一種植被二向性反射一次散射貢獻項的獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種植被二向性反射一次散射貢獻項的獲取方法，包括以下步驟：通過植被生理參數(shù)和聚集指數(shù)，獲得孔隙率；利用步驟1的孔隙率，定義并計算出立足于植被元素的植被四分量面積比例；求取太陽直射與天空散射光強的比例；通過葉子和土壤的相關(guān)參數(shù)和上述步驟獲得的孔隙率、植被四分量面積比例、太陽直射與天空散射光強的比例，獲得植被二向性反射一次散射貢獻項。該方法準(zhǔn)確度高，計算簡便，適用于各種植被類型，把植被冠層非各向同性的起因歸結(jié)為三個方面：太陽、目標(biāo)、傳感器三者之間的幾何關(guān)系；多尺度群聚；太陽直射與天空散射光強的比例。
【專利說明】
_種植被二向性反射_次散射貢獻項的獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及遙感圖像識別技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種植被二向性反射一次散射貢獻 項的獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 遙感影像是地球表面的"相片"，真實地展現(xiàn)了地球表面物體的形狀、大小、顏色等 信息。要從遙感影像中反演得到地表植物的結(jié)構(gòu)和生理參數(shù)，必須要準(zhǔn)確描述植物、太陽與 傳感器之間的關(guān)系。
[0003] 植被對太陽的短波輻射(波長為0.3μπι-2.5μπι)的反射屬于植被二向性反射?，F(xiàn)有 技術(shù)中通常用雙向反射率分布函數(shù)描述二向性反射行為，定義為：
[0004]
[0005] 其中，L為傳感器所接收到的來自目標(biāo)的反射輻射亮度，μ#和E分別為太陽直射與 天空漫射對目標(biāo)構(gòu)成的輻照度，W = CoseiJA太陽天頂角肩,θν，％分別是太陽方位角，觀 測天頂角和觀測方位角，λ為波長。
[0006] 經(jīng)過半個多世紀(jì)的努力，到目前為止，獲取植被二向性反射的方法可以概括為幾 何光學(xué)法、輻射傳輸法和計算機模擬法等幾類。
[0007] 幾何光學(xué)法主要針對離散植被，以森林為主要研究對象，把每一個樹冠設(shè)想為規(guī) 則的幾何體，且假定樹冠表面和背景對外來輻射的反射滿足朗伯反射要求。
[0008]
[0009] 其中Kc代表光照樹冠在傳感器視場中所占面積比例，Kg代表光照地表在傳感器視 場中所占面積比例，K t代表陰影樹冠在傳感器視場中所占面積比例，Kz代表陰影地表在傳感 器視場中所占面積比例，L c代表光照樹冠的朗伯反射輻射亮度值，LgR表光照地表的朗伯反 射輻射亮度值，U代表陰影樹冠的朗伯反射輻射亮度值，L z代表陰影地表的朗伯反射輻射亮 度值。1997年四尺度幾何光學(xué)法提出后(Chen，1997)，幾何光學(xué)法有了新的進展，該文指出 植被元素在樹冠內(nèi)的群聚使樹冠表面不再滿足朗伯反射要求，式（15)存在的前提受到質(zhì) 疑。而且?guī)缀喂鈱W(xué)法在應(yīng)用于濃密森林植被時，求取四分量面積比例變得十分復(fù)雜。
[0010] 輻射傳輸法是借助輻射強度(或輻射亮度、輻射通量密度)表達的能量守恒，不存 在陰影和熱點。植被二向性反射的最顯著的特征就是不存在衍射，存在陰影和熱點。為了解 決福射傳輸法無熱點的困惑，提出了種種補救方法，如Kussk熱點法(Kussk，1993 )，但是 Kussk熱點法本質(zhì)上是幾何光學(xué)法。把幾何光學(xué)法拼入輻射傳輸法，實質(zhì)上嚴重的破壞了理 論推導(dǎo)的一致性原則。
[0011]計算機模擬法分為蒙特-卡羅模擬法(Monte Carlo method，MC)和真實場景模擬 法。
[0012]蒙特-卡羅模擬法立足于對一個光子生命過程的追蹤，模擬光子能量在一次碰撞 過程中散射與吸收間的能量比例(徐希孺，2004)，而不追究散射光強在空間的分布。蒙特-卡羅模擬法不存在熱點。
[0013] 真實場景模擬法有兩個基本組成部分，一是植被冠層結(jié)構(gòu)場景的虛擬模擬，二是 模擬電磁波與植被元素間的相互作用過程。真實場景模擬法可以產(chǎn)生熱點，但計算量過大， 隨植被元素增加，計算量呈幾何級數(shù)增長。
