[发明专利]一种行播水生植被冠层反射的蒙特卡罗计算机模拟方法

说明书

本发明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。

(一)所属技术领域

本发明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)背景技术

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-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-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。

物体的反射特性通常用二向性反射分布函数(Bidirectional ReflectanceDistribution Function,BRDF)加以精确描述。本发明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)发明内容

本发明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：

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；

(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；