本发明专利技术涉及一种基于辐射度的复杂地形区域辐射传输模拟方法，步骤如下：（１）输入研究区的数字高程模型，计算地表网格面元的朝向，进行数据准备；（２）输入太阳入射位置和能量分布状况数据，计算每个地表网格面元接收到的初始太阳辐射通量密度；（３）使用计算机图形学的方法计算地表网格面元之间的可视因子；（４）输入地表网格面元的波谱特性数据，建立该复杂地形区域的辐射度方程；（５）采用数值迭代的方法求解辐射度方程，得到辐射平衡后每个地表网格面元的辐射通量密度；（６）根据传感器采样位置计算该复杂地形区域的方向反射率因子和地表面元辐亮度，实现复杂地形区域辐射传输过程的精确模拟和计算。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，适合于对山区复 杂地形区域条件下的遥感成像过程精确模拟，特别是定量分析地形对遥感影像的影响和影 像地形校正方面具有重要价值，属于遥感成像模拟
技术介绍
在地形起伏情况下，地物将接收到周围物体反射的太阳直射光和大气散射光，导 致地物实际接收辐射能量的增加。在雪地、植被近红外波段以及陡峭坡面等情况下，周围 环境对目标物体反射的影响无法忽略。地物在接收周围物体反射能量的同时，也将部分能 量重新反射回周围物体，循环往复，形成复杂的地表多次散射过程，导致地物光谱信息的变 化，影响了山区遥感图像的信息提取精度，成为了限制山区遥感图像应用水平的主要障碍。 地表多次散射是地表太阳能计算以及遥感仿真中的一个难点问题。Proy等人(见引用文献1)提出了一个精确计算周围地物反射的方法，该算法仅考 虑单次散射影响，认为地物接收到的周围物体反射由周围所有可视物体的反射辐射叠加而 成。每个物体的反射辐射与其自身辐亮度、到目标地物的距离以及物体法线与两者连线的 夹角等因素有关。Proy算法不仅计算量大，而且周围物体辐亮度本身也是未知数，无法得到 广泛应用。Dozier和Frew(见引用文献2)利用周围物体反射的平均辐射亮度和地形可 视因子近似计算周围地物反射，该方法面临着与计算量大，周围物体辐亮度未知的问题。 Sandimerier等人(见引用文献3)提出了一个近似计算周围地物反射的公式，在该公式中， 周围地物反射仅与周围物体平均反射率、地形可视因子和水平地面上接收的总辐照度(包 括太阳直射和大气散射)有关。在假设坡面为无限长斜坡的时候，地形可视因子无需经过 繁杂的计算，该方法精度不高，但在实际中得到广泛的应用。计算复杂地形区域传感器接收到的辐射能量涉及众多因素，现存技术可归纳为两 大类一是缺乏严格物理意义的经验、半经验方法，特点是参数少、简便高效，缺点在于精度 低，适用性差；二是基于辐射传输原理的物理解析模型，其理论基础完善，模型参数具有明 确的物理意义，模拟精度较高，但模型往往对地形做了大量的简化近似，适用的范围有限。 复杂地形区域太阳光和地表相关作用是个复杂的非线性过程，现存技术忽略部分影响因素 或简化地形结构，造成模拟结果精度不高，致使模拟结果与遥感图像反射率之间出现较大 出入，严重影响了山区遥感图像的信息提取。引用文献1，Dozier, J.，James Frew. Rapid calculation of terrain parameters for radiationmodeling from digital elevation data[J] (由数字高禾呈数据快速计算用于 辐射建模的地形参数)IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，1990， 28(5) :963-969.2，Proy, C.，Tanre D.，Deschampls P. Y. Evaluation of topographic effectsin remotelysensed data[J].(对遥感数据中的地形效应进行评价分析)Remote Sense ofEnvironment,1989, 30 21.3, Sandmeier, S. , and Itten, K.I. A physically-based model to correct atmospheric andillumination effects in optical satellite data of rugged terrain [J],(一个用于对崎岖地形区光学遥感数据中的大气和太阳辐照效应进行校正的 物理模型)IEEETransactions on Geoscience and Remote Sensing, 1997, 35 :708_717.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种实现复杂地形状况下遥感辐射传输过程精确计算的 方法，克服现有技术的不足，基于复杂地形状况下辐射传输的物理过程，采用计算机模拟技 术，实现山区复杂地形条件下各部分辐射贡献的精确计算。本专利技术的技术解决方案是利用数字高程模型对地表进行建模，计算地表网格面 元的朝向，并计算地表网格面元之间的可视因子，根据太阳入射位置和能量分布状况计算 地表面元接收到的辐射通量密度，输入地表网格面元的波谱特性，建立研究区域的辐射度 方程，采用数值迭代的方法求解辐射度方程，得到每个地表网格面元的辐射通量密度，最后 根据传感器采样位置计算该复杂地形区域的方向反射率因子和辐亮度。