[0014] 由于上述原因，本發(fā)明人對現(xiàn)有的獲取植被二向性反射一次散射貢獻項的方法進 行了深入研究，以便設(shè)計出一種計算簡單準(zhǔn)確的方法，其能夠為不同植被類型的二向性反 射一次散射貢獻項提供統(tǒng)一計算方法，可以準(zhǔn)確的描述植被二向性反射的方向特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 為了克服上述問題，本發(fā)明人進行了銳意研究，提出植被二向性反射可以且必須 表達為一次散射貢獻項和多次散射貢獻項之和，并設(shè)計出一種植被二向性反射一次散射貢 獻項的獲取方法，該方法計算簡單，結(jié)果精確，能夠適用于不同植被類型，可以準(zhǔn)確描述植 被二向性反射的方向特征。通過此方法可以反演獲得準(zhǔn)確的地表植被的結(jié)構(gòu)和生理參數(shù)， 比如葉面積指數(shù)。
[0016] 本發(fā)明基于幾何光學(xué)原理，立足于植被元素一一葉片，把植被冠層非各向同性的 起因歸結(jié)為三個方面:①太陽、目標(biāo)、傳感器三者之間的幾何關(guān)系②多尺度群聚③太陽直射 與天空散射光強的比例，從而使得本發(fā)明不僅適用于離散植物，還適用于連續(xù)植物和行播 植物，提高了計算準(zhǔn)確度，降低了計算復(fù)雜度。根據(jù)本發(fā)明的植被二向性反射一次散射貢獻 項的獲取方法，可以方便地獲得等效平均葉面積指數(shù)。
【附圖說明】
[0017] 圖1示出植被二向性反射一次散射貢獻項的獲取方法的步驟圖。
[0018] 圖2-a示出行播作物水平剖面圖。
[0019]圖2-b示出行播作物垂直剖面圖。
[0020]圖3示出聚集指數(shù)ξ(θ)與太陽天頂角Θ的關(guān)系圖。
[0021]圖4示出黑杉樹孔隙率隨角度變化關(guān)系(Chen，1997)。
[0022]圖5不出視線與射線間的相關(guān)性對植被四分量的影響。
[0023] 圖6-a-l示出入射方向和觀測方向交疊的無因次攔截率1。的第一種取值范圍圖。
[0024] 圖6-b-l示出入射方向和觀測方向交疊的無因次攔截率1。的第二種取值范圍圖。 [0025]圖6-C-l，6-c-2,6-c-3分別示出入射方向和觀測方向交疊的無因次攔截率Ic的第 三種取值范圍圖。
[0026]圖7示出重疊面積計算示意圖。
[0027] 圖8示出主平面Ic中來自入射方向的無因次攔截率IcdPlc中來自觀測方向的無因 次攔截率U v示意圖。
[0028] 圖9示出非主平面Ic中來自入射方向的無因次攔截率UPlc中來自觀測方向的無 因次攔截率U v示意圖。
[0029] 圖ΙΟ-a示出主平面內(nèi)紅色波段的植被二向性反射中一次散射貢獻項受天空散射 光比例因子β影響的變化圖。
[0030] 圖10-b示出主平面內(nèi)近紅外波段的植被二向性反射中一次散射貢獻項受天空散 射光比例因子β影響的變化圖。
[0031] 圖11示出植被二向性反射一次散射貢獻項隨聚集指數(shù)變化關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面通過附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。通過這些說明，本發(fā)明的特點 和優(yōu)點將變得更為清楚明確。
[0033] 在這里專用的詞"示例性"意為"用作例子、實施例或說明性"。這里作為"示例性" 所說明的任何實施例不必解釋為優(yōu)于或好于其它實施例。盡管在附圖中示出了實施例的各 種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。
[0034] 在本發(fā)明中，所述孔隙率為雙向孔隙率，即入射方向上的孔隙率或觀測方向上的 孔隙率，所述觀測方向和所述視向為同一方向。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明提供的植被二向性反射一次散射貢獻項的獲取方法，在步驟1中，通過 植被生理參數(shù)和聚集指數(shù)，獲得孔隙率，其中，植被生理參數(shù)包括植被元素對光子的平均攔 截率，孔隙率通過下式(1)獲得。
[0036]
[0037] 孔隙率定義為當(dāng)光子穿越植被冠層時，未被植被元素攔截的概率。當(dāng)植被元素(主 要指葉子)在植被冠層中作隨機分布時，孔隙率可借用泊松概率分布公式(16)求得。
[0038]

