一種通用的水生植被輻射傳輸模型的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種通用的水生植被輻射傳輸模型。其步驟如下：將整個(gè)水生植被系統(tǒng)分為若干均勻混合、水平光學(xué)特性一致的介質(zhì)層；將植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)、觀(guān)測(cè)幾何等條件，與PROSPECT模型計(jì)算得到的單個(gè)葉片反射率與透過(guò)率輸入到SAIL模型，計(jì)算植被冠層對(duì)輻射的消光與散射系數(shù)；給定水體組分濃度，基于二類(lèi)水體光學(xué)模型計(jì)算水體的吸收與后向散射系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算水體與植被混合介質(zhì)層的消光與散射系數(shù)；根據(jù)Cox-Munk模型計(jì)算波浪水面對(duì)直射輻射與漫射輻射的散射矩陣；根據(jù)累加法計(jì)算水生植被系統(tǒng)的二向反射率。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)對(duì)水生植被反射光譜與方向反射特性的精確描述，是實(shí)現(xiàn)輻射與水生植被相互作用機(jī)理研究和水環(huán)境參數(shù)的精確遙感反演的前提與基礎(chǔ)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種通用的水生植被輻射傳輸模型
(-)所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通用的水生植被輻射傳輸模型，屬于光學(xué)遙感領(lǐng)域，在水色遙感技術(shù)研究和定量化應(yīng)用方面具有重要意義。
(二)【背景技術(shù)】
[0002]自然界的淺水水域(湖泊、河流、濕地、近岸水域等)生長(zhǎng)的水生植被可以分為:挺水植被、浮水植被及沉水植被。相對(duì)水體，水生植被具有相對(duì)較高的反射率以及明顯的光譜反射特征，因此水生植被的存在會(huì)對(duì)光學(xué)淺水遙感信號(hào)產(chǎn)生顯著的影響。因此，科學(xué)認(rèn)識(shí)水生植被的光譜反射特性及二向反射特性，對(duì)水生植被的遙感監(jiān)測(cè)、淺水水域水質(zhì)參數(shù)反演等具有非常重要的意義。
[0003]反射光譜與二向性反射是自然界中物體對(duì)電磁波反射的基本宏觀(guān)現(xiàn)象，即反射與波長(zhǎng)有關(guān)，具有方向性，這些特性與物質(zhì)組成、物體表面結(jié)構(gòu)等具有密切的關(guān)系。不同物體表面將入射的電磁波朝四面八方散射(除吸收外)，形成散射通量不同的空間分布，反射的方向性是其空間結(jié)構(gòu)特征與材料波譜特征的函數(shù)。物體的反射特性通常用二向性反射分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF)加以精確描述。
[0004]大量事實(shí)與研究表明，水生植被的存在會(huì)影響淺水水體的反射光譜特性與二向反射特性。植被的二向反射特性及水體的光譜反射特性研究在國(guó)內(nèi)外取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，并發(fā)展出一些比較成熟的植物冠層方向反射模型以及淺水水體反射模型。但水生植被二向反射特性的研究相對(duì)較少。這主要是由于影響水生植被光譜方向性的因素較多，現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量比較困難，水面的波動(dòng)、水生植被的非均勻分布等都能引起較大誤差，難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量。以往的諸多相關(guān)研究多側(cè)重于水生植被反射光譜的測(cè)量，多針對(duì)沉水植被或某些特定植被，而不考慮水生植被反射的方向性。實(shí)際上水生植被的存在會(huì)顯著影響水體的反射光譜與方向反射特性，水生植被的反射特性與陸地植被也具有明顯的差異，因此需要對(duì)真實(shí)的水生植被的反射特性進(jìn)行合理地描述。
