影响和面元之间的相互遮挡，计算衰减因子K

其中

$\left(\begin{array}{c}{E}_1=\frac{2{\mathrm{cos\theta }}_h{\mathrm{cos\theta }}_v}{\cos \alpha }\\ E_2=\frac{2{\mathrm{cos\theta }}_h{\mathrm{cos\theta }}_s}{\cos \alpha }\end{array}\right)$

②假设叶片表面的微面元法向服从高斯分布，计算单个叶片的偏振反射率ρ_leafp

其中n_l为植被叶片和空气的折射率比，σ为叶片表面粗糙因子；

③计算下垫面土壤的偏振反射率ρ_soilp

其中n_s为土壤和空气的折射率比，A是与土壤表面粗糙度有关的自由参数。

步骤(4)对冠层进行等间距分层，逐层计算叶片的偏振反射率，土壤单独看作一 层，采用累加法计算整个冠层的偏振反射率：

①给定地面与冠层顶部间任意位置高度z，计算该位置处的二向孔隙率函数Q

其中H为冠层高度，p_s(z)·p_v(z)是冠层中高度z处能被太阳照亮，同时能由冠层外 自由观测到的联合概率，G(Ω_s)和G(Ω_v)分别为单位面积叶片在太阳入射方向和观测 方向上的投影，S(z)为高度z处的单位叶面积指数；

②将植被冠层沿竖直方向平均分为N层，每层介质的光学特性视为水平方向均一， 竖直方向变化，土壤表面单独看作一层，计算第i个植被单位层的高度z

$z=H-\frac{H}{N}i$

其中N为层数，则第i个植被层对整个冠层的单次散射贡献为

其中为叶倾角分布概率密度函数，Q(z)为第i个植被层处的二向孔隙率函 数；

土壤层对整个冠层的单次散射贡献为

其中Q(H)为冠层底部的二向孔隙率函数；

③分别计算N-1个植被层及下垫面土壤层的偏振反射率，采用累加法计算整个冠层 的偏振反射率。

步骤(5)分析植被冠层偏振反射率的分布特性：对观测方向进行等立体角采样，根据 设定的地表类型，输入叶片、土壤和冠层光学及结构特性参数，分别计算每个采样点处太 阳光和天空光入射时的冠层偏振反射率，进行加权求和，最后分析偏振反射率在上半球空 间的分布特性。