[0039] η代表單位面積攔截光子的個數(shù)，Ρ(η)代表單位面積攔截η個光子概率，τι代表平均 攔截率?？紫堵始处?= 〇時的發(fā)生概率:P( 〇) =
[0040] 對植被而言，植被元素對光子的平均攔截率 直被冠層的孔隙率為：
[0041]
[0042] Gi及Gv分別為太陽光入射方向（i)與視向（V)的G函數(shù)值，其中，G函數(shù)為在植被層的 某一高度處，當(dāng)葉面積體密度函數(shù)取1時向太陽光入射方向的垂直面的平均投影值或觀測 方向的垂直面的平均投影值^ 1 = C0SeiWv = C0Sev, LAIaS平均真實葉面積指數(shù)，平均真實 葉面積指數(shù)為葉的面積指數(shù)和非葉部分的面積指數(shù)之和，非葉部分指樹枝、樹干。事實上， 對光子產(chǎn)生攔截作用的不僅有葉子，還有枝干、花、穗等，所以此處的LAUA不是嚴格意義 下的葉面積指數(shù)，具有等效意義。
[0043] 本發(fā)明中所述的孔隙率是在考慮了重疊效應(yīng)的基礎(chǔ)上獲得的，具體來說，所述孔 隙率是通過泊松公式計算得到的，由于葉子是在空間內(nèi)隨機分布的，其不可避免地會發(fā)生 重疊的效應(yīng)，在光子直線傳播條件下，重疊效應(yīng)使得孔隙率增加，如果在計算孔隙率時沒有 G 考慮到重疊效應(yīng)，得到的結(jié)果準(zhǔn)確性較低，例如，當(dāng)=1時，孔隙率P = e< = 0.3678。如 Μ,ν 果此時葉子均勻分布于空間，那么其孔隙率應(yīng)為"0"。所以本發(fā)明中提供的獲得所述孔隙率 的方法能夠得到更為精確的孔隙率；
[0044] 本發(fā)明中所述的孔隙率是在考慮了群聚效應(yīng)的基礎(chǔ)上獲得的，具體來說，所述孔 隙率應(yīng)用泊松公式的前提條件是"隨機分布"，而植被樹冠或植被元素在空間的分布有可能 偏離"隨機分布"，比如"群聚"或者均勻分布(在自然狀態(tài)下，均勻分布很少出現(xiàn)，它的出現(xiàn) 大都與人類干預(yù)有關(guān)）。由于群聚使孔隙率增大，均勻分布使孔隙率變小，因此，當(dāng)Θ矣0時， 式（17)被推廣為式（1)。所以本發(fā)明中提供的獲得所述孔隙率的方法能方便而清晰地考慮 群聚效應(yīng)，獲得的孔隙率更加精確。
[0045] 本發(fā)明提供的獲得所述孔隙率中獲得ξ的方法是實測不同Θ角條件下的孔隙率P (Θ)和LAIa(包含了所有攔截光子的植被元素的等效LAI)，并代入公式（1)，便可以求得ξ(θ) 的變化規(guī)律。以行播作物為例，取垂直壟向為主平面，剖面圖如圖2_a和圖2-b所示。y方向取 單位距離，
[0046]
[0047]
[0048]
[0049]
[0050] 其中，LA代表總?cè)~面積，A代表像元面積，ai代表群聚效應(yīng)下，葉子全部集中到面積 為ai的像元內(nèi)，a2=A_ai，在遙感數(shù)據(jù)采集，如掃描成像時，像元是傳感器對地面景物進行掃 描采樣的最小單元。
[0051] 當(dāng)0 = ZtarT1 稱Θ。為臨界角。三角形面積1和2分別相等，ξ(θ〇 = 1。
[0052] 當(dāng)ψ < f時，ai，a2，A同步增長，H不變，0。向|方向移動時，ξ(θ)值不變，其中，φ 代表入射方位角與觀測方位角差值的絕對值。ξ(θ)與Θ的關(guān)系如圖3所示。
[0053] 以離散植被為例，Chen(1997)實測了黑杉樹孔隙率，Ρ(θ)與Θ的關(guān)系如圖4所示，其 中，Chen(1997)指Chen J M，Leblanc S G.1997.A four-scale bidirectional reflectance model based on canopy architecture.Geoscience and Remote Sensing.IEEE Transactions on，35(5):1316-1337。
[0054] 圖4表明當(dāng)θ>15°時，所測Ρ(θ)與泊松公式擬合相近；當(dāng)θ = 7.5°時，P(7.5°)可用 分布紐曼擬合，m2 = 24，其中，m2代表植物集群平均大小的推理值。由此可見，Θ。接近15°。
[0055] 可以推測當(dāng)θ<θ。時，ξ<1;當(dāng)Θ 2 0J寸，此時雖然植被元素的尺度群聚仍然存在，但 較大尺度的孔隙已消失。此時紐曼分布的m2 = 1，可用泊松分布近似，故ξ二1。