[0005]本發(fā)明借鑒典型的陸地植被冠層模型(SAIL模型)、PROSPECT葉片輻射傳輸模型、Cox-Munk波浪水面模型、二類(lèi)水體光學(xué)模型，構(gòu)建一種通用的水生植被輻射傳輸模型，對(duì)于淺水遙感中正確計(jì)算水生植被的反射光譜與方向反射特性，實(shí)現(xiàn)水生植被的遙感監(jiān)測(cè)與參數(shù)反演具有重要的意義以及應(yīng)用價(jià)值。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明涉及一種通用的水生植被輻射傳輸模型。技術(shù)解決方案是:將整個(gè)水生植被系統(tǒng)分為若干層，使得每層皆可視為均勻混合、水平光學(xué)特性一致的介質(zhì)層；將植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)、觀(guān)測(cè)幾何等條件，與PROSPECT模型計(jì)算得到的單個(gè)葉片反射率與透過(guò)率輸入到SAIL模型，計(jì)算植被冠層對(duì)輻射的消光與散射系數(shù)；給定水體組分(葉綠素、非藻類(lèi)顆粒物、有色可溶有機(jī)物)濃度，基于二類(lèi)水體模型計(jì)算水體的吸收與后向散射系數(shù)，并根據(jù)需要計(jì)算水體與植被混合介質(zhì)層的消光與散射系數(shù)；根據(jù)SAIL模型計(jì)算介質(zhì)層對(duì)直射輻射與漫射輻射的散射矩陣；根據(jù)Cox-Munk模型計(jì)算波浪水面對(duì)直射輻射與漫射輻射的散射矩陣；根據(jù)累加法計(jì)算水生植被系統(tǒng)的二向反射率。其具體步驟如下:
[0007]I —種通用的水生植被輻射傳輸模型。其特征在于包含以下步驟:
[0008]( I)將整個(gè)水生植被系統(tǒng)分為若干層；
[0009](2)將植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)、觀(guān)測(cè)幾何等條件，與PROSPECT模型計(jì)算得到的單個(gè)葉片反射率與透過(guò)率輸入到SAIL模型，計(jì)算植被冠層對(duì)輻射的消光與散射系數(shù)；
[0010](3)基于二類(lèi)水體模型計(jì)算水體的吸收與后向散射系數(shù)，并根據(jù)需要計(jì)算水體與植被混合介質(zhì)層的消光與散射系數(shù)；
[0011](4)根據(jù)SAIL模型計(jì)算介質(zhì)層對(duì)直射輻射與漫射輻射的散射矩陣；
[0012](5)根據(jù)Cox-Munk模型計(jì)算波浪水面對(duì)直射輻射與漫射輻射的散射矩陣；
[0013](6)根據(jù)累加法計(jì)算水生植被系統(tǒng)的二向反射率。
[0014]2根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種通用的水生植被輻射傳輸模型，其特征在于:步驟
(1)中所述的“將整個(gè)水生植被系統(tǒng)分為若干層”，具體計(jì)算過(guò)程如下:根據(jù)水生植被系統(tǒng)豎直方向上光學(xué)特性的變化，將系統(tǒng)分為水體、植被冠層、水體與植被混合層三類(lèi)介質(zhì)，分層要足夠精細(xì)，以使得每層皆可視為均勻混合、水平光學(xué)特性一致的介質(zhì)。
[0015]3根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種通用的水生植被輻射傳輸模型，其特征在于:步驟
(2)中所述的“將植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)、觀(guān)測(cè)幾何等條件，與PROSPECT模型計(jì)算得到的單個(gè)葉片反射率與透過(guò)率輸入到SAIL模型，計(jì)算植被冠層對(duì)輻射的消光與散射系數(shù)”，具體計(jì)算過(guò)程如下:
[0016]第一步:根據(jù)PROSPECT模型計(jì)算單個(gè)葉片的反射率及透過(guò)率；
