[发明专利]一种基于Hapke模型的沙质型水底BRDF模型

权利要求书

1.一种基于Hapke模型的沙质型水底BRDF模型。其特征在于包含以下步骤： 

（1）利用Hapke模型描述裸露沙地的二向反射特性； 

（2）基于Mie散射理论模型计算Hapke模型的输入参数：单次散射反照率与散射相函数不对称因子； 

（3）构建光学浅水的水体生物光学模型； 

（4）耦合Hapke模型与光学浅水水体生物光学模型，形成一种沙质型水底BRDF模型。 

2.根据权利1要求所述的一种基于Hapke模型的沙质型水底BRDF模型，其特征在于：步骤（1）中所述的“利用Hapke模型描述裸露沙地的二向反射特性”，具体计算过程如下： 

第一步：计算散射角 

其中，φ为散射角，θ_s为太阳天顶角，θ_v为观测天顶角，为太阳方位角，为观测方位角； 

第二步：计算土壤颗粒的平均散射相函数，采用Henyey-Greenstein相函数： 

其中，g表示不对称因子，取值范围为[-1,1]，其中，-1对应于后向散射，+1对应于前向散射； 

第三步：计算后向散射效应，考虑散射的热点效应，用B(g)表示为后向散射函数： 

其中，h表示与热点宽度相关的经验性参数，h=tan(HWHM/2)，HWHM表示热点峰值一半处的半角宽度； 

第四步：计算土壤颗粒间的多次散射过程，用H(x,ω)表示： 

在上述方程中，ω为颗粒物的平均单次散射反照率。由H(x)计算H(cosi)和H(cose)； 

第五部：计算裸露沙地的二向反射率： 

其中，S_H表示后向散射的热点峰值。 

3.根据权利1要求所述的一种基于Hapke模型的沙质型水底BRDF模型，其特征在于：步骤（2）中所述的“单次散射反照率与散射相函数不对称因子”，具体计算过程如下：基于Mie散射模型计算单次散射反照率与散射相函数不对称因子作为Hapke模型的输入参数。 

4.根据权利1要求所述的一种基于Hapke模型的沙质型水底BRDF模型，其特征在于：步骤（3）中所述的“构建光学浅水的水体生物光学模型”，其计算过程如下： 

海表层上表面遥感反射比R_rs可表示为： 

其中，为水—气交界因子，t_-为从海表层下表面到上表面的辐亮度透过率，t₊为从海表层上表面到下表面的辐照度透过率，n为海水的折射率；Γ=Qγ，γ是水—气界面内反射系数，Q=E_u-/L_u-，ζ与Γ的值由Hydrolight水体光学辐射传输模型导出，分别为0.518和1.562； 

光学浅水的海表层下表面遥感反射比r_rs等于水体反射与水底反射的贡献之和，即 

式中，第一项为海水水体的贡献，第二项为海底的反射贡献。为光学深水的海表层下表面遥感反射比，K_d为下行辐照度的垂直平均漫射衰减系数，为水体上行辐亮度的垂直平均漫射衰减系数，为海底上行辐亮度的垂直平均漫射衰减系数，ρ为海底辐照度反射率，H为海底深度，A₀,A₁为系数； 

光学深水的遥感反射率可表示为 

式中，a，b_b分别为海水总吸收系数和后向散射系数。g₀,g₁为和海水各组分的相位函数相关的参数。当天顶角为0度（垂直观测）时，对于一类水体（清澈的大洋水体），g₀≈0.0949,g₁≈0.0794；对于二类水体（浑浊的沿岸水），g₀≈0.084,g₁≈0.17；对于一类水体和二类水体都存在的区域，取其均值，分别为g₀≈0.0895,g₁≈0.1247； 

令 

α=a+b_b

任意漫射衰减系数K能用一个近似分布函数D表示，即 

K=Dα 

对于特定类型的分布函数： 

K_d=D_dα,

由于α是固有光学性质，所有与K有关的量转化为与分布函数D有关， 

综上所述，光学浅水遥感反射率可以重新表达为 

根据精确的数值模拟可得，A₀,A₁分别为1.032和0.309；D₀,D₁,D₂,D₃分别为1.03、2.4、1.04和5.4。 

5.根据权利1要求所述的一种基于Hapke模型的沙质型水底BRDF模型，其特征在于：步骤（4）中所述的“耦合Hapke模型与光学浅水水体生物光学模型，形成一种沙质型水底BRDF模型”，具体计算过程如下： 

将Hapke模型计算得到的作为光学浅水遥感反射率模型的输入，代替模型中的反照率ρ。由此可得沙质型水底BRDF模型的最终表达式如下： 

。