一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法，包含以下步骤：(1)读入光源、大气场景和地表场景的输入参数，并对大气输入参数进行计算处理；(2)从光源向场景内发射一个光子，根据步骤(1)的计算结果模拟光子行进的距离，确定碰撞点位置；(3)在碰撞点更新光子位置、方向和能量信息，收集能量贡献；(4)根据光子位置，计算光子下一步去向，继续追踪光子，直到满足终止条件；(5)发射新光子，重复追踪过程，在达到设定的光子数量之后，得到收敛的大气顶辐亮度结果。该方法通过追踪光子方向和位置信息来模拟地表与大气辐射传输耦合，更加贴近实际情况，进而更精确的模拟大气对地表辐射传输信号的影响。

A simulation method of coupling radiation between atmosphere and three-dimensional surface based on photon tracing

【技术实现步骤摘要】
一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法
本专利技术涉及定量遥感模拟领域，尤其涉及一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法。在定量分析大气耦合对遥感信号的影响以及地表植被生态学等研究方面具有重要意义。
技术介绍
遥感测量是通过传感器远程接收来自地物的电磁辐射信息来探究地物状态的重要信息获取工具，获取地表物体的方向性反射率等特征信息能够得到丰富的物体结构与类别信息。建立三维地表场景模型可以通过修改输入的场景状态参数直接模拟计算场景的反射光谱，对定量化的研究地表场景三维结构对遥感信号的影响具有重要意义。而对于遥感观测来说，地球大气对信号的影响是一个无法忽略的关键问题。地表场景在特定观测角度上的反射率特性，一定程度上取决于当前的大气条件。现在主要采取的方法是使用大气顶部的遥感信号经过大气校正，得到地表场景顶部高度处的光谱信号。但这需要对大气状况做各种近似假设，而这些关于大气状况的假设在非典型情况下会带来很大的误差；另一方面，现有的大气耦合模型多采取将地表场景和大气的贡献累计在大气底部高度，再通过计算有限次相互作用的方法模拟地表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法，其特征在于，它包含以下步骤：/n(1)读入光源、大气场景和地表场景的输入参数，并对大气输入参数进行计算处理；/n(2)从光源向场景内发射一个光子，根据步骤(1)的计算结果模拟光子行进的距离，并确定碰撞点位置；/n(3)在碰撞点更新光子位置、方向和能量信息，并收集光子对传感器的能量贡献；/n(4)根据光子位置，计算光子下一步去向，继续追踪光子直到到达终止条件；/n(5)从光源发射新光子，重复追踪过程，在达到设定的光子数量之后，得到收敛的大气层顶辐亮度结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法，其特征在于，它包含以下步骤：
(1)读入光源、大气场景和地表场景的输入参数，并对大气输入参数进行计算处理；
(2)从光源向场景内发射一个光子，根据步骤(1)的计算结果模拟光子行进的距离，并确定碰撞点位置；
(3)在碰撞点更新光子位置、方向和能量信息，并收集光子对传感器的能量贡献；
(4)根据光子位置，计算光子下一步去向，继续追踪光子直到到达终止条件；
(5)从光源发射新光子，重复追踪过程，在达到设定的光子数量之后，得到收敛的大气层顶辐亮度结果。


2.根据权利要求1所述的一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法，其特征在于：所述模拟方法的步骤(1)为读入光源、大气场景和地表场景的输入参数，并对输入参数进行计算处理：
三维地表场景使用几何面片组合的方法进行描述，使用三维坐标描述每个三角形或圆形的大小、位置和朝向信息，同时输入每个面片的高光谱的反射率和透射率信息；使用几何面片的拼接可以描述任意复杂程度的三维地表场景；
由于地球大气的垂直异质性，三维地表场景上方的大气建模成不等间隔的12个高度分层，每一个分层内的大气水平均匀并具有相应的光学参数；对于每个高度处的大气，按类型分类为大气分子，气溶胶和云；分别输入各个模拟波段每个分层处大气分子，气溶胶和云的消光系数和单次散射反照率；对应输入气溶胶和云的双Henyey-Greenstein非对称参数描述其散射相函数；
太阳作为大气与三维地表耦合场景的入射光源，其输入的几何参数包括太阳天顶角和方位角，光源设置在大气层顶部，其大小和下方地表三维场景的边界大小保持相同；输入的光谱参数为入射太阳光能量光谱分布；
对输入的大气光学参数进行预处理；使用瑞利散射生成大气分子散射相函数查找表；对应不同波段和不同高度分层使用双Henyey-Greenstein参数计算云和气溶胶的散射相函数查找表；
根据大气高程调整每个大气分层实际分层高度；
对每一个波段，每一高度位置处的不同大气组分的吸收系数、单次散射反照率、散射相函数查找表进行等效合成；并分别储存作为后续模拟过程直接使用的计算参数。


3.根据权利要求1所述的一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法，其特征在于：所述模拟方法的步骤(2)为从光源向场景内发射一个光子，根据步骤(1)的计算结果模拟光子行进的距离，并确定碰撞点位置：
光源面设置在大气层顶部，使用均匀随机数在光源面上随机确定每个光子的起始位置，光子的方向由输入的太阳天顶角和方位角确定，而每个光子的初始能量由输入光谱参数决定：



公式中N是拟追踪的光子个数，S表示模拟场景的底面积，λ为当前模拟的波长；
光子进入场景后，将首先进入大气模块，按设定的初始方向沿直线传播；光线在场景中行进的距离的计算方法则将根据光子所处位置确定；
后续传播过程中，若光子在大气之中，则按高度分层找到当前位置的消光系数，计算得到自由路径；光子在大气中行进的自由路径S由随机数和所在层的消光系数共同决定：



rand是0到1之间的均匀随机数,βatm是在步骤(1)中计算得到的当前位置处的大气等效消光系数，iz表示光子当前所在大气分层，λ是当前模拟的波长；在行进自由路径S之后，光子与大气组分发生碰撞；
若光子在地表场景之中，则模拟光子按当前方向传播直到与几何面片发生碰撞，根据三角形或圆片的三维坐标进行几何求交，计算得到光线碰撞的三角形或圆片编号以及碰撞点位置。

【专利技术属性】
技术研发人员：赵峰，范崇睿，倪前前，
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