[0056] 本發(fā)明提供的獲得所述雙向孔隙率的方法中獲得ξ的方法不僅為我們提供了一個 求取平均真實葉面積指數(shù)(LAIa)的好方法，而且證明遙感反演所獲得的葉面積指數(shù)LAI aS 非傳統(tǒng)意義下的LAI，為由多角度孔隙率測值所獲得的等效LAI的近似值。求取平均真實葉 面積指數(shù)是通過植被冠層平均高度H和樹冠(或植株)平均間距，算得Θ。的值。利用θ>θ。的多 個孔隙率實測值去反推LAIa(假定非葉成份的G值已知），再由LAU^值倒推θ<θ。時的值例 如，用上述方法獲得圖4對應(yīng)的黑杉樹等效平均葉面積指數(shù)為1.87(假定G = O. 5)。而Chen (1997)提供的傳統(tǒng)實測單樹葉面積指數(shù)為4.5(G = 0.5)，折合成像元平均葉面積指數(shù)為 1.1451。顯然，其間的差別體現(xiàn)了樹干等非葉成份對光子的攔截作用，這足以證明遙感反演 所獲得的平均真實葉面積指數(shù)LAI a為非傳統(tǒng)意義下的LAI，為由多角度孔隙率測值所獲得 的等效LAI的近似值。
[0057] 根據(jù)本發(fā)明提供的植被二向性反射一次散射貢獻項的獲取方法，在步驟2中，利用 所述孔隙率，獲得立足于植被元素的植被四分量面積比例，其中，光照地表在傳感器視場中 所占的面積比例通過下式(2)獲得，光照葉子的地表投影面積在傳感器視場中所占的面積 比例通過下式(3)獲得，陰影地表在傳感器視場中所占的面積比例通過下式(4)獲得，陰影 葉子的地表投影面積在傳感器視場中所占的面積比例通過下式(5)獲得，
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] 本發(fā)明中所述的立足于植被元素的植被四分量面積比例是在考慮了其與孔隙率 及視線與射線間的相關(guān)性的基礎(chǔ)上獲得的，具體來說，立足于植被元素的植被四分量以地 表為計算的基準(zhǔn)面，以面積比例的形式(無因次攔截率)表達了每一個事件在一次散射中的 發(fā)生概率。顯然，它們的取值與雙向孔隙率及視線與射線間的相關(guān)性有關(guān)，其相關(guān)性可用圖 5表不。
[0063] 如圖5所不，i，V分別代表光線入射方向與傳感器視向。兩個橢圓形分別代表植被 元素(主要是葉子)在地表像元中投影總面積的比例(排除重疊）。根據(jù)K g的定義以及雙向孔 隙率與無因次攔截率之間的泊松關(guān)系，Kg可表達為，
[0064]
[0065] 根據(jù)植被四分量的定義，可獲得式(3)_(5)。
[0066]其中，Ic的的取值有三種可能，用圖6的a，b，c表示。
[0067] 如圖6-a-l所示，1。= 0;如圖6-b-l所示，1。取值居中，部分相關(guān);如圖6-c-l、6-c_2、 6-c-3所示，Ic取最大值，完全相關(guān)(最大相關(guān)）。在圖6-a-l，圖6-b-l，6-c-l、6-c-2、6-c-3三 種情況下，均滿足2 〇。。
[0068] 決定于決定入射方向和觀測方向交疊的無因次攔截率1。的因素有三個：
[0069] 1.入射方向的無因次攔截率I i與觀射方向的無因次攔截率IV的大??；
[0070] 2.入射方向的無因次攔截率I i與觀射方向的無因次攔截率Iv的形狀；
[0071] 3.入射方向的無因次攔截率I i與觀射方向的無因次攔截率Iv之間的距離。
[0072] h與Iv的大小決定」
鑒于植被元素在空間呈隨機分布，當(dāng)9i, v = 0，Ii與 Iv呈圓形，其半徑^
-。
[0073] 當(dāng)9,^矣〇時，在垂直i或V的平面內(nèi)仍為圓形。但投影到水平面則呈橢圓形，其短軸 _ ri,v,0 仍為ro，長軸用ri, v, i表示，其取值為~- /uI,V O
[0074] 用Ai與Av來表示橢圓I i與IV中心點在X軸（為橢圓長軸的取向）上的位置，則
，其中H = HdH2,出代表冠層厚度，出代表基底(樹干)高，表植被 元素(葉子)體密度函數(shù)。
[0075] 在有因次空間與無因次空間之間進行轉(zhuǎn)換，就是在兩個空間中的數(shù)值間建立起一 一對應(yīng)的關(guān)系。葉子的濃密程度是表征植被幾何特性的關(guān)鍵參數(shù)之一，可用單位截面積柱 體內(nèi)葉子總面積值來描述。但它是有因次的，有因次量會因為所取計算單位不同而不同，故 引入體密度函數(shù)μι，
[0076]
