[发明专利]一种密集城市建筑场景热辐射方向性强度计算方法

说明书

本发明公开了一种密集城市建筑场景热辐射方向性强度的计算方法，通过构建不同结构的密集建筑场景，输入不同地表温度分布状况、建筑屋顶密度、太阳和传感器几何位置，通过至少三个角度的方向温度观测数据可获得阴影墙体和阴影地面温度的差值和朝向造成的墙体温度变化幅度。用基于计算机模拟的辐射传输模型DART对几何模型模拟结果进行验证，结果表明，模型可实现对密集建筑场景太阳和观测天顶角均较大时温度方向性的准确模拟。

技术领域

本发明涉及一种密集城市建筑场景热辐射方向性强度的计算方法。

背景技术

城市下垫面呈现出高度异质性的特点，其热辐射方向性特征较之植被更为显著(周纪等,2009；占文凤等,2009,2010a,2010b；马伟等,2013；孙灏等,2014)。依据城市下垫面与“行播”植被在形状上的相似性，余涛等(2006)构建了一种简单情况下的二维城市目标的方向亮温模拟模型，模拟结果未呈现显著的“热点效应”。Soux et al.(2004)与Voogt(2008)进一步将城市目标简化成相同大小的矩形块，设计了一个模拟太阳-观测目标-传感器之间相对位置关系的SUM模型，模拟结果揭示城市下垫面存在显著的“热点效应”。Lagouarde et al.(2010,2012)通过光线跟踪软件POV-RAY计算城市下垫面各组分的组分比例，结合能量平衡模型，对比了航空飞行所测量的方向亮温与计算机模拟所获得的方向亮温，分析了法国图卢兹老城区白天与夜晚各时刻城市下垫面的热辐射方向性规律。Zhanet al.(2012a)与马伟等(2013)基于计算机图形学和环境仿真技术，考虑了复杂三维城市地表的光影遮蔽关系，通过辐射度方法计算组分比例，实现了城市目标方向亮温的准确模拟。结果表明，正午时分，典型城市下垫面的热辐射方向性强度高达10℃，并伴有显著的“热点效应”。Zhao et al.(2012)引入了城市目标面元之间的多次散射，研究结果表明城市巷道所造成的多次散射效应增大了热辐射的方向温度，同时降低了热辐射方向性强度。

然而目前针对城市热辐射方向性的研究仍存在以下问题：(1)现有的城市下垫面热辐射方向性正向模拟模型尚未对地表温度的日内动态变化进行参数化。地表温度本身在时间维变化迅速，具有显著的日变化特征，导致热辐射方向性也呈现出显著的日变化特征。建立一个既顾及地表温度在时间维迅速变化，又考虑遥感地表温度的方向性变化的“近景尺度下的城市下垫面热辐射方向性模型”，显得十分迫切。(2)现有的城市下垫面热辐射方向性正向模拟模型尚无法有效地应用于反演。如Soux et al.(2004)与Voogt(2008)建立的SUM模型与Lagouarde et al.(2010,2012)建立的计算机模拟模型，仍需默认假设城市下垫面的精确几何结构完全已知。在选定了特定研究区的前提下，开展正向模拟模型的验证研究，将精确的地表几何结构参数作为输入尚不会产生较大问题。然而，实际情况下，尤其是对于星载热红外观测来说，要获知精确的地表几何结构往往异常困难，此时大多数现有的正向模型很难用于遥感反演。近两三年来，通过借鉴反照率反演的核驱动模型，开展针对自然地表热辐射方向性正向模拟的拟核驱动建模，如彭菁菁等(2011),Vinnikov et al.(2012)与Guillevic et al.(2013)等的经典工作，然而以长方体型建筑为主的城市下垫面与自然地表的几何结构特点存在显著不同，能够较好地适用于城市下垫面、且能够用于反演的“像元尺度下的城市下垫面热辐射方向性模型”仍亟待建立。

发明内容

本发明的目的是解决目前城市下垫面热辐射方向性正向模拟模型尚未对地表温度的日内动态变化进行参数化和无法有效地应用于反演的技术问题。

为实现以上目的，本发明提供一种密集城市建筑场景热辐射方向性强度的计算方法，包括如下步骤：

(1)简化城市建筑场景：假设像元内包含若干个相同大小的、朝向随机的建筑；建筑的长宽高分别是l，b和h，像元内建筑平均占地面积为S；