一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法，其步骤如下：根据行播植被的几何结构、行向和行距特征构建出水生植被的三维场景，在一垄内叶片均匀分布；模型耦合了植被叶片的光谱模型用于计算叶片的反射率和透过率；耦合了波浪水面反射模型用于计算水面反射和透射分布；耦合了浅水生物光学模型来计算背景水体的吸收系数和散射系数；根据光照分布随机生成大量的入射光子，追踪每个光子在模拟场景中完整的传播过程，记录出射方向，根据出射光子的统计分布计算得到整个水生植被冠层的反射率。该发明专利技术将为水生植被冠层生理生化参数遥感监测提供新的模型工具与技术方法，同时为行播作物的精准化水肥调控管理提供科学依据。供科学依据。供科学依据。

【技术实现步骤摘要】
一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法
(一)所属

[0001]本专利技术涉及一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法，属于光学遥感领域，可以应用于光学遥感成像模拟或其他遥感模型的交叉验证，同时在湿地生态研究和农作物定量化监测应用方面具有重要意义。
(二)
技术介绍

[0002]行播水生植被是农业生产中一种常见的种植结构，在空间结构上呈现出周期性，其三维结构可以较为方便地在计算机中进行表示。三维水生植被场景中由于有水体背景的存在，在该场景中辐射传输的过程相比于陆地植被产生明显的变化，主要是由于为水
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气界面和水体中各种杂质微粒对光线产生的吸收与散射作用。光线在水
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气界面上会产生反射或者是折射，由于在自然界水面并不是完全光滑的，因此无法视为理想的散射或者折射现象。在水体中，光线会与杂质发生交互，从而偏折，造成体散射的效应，这都增加了水生植被遥感建模的复杂性。因此，通过探究场景中每种元素对光线传播产生的影响，进而构建出行播水生植被的遥感模型，即可研究行播水生植被场景中各种生化或者几何参数对植被冠层反射特性的影响，从而更充分地从地面测量或者是卫星图像数据中提取出相应的信息，辅助反演的过程，为水生植被的监测、估产、预警、保护及定量反演提供高效、准确的新途径。同时，基于蒙特卡罗方法的计算机模拟模型被视为一种更加精确的算法，可以作为其他简化模型的验证工具。
[0003]物体的反射特性通常用二向性反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)加以精确描述。本专利技术耦合植物叶片光谱模型、波浪水面反射模型、浅水生物光学模型自动构建出行播水生植被的三维场景，并进一步使用蒙特卡罗光线追踪的方法进行模拟，发展出了一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法，本方法可高效准确模拟植被遥感中水生植被的反射光谱特性与反射方向特性，对实现水生植被的遥感监测与参数反演具有重要意义及应用价值。
(三)
技术实现思路