[0077] LA代表柱體內(nèi)總?cè)~面積值，D代表柱體體積，μι仍為有因此量，它的因次為I L卜1，定 義平均真實葉面積指數(shù)LAIa = P1 · H，則LAIa為無因次量，它取值唯一。所以一旦yi取值確 定，則在有因次量H和無因次量LAIa間就確立了一一對應(yīng)的關(guān)系。^可以解釋為在無因次空 μι 間取值為"Γ時，對應(yīng)有因次空間應(yīng)有的取值。所以，
[0078] H/(l/yi)=Hyi = LAIa。
[0079] 當(dāng)植被冠層離地時(設(shè)H2為其基底高），則對應(yīng)無因次空間的取值應(yīng)為(HdH2)Pi。
[0080] 對于如圖 6-a_l，lc = 0。
[0081] 對于如圖6-b-l，需要考慮兩種情況：1.太陽入射方向和觀測方向在同一個平面 (此平面為主平面）；2.當(dāng)太陽入射方向和觀測方向不在同一個平面(此平面為非主平面）。
[0082] 當(dāng)太陽入射方向和觀測方向在同一個平面(此平面為主平面)時，則首先通過聯(lián)立 兩個橢圓方程，求得交點的坐標(biāo)值(即圖8中（x，y)值）。
[0083] 1。是由i與V方向兩個橢圓的部分截面積，可用ImUv表示構(gòu)成，如圖8所示。
[0084]
[0085]
[0086]
[0087] to是用弧度值表示的t值，故t0 = 5^· · π。當(dāng)交點X位于ai和av之間，則to就按上 述方法取值；當(dāng)交點X位于a_av的一側(cè)，則需要視兩橢圓的相對位置和所求得UPl。,^ 置的具體情況，對其中的一個to需要進行U-to)處理，得到新的to。
[0088] 鑒于水平面上的Ui和1。,￥分別被放大了 CosQi和cos0v倍，所以
[0089] Ic= lc, icos0i+lc>vcos0v (14)
[0090] 當(dāng)太陽入射方向和觀測方向不在同一平面內(nèi)（此平面為非主平面)時，IdPlv在地 面上的投影如圖9所示。同樣，UPl v在地面上的投影也是橢圓形，兩個橢圓的交疊部分（即 圖9中的陰影部分)為1。，1。又分為1。,1和1。^。為求解1。，需要確立兩個橢圓的方程表達式。為 了計算的簡潔明了，采用不同的坐標(biāo)系，其中，I 1位于平面直角坐標(biāo)系x〇y中，Iv位于平面直 角坐標(biāo)系X7 oy'中。Φ為太陽入射方向方位角與觀測方向方位角的夾角。除了坐標(biāo)系不同， 其他如橢圓中心點、長短軸等的求解均與主平面的求解方法一樣。設(shè)兩個橢圓中心坐標(biāo)分 別為r和I y，長軸分別為a和a'，短軸分別為b和t/，則有，
[0091]
[0092]
[0093] 設(shè)在平面直角坐標(biāo)系xoy中有一點（x，y)，如圖9所示。該點在平面直角坐標(biāo)系X7 Oy'中的坐標(biāo)為(X'，y' )。<^為點(X，y)和原點的連線與X軸的夾角;Δφ為點(X，y)和原點的 連線與X'軸的夾角，則有，
[0094]
[0095]
[0096]
[0097]
[0098]
[0099]
[0100]
[0101]
[0102]
[0103]聯(lián)立式（19)、（20)、（23)、（24)求解，得到兩個橢圓在平面直角坐標(biāo)系1外的交點為 (xi，yi)，（X2，y2)，（X3，y3)，（X4，y4)。以求解lc,v為例，利用式(23)和(24)，計算交點(xi，yi)在 平面直角坐標(biāo)系X'〇/中的坐標(biāo)為( X1'，yi')。那么在圖9中，觀測方向在地面投影的橢圓兩 側(cè)陰影面積的其中之一 Si的面積為，
[0104]
[0105]
[0106] 當(dāng)利用交點坐標(biāo)求解橢圓兩側(cè)陰影面積的時候，若是所求的一側(cè)陰影面積沒有超 過所在橢圓總面積的一半，則to就按上述方法取值；當(dāng)利用交點坐標(biāo)求解的陰影面積超過 所在橢圓面積一半的時候則需要視兩橢圓的相對位置和所求得UdPUv位置的具體情況， 對其中的一個to需要進行U-to)處理，得到新的to。
[0107]同理，計算出觀測方向投影橢圓另一側(cè)的陰影面積&。
[0108]利用所求得的在平面直角坐標(biāo)系xoy四個交點（Xi，yi)，（X2，y2)，（X3，y3)，（X4，y4)可 計算出圖9中觀測方向投影橢圓中畫斜線的梯形面積St。
[0109] 觀測方向投影橢圓總面積為Sv，則L,v為，
[0110]
[0111] 同理，求出Ui。
[01 12] 鑒于水平面h的lr,.i和1。4分別被放大了00891和〇089￥倍，所以