[0017]第二步:將單個(gè)葉片的反射率及透過(guò)率、葉片冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)、觀(guān)測(cè)幾何等條件輸入SAIL模型，計(jì)算植被冠層對(duì)輻射的消光與散射系數(shù)。
[0018]4根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種通用的水生植被輻射傳輸模型，其特征在于:步驟
(3)中所述的“基于二類(lèi)水體模型計(jì)算水體的吸收與后向散射系數(shù)，并根據(jù)需要計(jì)算水體與植被混合介質(zhì)層的消光與散射系數(shù)”，其計(jì)算過(guò)程如下:
[0019]第一步:計(jì)算水體的吸收與后向散射系數(shù)
[0020]aw ( λ ) -apw ( λ ) +aph ( λ ) +aNAP ( λ ) +aCD0M ( λ )
[0021]bbw(A)=bbpw(A)+bhp(A)
[0022]其中，awO)為水體的吸收系數(shù)，bbwO )為水體的后向散射系數(shù)，λ為波長(zhǎng)。下標(biāo)中，pw代表純水，ph代表浮游植物，NAP代表非藻類(lèi)顆粒物，CDOM代表有色可溶有機(jī)物，P代表顆粒物(包括浮游植物與非藻類(lèi)顆粒物)。
[0023]第二步:計(jì)算水體對(duì)介質(zhì)層消光與散射系數(shù)的貢獻(xiàn)
[0024]a w=bbw+ δ aw
[0025]σ w=bbw
[0026]sw=bbwsec Θ s
[0027]s' w=bbwsec Θ s
[0028]kw= (aw+bbw) sec Θ s
[0029]Kw= (aw+bbw) sec Θ o
[0030]vw=bbwsec Θ。
【權(quán)利要求】
1.一種通用的水生植被輻射傳輸模型。其特征在于包含以下步驟: (1)將整個(gè)水生植被系統(tǒng)分為若干層； (2)將植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)、觀(guān)測(cè)幾何等條件，與PROSPECT模型計(jì)算得到的單個(gè)葉片反射率與透過(guò)率輸入到SAIL模型，計(jì)算植被冠層對(duì)輻射的消光與散射系數(shù)； (3)基于二類(lèi)水體模型計(jì)算水體的吸收與后向散射系數(shù)，并根據(jù)需要計(jì)算水體與植被混合介質(zhì)層的消光與散射系數(shù)； (4)根據(jù)SAIL模型計(jì)算介質(zhì)層對(duì)直射輻射與漫射輻射的散射矩陣； (5)根據(jù)Cox-Munk模型計(jì)算波浪水面對(duì)直射輻射與漫射輻射的散射矩陣； (6 )根據(jù)累加法計(jì)算水生植被系統(tǒng)的二向反射率。
2.根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種通用的水生植被輻射傳輸模型，其特征在于:步驟(1)中所述的“將整個(gè)水生植被系統(tǒng)分為若干層”，具體計(jì)算過(guò)程如下:根據(jù)水生植被系統(tǒng)豎直方向上光學(xué)特性的變化，將系統(tǒng)分為水體、植被冠層、水體與植被混合層三類(lèi)介質(zhì)，分層要足夠精細(xì)，以使得每層皆可視為均勻混合、水平光學(xué)特性一致的介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種通用的水生植被輻射傳輸模型，其特征在于:步驟(2)中所述的“將植被冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)、觀(guān)測(cè)幾何等條件，與PROSPECT模型計(jì)算得到的單個(gè)葉片反射率與透過(guò)率輸入到SAIL模型，計(jì)算植被冠層對(duì)輻射的消光與散射系數(shù)”，具體計(jì)算過(guò)程如下: 第一步:根據(jù)PROSPECT模型計(jì)算單個(gè)葉片的反射率及透過(guò)率； 第二步:將單個(gè)葉片的反射率及透過(guò)率、葉片冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)、觀(guān)測(cè)幾何等條件輸入SAIL模型，計(jì)算植被冠層對(duì)輻射的消光與散射系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種通用的水生植被輻射傳輸模型，其特征在于:步驟(3)中所述的“基于二類(lèi)水體模型計(jì)算水體的吸收與后向散射系數(shù)，并根據(jù)需要計(jì)算水體與植被混合介質(zhì)層的消光與散射系數(shù)”，其計(jì)算過(guò)程如下: 第一步:計(jì)算水體的吸收與后向散射系數(shù) Bw ( λ ) -apw ( λ ) +aph ( λ ) +aNAP ( λ ) +aCD0M ( λ )