本专利技术，具体步骤如下(1)输入研究区的数字高程模型，计算地表网格面元的朝向，进行数据准备；(2)输入太阳入射位置和能量分布状况等数据，计算每个地表网格面元接收到的 初始辐射通量密度；(3)使用计算机图形学的方法计算地表网格面元之间的可视因子；(4)输入地表网格面元的波谱特性数据，建立该复杂地形区域的辐射度方程；(5)采用数值迭代的方法求解辐射度方程，得到辐射平衡后每个地表网格面元的 辐射通量密度；(6)根据传感器采样位置计算该复杂地形区域的方向反射率因子，实现复杂地形 区遥感过程的精确模拟和计算。其中步骤(2)中，地表网格面元(以下简称面元)接收到的初始太阳辐射通量密 度(Fs)由如下公式计算Fs⑴=[rs/cos ( 0 s) ] sd| a(i, d)其中，rs为太阳入射辐射通量密度，0 s为太阳天顶角，叫为面元i的法线单位向 量，^为太阳方向单位向量，a(i, d)为该面元可以直接被太阳照射到的面积比例，Fs为该 面元接收到的初始辐射通量密度。其中，步骤(3)中利用计算机图形学中的半立方体算法计算面元之间的可视因 子，以计算场景中任意两个面元Ai和兴j时)之间的可视因子为例，具体计算过程如 下a.在面元&上微面元dAi中心处沿其法向量方向放置一个虚拟的半立方体，该半 立方体的五个表面被剖分成均勻正方形网格(通常剖分为100X100)，每一网格均对应dAi 朝向半球空间的一个微立体角，从而形成一个半空间立方体角查找表。预先计算，并存贮半 立方体中心微面元dAi对各表面网格的微可视因子，设q为半立方体表面上一个网格，微面元dAi对q的微可视因子为Fq ； b.以dAi为中心将面元A」投影到半立方体的五个表面上，计算投影区域包含的半 立方体表面网格，对表面网格对应的微可视因子进行叠加，计算出dAi对A」的可视因子，设 Q为投影区域包含的半立方体表面网格集合，则dAi对A」的可视因子可以表示为FdEi,Ejq^Qc.上述步骤(a和b)计算中没有考虑面元之间的可视问题，对有遮挡的情形，若半 立方体表面网格被两个或者两个以上面元的投影区域所覆盖，则通过比较这些面元离半立 方体中心微面元的距离来决定在该像素处可见的面元，距离近的面元可见，距离远的面元 不可见；d.以a-c方法计算面元&上所有微面元dAi到A」的可视因子，则cos <9,. cos 0JdAidAj■ I iA, Fv = FAraj=-{ f :，——mA JAi JAj 在步骤(3)中，假设地表为朗伯反射，则面元反射率(P》乘以面元接收到的初始 辐射通量密度(Fs本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于辐射度的复杂地形区域辐射传输模拟方法，其特征在于包含以下步骤：（１）输入研究区的数字高程模型，计算地表网格面元的朝向，进行数据准备；（２）输入太阳入射位置和能量分布状况数据，计算每个地表网格面元接收到的初始太阳辐射通量密度；（３）使用计算机图形学的方法计算地表网格面元之间的可视因子；（４）输入地表网格面元的波谱特性数据，建立该复杂地形区域的辐射度方程；（５）采用数值迭代的方法求解辐射度方程，得到辐射平衡后每个地表网格面元的辐射通量密度；（６）根据传感器采样位置计算该复杂地形区域的方向反射率因子和地表面元辐亮度，实现复杂地形区域辐射传输过程的精确模拟和计算。
【技术特征摘要】
一种基于辐射度的复杂地形区域辐射传输模拟方法，其特征在于包含以下步骤(1)输入研究区的数字高程模型，计算地表网格面元的朝向，进行数据准备；(2)输入太阳入射位置和能量分布状况数据，计算每个地表网格面元接收到的初始太阳辐射通量密度；(3)使用计算机图形学的方法计算地表网格面元之间的可视因子；(4)输入地表网格面元的波谱特性数据，建立该复杂地形区域的辐射度方程；(5)采用数值迭代的方法求解辐射度方程，得到辐射平衡后每个地表网格面元的辐射通量密度；(6)根据传感器采样位置计算该复杂地形区域的方向反射率因子和地表面元辐亮度，实现复杂地形区域辐射传输过程的精确模拟和计算。2.根据权利要求1所述的一种基于辐射度的复杂地形区域辐射传输模拟方法，其特征 在于所述步骤(2)中，地表网格面元，以下简称面元，接收到的初始辐射通量密度(Fs)由 太阳入射角度和能量和面元朝向决定，具体计算按照(以面元i为例)Fs ⑴=[rs/cos ( Q s) ] | 叫 sd | a (i, d)其中，rs为太阳入射辐射通量密度，e s为太阳天顶角，叫为面元i的法线单位向量，sd 为太阳方向单位向量，a(i，d)为该面元可以直接被太阳照射到的面积比例。3.根据权利要求1所述的一种基于辐射度的复杂地形区域辐射传输模拟方法，其特征 在于所述步骤(3)中可视因子定义为每两个面元之间的可视面积比例，用以描述面元间 能量交换的比例，面元i与面元j...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵慧洁，赵峰，王亚超，贾国瑞，董艳芳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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