[0113]
[0114] 根據(jù)本發(fā)明提供的植被二向性反射一次散射貢獻項的獲取方法，在步驟3中，求取 太陽直射與天空散射光強的比例通過下式(6)獲得。
[0115]
[0116] 本發(fā)明中所述太陽直射與天空散射光強的比例能準(zhǔn)確的表達天空散射光對植被 二向性反射一次散射貢獻項的影響，具體來說，由于分子散射相位函數(shù)的對稱性以及分子 散射不構(gòu)成大氣散射的主體，大氣分子質(zhì)量穩(wěn)定少變、太陽光天頂角的變化、波長的增減， 都會引起PiF i與E之間的變化。
[0117] 當(dāng)投射到大氣上界的太陽輻射強度為常數(shù)時，經(jīng)大氣作用之后到達地表的輻射能 量表現(xiàn)為兩部分之和，其中一部分為直射福射構(gòu)成的福射通量，另一部分為天空散射對地 表所構(gòu)成的輻射通量。在此忽略了大氣吸收，大氣散射輻射中部分向上穿過大氣返回太空， 這主要由大氣分子散射構(gòu)成。另一部分向下到達地表構(gòu)成下行輻照度E。由于分子散射相位 函數(shù)的對稱性，以及分子散射不構(gòu)成大氣散射的主體，大氣分子質(zhì)量穩(wěn)定少變，所以本發(fā)明 中返回太空的大氣散射輻射量穩(wěn)定少變，進而到達地表的PiFi與E存在互易關(guān)系，即大氣氣 溶膠含量增加，E增加，同時PiF i減少;反之，亦然。
[0118] 太陽天頂角0,的變化亦可引起^F1與E之間的變化。因為Q1增加，大氣散射路徑增 長，總散射量增加，P 1F1減少。所以實測數(shù)據(jù)表明，0, = -50°時比θ1 = -40°時熱點強度下降， 碗邊效應(yīng)增強(chen，1997)。
[0119] 當(dāng)λ>〇.5μπι，波長的增減亦能引起PiFi與E的變化，。因為太陽輻射可以用6000Κ的 黑體近似，它與F 5成正比。而分子散射與成正比，氣溶膠大顆粒散射與F3> >λ<成正比。 所以，i3nlr>i3red，故近紅外波段的熱點強度小于紅色波段的，但碗邊效應(yīng)卻相反。
[0120] 因此，WF1與E的相互影響使植被冠層的二向性反射與β值密切相關(guān)。絕不能因為假 定天空下行輻射亮度在加空間取常數(shù)而斷定天空散射光的變化與二向性反射行為無關(guān)，或 可以簡單地以常數(shù)予以消除。所以，本發(fā)明中所述太陽直射與天空散射光強的比例能準(zhǔn)確 的表達天空散射光對植被二向性反射一次散射貢獻項的影響。
[0121 ]根據(jù)本發(fā)明提供的植被二向性反射一次散射貢獻項的獲取方法，在步驟4中，獲取 光照葉子反射輻射亮度值、光照地表反射輻射亮度值、陰影葉子反射輻射亮度值和陰影地 表反射輻射亮度值，其中，鑒于G = O. 5,對平均狀況而言，光照葉子反射輻射亮度值通過式 (7)獲得，光照地表反射輻射亮度值通過式(8)獲得，陰影地表反射輻射亮度值通過式(9)獲 得，陰影葉子反射輻射亮度值通過式(1 〇)獲得。
[0122] 在陰影面，用Lia代表天空下行輻射亮度，某方向天空對地表的輻射通量貢獻為
影地表反射輻射亮度值通過式(9)獲得，陰影葉子反射輻射亮度值通過式(10)獲得。
[0123] 根據(jù)本發(fā)明提供的植被二向性反射一次散射貢獻項的獲取方法，在步驟5中，通過 所述光照葉子反射輻射亮度值、光照地表反射輻射亮度值、陰影葉子反射輻射亮度值、陰影 地表反射輻射亮度值、植被四分量面積比例、太陽直射與天空散射光強的比例，獲得植被二 向性反射一次散射貢獻項，其中植被二向性反射一次散射貢獻項通過式(12)獲得。
[0124] 本發(fā)明中所述的植被二向性反射一次散射貢獻項的獲取方法不僅考慮了光源-目 標(biāo)-傳感器三者之間的幾何關(guān)系對植被二向性反射一次散射貢獻項的影響，還考慮了聚集 指數(shù)和天空散射光對植被二向性反射一次散射貢獻項的影響，因此通過本發(fā)明提供的方法 獲得的結(jié)果更加準(zhǔn)確，更加符合實際情況。
[0125] 天空散射光對植被二向性反射一次散射貢獻項的影響通過下面的例子說明。
[0126] 令ξ。1，G = 0.5,有效葉面積指數(shù)為1.87沁=611^134 =以1，1( = 0.5867，太陽入射 方向和觀測方向在同一平面內(nèi)（即主平面），太陽入射的天頂角為_40°，觀測天頂角從-75° 變到75°，觀測角度間隔為15°;紅色波段邱勺值由0.1變到0.7,變化間隔為0.05;近紅外波段 β的值由0.19變到0.42,變化間隔同樣為0.01。通過求解!(。、^^和以^根據(jù)公式 (12)和表1中設(shè)定的六分量反射率，邱勺變化對植被二向性反射一次散射貢獻項的影響如圖 ΙΟ-a和ΙΟ-b所示，其中，Knc代表光照樹干的地表投影面積在視場中所占的面積比例，C "。代 表陰影樹干的地表投影面積在視場中所占的面積比例。
