一种陆地植被冠层偏振反射建模方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
(一)
本专利技术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)
技术介绍
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。本专利技术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)
技术实现思路
本专利技术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θs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δδ=δmaxsin2γ1+cos2γ]]>其中δmax为特定太阳天顶角时的最大偏振度，计算方法为δmax=0.56+0.0730θs]]>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θv为观测天顶角，为观测方位角；②计算偏振菲涅尔反射系数FF(α,n)＝κsrs2-κprp2其中rs为反射光垂直于入射面的分量，rp为反射光平行于入射面的分量，计算方法为rs=cosα-n2-sin2αcosα+n2-sin2αrp=n2cosα-n2-sin2αn2cosα+n2-sin2α]]>其中α为入射角，n为被测目标和空气的折射率比；κs和κp分别为垂直分量和平行分量占总能量的比例，且κs+κp＝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θhθh=cos-1(cosθs+cosθv2cosα)]]>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E1=2cosθhcosθvcosαE2=2cosθhcosθscosα]]>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ρleafp其中nl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ρsoilpρsoilp=Aexp(-tanα)F(α,ns)4(cosθs+cosθv)]]>其中ns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，ps(z)·pv(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(Ωs)和G(Ωv)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zz=H-HNi]]>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。本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，分别建立单个叶片和下垫面土壤的偏振反射率模型；(4)对植被冠层进行等间距垂向分层，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。

【技术特征摘要】
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，分别建立单个叶片和下垫面土壤的偏振反射率模型；
(4)对植被冠层进行等间距垂向分层，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.根据权利1要求所述的一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，其特征在于：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θs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
其中δmax为特定太阳天顶角时的最大偏振度，计算方法如下：
。
3.根据权利要求1所述的一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，其特征在于：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如下
其中θv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)＝κsrs2-κprp2其中rs为反射光垂直于入射面的分量，rp为反射光平行于入射面的分量，计算方法为
其中α为入射角，n为被测目标和空气的折射率比；
κs和κp分别为垂直分量和平行分量占总能量的比例，且κs+κp＝1。
4.根据权利要求1所述的一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，其特征在于：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，分别建立单个叶片和下垫面土壤的偏振反射率模型”...

【专利技术属性】
技术研发人员：周冠华，杨文娜，徐武健，谭玉敏，张悦，马中祺，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11