bbw(A )=bbpwU )+bbpU ) 其中，awO)為水體的吸收系數(shù)，bbwO )為水體的后向散射系數(shù)，λ為波長(zhǎng)。下標(biāo)中，Pw代表純水，ph代表浮游植物，NAP代表非藻類(lèi)顆粒物，CDOM代表有色可溶有機(jī)物，P代表顆粒物(包括浮游植物與非藻類(lèi)顆粒物)； 第二步:計(jì)算水體對(duì)介質(zhì)層消光與散射系數(shù)的貢獻(xiàn) a w=bbw+ δ aw
σ w=bbw
sw=bbwsec Θ s
s1 w=bbwsec Θ s
kw= (aw+bbw) sec Θ s
Kw= (aw+bbw) sec Θ o
vw=bbwsec θ o
V' w=bbwsec Θ o
ww=bbwsec Θ Ssec Θ。其中，α是漫射輻射的衰減系數(shù)，σ是漫射輻射的后向散射系數(shù)，s、s'分別是太陽(yáng)直射輻射的后向散射系數(shù)、前向散射系數(shù)，、w分別是下行漫射輻射、上行漫射輻射、太陽(yáng)直射輻射散射到觀(guān)測(cè)方向的散射系數(shù)，k、K分別是太陽(yáng)直射輻射、觀(guān)測(cè)方向等效輻射的消光系數(shù)，下標(biāo)w代表水體的貢獻(xiàn)。0s、Θ。分別是太陽(yáng)天頂角與觀(guān)測(cè)天頂角，δ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值1.4 ; 第三步:對(duì)于水體與植被混合介質(zhì),將水體對(duì)介質(zhì)消光及散射系數(shù)的貢獻(xiàn)乘以水體在混合介質(zhì)中的體積比，再與植被貢獻(xiàn)相加。
5.根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種通用的水生植被輻射傳輸模型，其特征在于:步驟(4)中所述的“根據(jù)SAIL模型計(jì)算介質(zhì)層對(duì)直射輻射與漫射輻射的散射矩陣”，具體計(jì)算過(guò)程如下:求解SAIL模型的輻射傳輸方程組
6.根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種通用的水生植被輻射傳輸模型，其特征在于:步驟(5)中所述的“根據(jù)Cox-Munk模型計(jì)算波浪水面對(duì)直射輻射與漫射輻射的散射矩陣”，具體計(jì)算過(guò)程如下 第一步:根據(jù)Cox-Munk模型計(jì)算波浪水面的二向反射分布函數(shù)與二向透射分布函數(shù)
7.根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種通用的水生植被輻射傳輸模型，其特征在于:步驟(6)中所述的“根據(jù)累加法計(jì)算水生植被系統(tǒng)的二向反射率”，具體計(jì)算過(guò)程如下 第一步:根據(jù)累加法計(jì)算被分為多層的水生植被系統(tǒng)的二向反射特性矩陣； 第二步:根據(jù)入射的直射輻射與漫射輻射的比例，計(jì)算水生植被的二向反射率 r= ( P S0Es+ P d0Esky) / (Es+Esky) 其中，P s。、Pd。分別是水生植被系統(tǒng)的二向反射因子、半球-方向反射因子，Es、Esky分別是太陽(yáng)與天空光的輻照度。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103632040SQ201310565983
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】周冠華, 趙慧潔, 牛春躍, 徐武健 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)