[0127] 表1
[0129] 從式（12)來論證這些現(xiàn)象的由來。（1 -β)KgPg代表光照地表的反輻射亮度，（1 -β)Kc Pv代表光照葉子的反射輻射亮度，S' ffizpg代表陰影地表的反射輻射亮度，（Ι-s' )ffitPv代表 陰影葉子的反射輻射亮度。當(dāng)β為小值時，（l-β)就為大值，因此計算得到的光照葉子和光照 地表的反射輻射亮度就會大，而計算的陰影葉子的反射輻射亮度和陰影地表的反射輻射亮 度就會小;相反，當(dāng)β為大值時，（l-β)就為小值，計算得到的光照葉子的反射輻射亮度和光 照地表的反射輻射亮度就會小，而計算的陰影葉子組分反射率和陰影地表的反射輻射亮度 就會大。一般而言，計算得到光照葉子的反射輻射亮度和光照地表的反射輻射亮度會高于 陰影葉子的反射輻射亮度和陰影地表的反射輻射亮度;另外，根據(jù)橢圓六分量計算方法，太 陽入射方向同一側(cè)光照部分占主導(dǎo)，太陽入射方向另一側(cè)陰影部分占主導(dǎo)。綜合這幾個因 素，就能很好地解釋上述所產(chǎn)生的現(xiàn)象。
[0130] 聚集指數(shù)對植被二向性反射一次散射貢獻項的影響通過下面的例子說明。
[0131] 以陳（1997)的實驗為例，計算了 0i = -4〇°，0v = -4〇°處/td值與λ值的關(guān)系離散植被 的有效葉面積指數(shù)LAL·為1.1451，傳統(tǒng)意義下的葉面積指數(shù)LAIaSl .87,樹的整體高度為 7m，冠層高度為6.5m。聚集指數(shù)取值范圍為0.1-1，間隔為0.1。利用雙向孔隙率求解公式，代 入不同的聚集指數(shù)計算得到相應(yīng)的雙向孔隙率，進而計算六分量，得到不同聚集指數(shù)在熱 點方向上的植二向性反射一次散射項，為圖11所示。顯然聚集指數(shù)對植被二向性反射一次 散射貢獻項具有重要意義。
[0132] 實施例
[0133] 以下通過范例性實施例進一步描述本發(fā)明。
[0134] 以離散植被黑杉林為例，通過實地測量獲得表2,其中出代表黑杉林的冠層高，H2代 表黑杉林的基底高，LAUf表真實葉面積指數(shù)，LAIe代表有效葉面積指數(shù)。，Pv,red代表紅外 波段光照葉子反射率，P g,red代表紅外波段光照地表反射率，Pv,nlr代表近紅外波段光照葉子 反射率， Pg, nlr代表近紅外波段光照地表反射率，
[0135] 表2
LUI^/J通]13：買陸測重犾得孔隙率P隨天頂角變化的關(guān)系如表3所示，其中聚集指數(shù)ξ通過 式(1)計算得到，
[0138]表3
[0140] 當(dāng)太陽入射天頂角為-40°，紅色波段時，植被 二向性反射一次散射貢獻項P1隨觀測角的變化如表4所示，
[0141] 表4
[0143]當(dāng)太陽入射天頂角為-40°，近紅外波段，
丨時， 植被二向性反射一次散射貢獻項P1隨觀測角的變化如表5所示，





發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種植被二向性反射一次散射貢獻項的獲取方法，其特征在于，該方法包括W下步 驟： 步驟1:通過植被生理參數(shù)和聚集指數(shù)，獲得孔隙率； 步驟2:利用所述孔隙率，獲得立足于植被元素的植被四分量面積比例； 步驟3:求取太陽直射與天空散射光強的比例； 步驟4:獲取光照葉子反射福射亮度值、光照地表反射福射亮度值、陰影葉子反射福射 亮度值和陰影地表反射福射亮度值； 步驟5:通過所述光照葉子反射福射亮度值、光照地表反射福射亮度值、陰影葉子反射 福射亮度值、陰影地表反射福射亮度值、植被四分量面積比例、太陽直射與天空散射光強的 比例，獲得植被二向性反射一次散射貢獻項。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述植被生理參數(shù)包括植被元素對光子的 平均攔截率。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述孔隙率通過下式(1)獲得：其中，Ρ(θ)代表孔隙率，ξ代表聚集指數(shù)，G表示G函數(shù)，Θ代表太陽天頂角或視向天頂角， y = cos0，LAIa表示平均真實葉面積指數(shù)，平均真實葉面積指數(shù)包括葉的面積指數(shù)和非葉部 分的面積指數(shù)，代表植被元素對光子的平均攔截率。