[0004]本专利技术涉及一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法，其步骤如下：根据行播植被的几何结构、行向和行距特征构建出水生植被的三维场景，假设在垂直于垄行方向上的植被冠层与水体交替排列，在一垄内叶片均匀分布；模型耦合了植被叶片的光谱模型用于计算叶片的反射率和透过率；耦合了波浪水面反射模型用于计算水面反射和透射分布；耦合了浅水生物光学模型来计算水体的吸收系数和散射系数；根据光照分布随机生成大量的入射光子，对于每个随机光子，追踪其在模拟场景中完整的传播过程，若没有被吸收而成功出射出场景，则记录出射方向，即可根据出射光子统计分布计算得到整个水生植被冠层的反射率；探究行播水生植被冠层的反射光谱特性及反射方向特性，其具体步骤如下：
[0005]1一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法，其特征在于包含以下
步骤：
[0006](1)将行播场景认为是在垂直于垄行方向上，植被冠层与水体交替出现，且在一垄内，叶片是均匀分布的等边三角形形成的三维场景。根据行播场景的几何结构，朝向，行向，叶面积指数等参数来自动化地构建出待模拟的场景。适当的调整用于表示叶片的等边三角形的边长，在相同的叶面积指数下，不同的边长会影响到植被场景的孔隙率；
[0007](2)使用植物叶片光谱模型计算单个叶片的反射率及透过率，根据风速和风向参数得到水面反射和折射的概率分布，根据水体参数，使用水体生物光学模型得到水体的吸收系数，散射系数以及散射相函数，并使用得到的结果设置场景中各元素的属性，将所有的叶片均设置为朗伯体；
[0008](3)根据光源的类型和能量分布，采样光子的初始位置和初始方向，并为其设置初始权重，并将该光子发射到植被场景中；
[0009](4)在场景中找到光子与场景中元素的交点，之后根据相交元素的属性，采样新的反射或折射方向，修改相应光子的权重，重新入射到场景中去，并追踪该新产生的光子，当光子权重小于一定范围的时候，则认为该光子被吸收；
[0010](5)将整个出射方向的分布空间视为一个半球空间，并将该半球表面分割为网格，计算每一个网格的面积并为其维护一个累计权重，根据出射出场景光子的方向得到其相对应的网格，并将该光子的权重累加到累计权重上；
[0011](6)在追踪大量的光子后，根据半球网格的上的权重分布和入射光子总权重计算整个水生植被系统的二向反射率。
[0012]2根据权利要求1所述的一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法，其特征在于：步骤(1)中所述的“将行播场景认为是在垂直于垄行方向上，植被冠层与水体交替出现，且在一垄内，叶片是均匀分布的等边三角形形成的三维场景。”；其特征在于，整个场景在空间中是无限延伸的，且在垂直于垄行和平行于垄行的方向上呈现出周期性，在构造阶段，只构造在一个周期内的三维场景，而在模拟的过程中，将整个场景视为构造出的单个场景在垂直和平行于垄行方向上的无限重复，从而模拟出无限扩展场景的效果；在构造一个周期内场景的时候，可以根据输入的周期长度，垄长，水深，植被高度，水上也面积指数，水下叶面积指数，三角形叶片的边长等几何参数自动生成出待模拟场景。
[0013]3根据权利要求1所述的一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法，其特征在于：步骤(2)中所述的“使用植物叶片光谱模型计算单个叶片的反射率及透过率，根据风速和风向参数得到水面反射和折射的概率分布，根据水体参数，使用水体生物光学模型得到水体的吸收系数，散射系数以及散射相函数，并使用得到的结果设置场景中各元素的属性，所有的叶片均设置为朗伯体”的场景元素光学属性设置方法，所包含的具体内容如下：所有的叶片表面均视为朗伯体，耦合PROSPECT计算叶片的反射率和透过率，耦合CoxMunk模型计算水面的双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)和双向透射分布函数(Bidirectional Transmittance Distribution Function,BTDF)，耦合根据海水试验测量结果构造出的水体散射相函数，耦合水体生物光学模型得到水体的吸收系数和散射系数4根据权利要求1所述的一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法，其特征在于：步骤(3)中所述的“根据光源的类型和能量分布，采样光子的初始位置和初始方向，并为其设置初始权重，并将该光子发射到植被场景
中”对于遥感模拟中常见的平行光和天空漫反射光，其采样过程如下：
[0014]平行光采样方法为：
[0015][0016]其中(x,y,z)是光线的起始位置，ξ1和ξ2是单位随机变量，x
r
是一个周期场景中x方向的坐标范围大小，y
r
是一个周期内y方向的坐标范围大小，x
min
、x
max
表示一个周期内x方向上的最大值和最小值，y
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法，其特征在于包含以下步骤：(1)将行播场景认为是在垂直于垄行方向上，植被冠层与水体交替出现，且在一垄内，叶片是由均匀分布的等边三角形构成的三维场景；根据行播场景的几何结构、朝向、行向、叶面积指数来自动化地构建出待模拟的场景；适当调整用于表示叶片的等边三角形的边长；(2)使用植物叶片光谱模型计算单个叶片的反射率及透过率，根据风速和风向参数得到水面反射和折射的概率分布；根据水体组分的浓度与固有光学参数，使用水体生物光学模型得到水体的吸收系数、散射系数以及散射相函数，并使用得到的结果设置场景中各元素的属性，将所有的叶片均设置为朗伯体；(3)根据光源的类型和能量分布，采样光子的初始位置和初始方向，并为其设置初始权重，并将该光子发射到水生植被场景中；(4)在场景中找到光子与场景中元素的交点，然后根据相交元素的属性，采样新的反射或折射方向，修改相应光子的权重，重新入射到场景中去，并追踪该新产生的光子，当光子权重小于一定范围的时候，则认为该光子被吸收；(5)将整个出射方向的分布空间视为一个半球空间，并将该半球表面分割为网格，计算每一个网格的面积并为其设置一个累计权重，根据出射出场景光子的方向得到其相对应的网格，并将该光子的权重累加到累计权重上；(6)在追踪大量的光子后，根据半球网格的上的权重分布和入射光子总权重计算整个行播水生植被系统的二向反射率。2.根据权利要求1所述的一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法，其特征在于：步骤(1)中所述的“将行播场景认为是在垂直于垄行方向上，植被冠层与水体交替出现，且在一垄内，叶片是均匀分布的等边三角形构成的三维场景”；其特征在于，整个场景在空间中是无限延伸的，且在垂直于垄行和平行于垄行的方向上呈现出周期性，在构造阶段，只构造在一个周期内的三维场景，而在模拟的过程中，将整个场景视为构造出的单个场景在垂直和平行于垄行方向上的无限重复，从而模拟出无限扩展场景的效果；在构造一个周期内场景的时候，可以根据输入的周期长度、垄长、水深、植被高度、水上叶面积指数、水下叶面积指数、三角形叶片的边长这些几何参数自动生成出待模拟场景。3.根据权利要求1所述的一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法，其特征在于：步骤(2)中所述的“使用植物叶片光谱模型计算单个叶片的反射率及透过率，根据风速和风向参数得到水面反射和折射的概率分布，根据水体参数，使用水体生物光学模型得到水体的吸收系数，散射系数以及散射相函数，并使用得到的结果设置场景中各元素的属性，所有的叶片均设置为朗伯体”的场景元素光学属性设置方法，所包含的具体内容如下：所有的叶片表面均视为朗伯体，耦合PROSPECT计算叶片的反射率和透过率，耦合Cox
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Munk模型计算水面的双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)和双向透射分布函数(Bidirectional Transmittance Distribution Function,BTDF)，耦合根据海水试验测量结果构造出的水体散射相函数，耦合水体生物光学模型得到水体的吸收系数和散射系数。4.根据权利要求1所述的一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法，其
特征在于：步骤(3)中所述的“根据光源的类型和能量分布，采样光子的初始位置和初始方向，并为其设置初始权重，并将该光子发射到水生植被场景中”对于遥感模拟中常见的平行光和天空漫反射光，其采样过程如下：平行光采样方法为：其中(x,y,z)是光线的起始位置；ξ1和ξ2是...

【专利技术属性】
技术研发人员：周冠华，苗昊雨，韩亚欣，田晨，李成贵，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：