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述植被四分量面積比例包括:光照葉子 的地表投影面積在傳感器視場中所占的面積比例、光照地表在傳感器視場中所占的面積比 例、陰影葉子的地表投影面積在傳感器視場中所占的面積比例和陰影地表在傳感器視場中 所占的面積比例。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述光照地表在傳感器視場中所占的面積 比例通過下式(2)獲得，光照葉子的地表投影面積在傳感器視場中所占的面積比例通過下 式(3)獲得，陰影地表在傳感器視場中所占的面積比例通過下式(4)獲得，陰影葉子的地表 投影面積在傳感器視場中所占的面積比例通過下式(5)獲得，其中，Kg代表光照地表在傳感器視場中所占的面積比例，Kc代表光照葉子的地表投影面 積在傳感器視場中所占的面積比例，Κζ代表陰影地表在傳感器視場中所占的面積比例，Kt代 表陰影葉子的地表投影面積在傳感器視場中所占的面積比例，li代表入射方向的無因次攔 截率，代表入射方向的孔隙率Jv代表視向的無因次攔截率，e^iv代表視向的孔隙率，1。代 表入射方向與視線方向上的無因次攔截率之間的相關(guān)性，e-ic代表相關(guān)系數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述求取太陽直射與天空散射光強比例通 過下式(6)獲得，其中，E代表天空漫射對目標(biāo)構(gòu)成的福照度，yiFi代表太陽直射對目標(biāo)構(gòu)成的福照度，μι = cos9i，θι為太陽天頂角，F(xiàn)i代表太陽直射對目標(biāo)物所構(gòu)成的福照度。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光照葉子反射福射亮度值通過下式 (7)獲得，光照地表反射福射亮度值通過下式(8)獲得，陰影地表反射福射亮度值通過下式 (9)獲得，陰影葉子反射福射亮度值通過下式(10)獲得， Lc二tliFiPv, i-v (7) Lg二IrliFiPv, i-v (8) Lz = S'EPg,Q-v (9) k=(l-s')ΕΡν,Ω-ν (10) 式中，Lc代表光照葉子反射福射亮度值，Lg代表光照地表反射福射亮度值，Lz代表陰影 地表反射福射亮度值，Lt代表陰影葉子反射福射亮度值，S/代表天空對地表的福射比例， Pg, i-v代表±壤的方向一方向反射率，Pv, i-v，代表葉子的方向一方向反射率，Pg, Ω-ν代表±壤 的半球一方向反射率，Ρν, Ω-ν代表葉子的半球一方向反射率。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述S/通過下式(11)獲得，式中，LAIa代表真實平均葉面積指數(shù)，真實平均葉面積指數(shù)包括葉的面積指數(shù)和非葉部 分的面積指數(shù)。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述植被二向性反射一次散射貢獻項是通 過下式(12)獲得的， P 二（1-0)KgPg, i-v+( 1-0)KcPv, i-v+S PKzPg, Ω-ν+( 1-S )KtPv, Ω-ν (12) 式中，pi代表植被二向性反射一次散射貢獻項，β代表天空散射光比例因子，s/代表天空 對地表的福射比例，Pg,i-V代表±壤的方向一方向反射率，Pv,i-V代表葉子的方向一方向反射 率，Pg, Ω-ν代表±壤的半球一方向反射率，Ρν, Ω-ν代表葉子的半球一方向反射率。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，葉子的方向一方向反射率Ρν,ι-ν等于葉子 的半球一方向反射率Ρν,Ω-ν等于葉子的漫反射率口巾,1，±壤的方向一方向反射率化,1-ν等于± 壤的半球一方向反射率化,Ω-ν等于±壤的漫反射率化,L。
【文檔編號】G01J1/00GK105841804SQ201610153240
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月17日
【發(fā)明人】徐希孺, 范聞捷, 李舉材, 趙鵬
【申請人】北京大學(xué)