CN114169135B - 一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法，包含以下步骤：(1)大气利用辐射传输模型计算水平地表下的大气辐射分量；(2)利用地形、太阳照明方向和观测方向计算地形辐射传输参数；(3)逐像元提取地表每个模版范围内不同位置的多角度反射率因子空间分布、二向发射荧光发射辐亮度空间分布和半球辐出度空间分布；(4)计算周围地物的平均反射率因子和平均荧光光谱辐射通量；(5)分别计算地表对太阳直射和大气下行散射的反射辐亮度、对周围地物反射和荧光发射辐射的反射辐亮度、太阳直射下的荧光发射辐亮度、周围地物邻近效应辐亮度和大气上行散射辐亮度，最终计算得到大气层顶入瞳辐亮度。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法，属于遥感成像模拟技术，适用于全色、多光谱、高光谱遥感成像仿真。
背景技术
日光诱导叶绿素荧光(SIF)是叶绿素接收光照后发射的荧光，由于这一过程与光合作用的能力直接相关，近几十年SIF成为监测植被生长状态最有潜力的工具，并被称为植被光合作用“探针”。近十余年越来越多的高光谱分辨率遥感卫星数据被用来开展全球尺度和地区尺度的SIF探测。但是由于SIF信号弱，大气辐射传输过程影响大且机理复杂，通过卫星遥感数据反演SIF光谱困难。同时由于SIF探测需要成像光谱仪具有很高的光谱分辨率和相对较高的空间分辨率，专门用于SIF探测的星载成像光谱仪还处在研制阶段。解决上述两方面的难题，需要开展SIF探测机理研究、SIF反演算法精度评价以及不同探测条件下载荷SIF探测能力预测，高光谱遥感成像仿真正是开展上述工作的重要工具。
高光谱遥感成像仿真由高光谱场景仿真和成像系统仿真两部分组成。成像系统仿真技术相对成熟，难点是针对SIF的高光谱场景仿真。目前采用的方法主要分为采用SCOPE+MODTRAN模型和采用光线追迹模型(如DART模型)两类。采用SCOPE+MODTRAN模型的方法目前针对的是平坦均匀地表，忽略了地形造成的照明-观测几何关系变化以及地物间辐射传输的过程。FLEX-E的方法对SCOPE+MODTRAN模型进行改进，考虑了坡面上太阳直射的几何关系变化，但仍未考虑天空光照明的几何关系的变化以及地物间辐射传输过程的影响。地形起伏、地物空间分布对地表接收到的辐射以及地表反射和发射的辐射具有显著影响。实际成像过程面临大量起伏山地，因此准确模拟地形起伏和地物空间分布的影响对提升成像仿真精度很重要。采用DART模型的方法虽然考虑了地形和地物空间分布的影响，但由于使用光线追迹的算法，这种方法能够对少量植物和很小的成像范围进行精确成像仿真，然而这种方法建模过程复杂、计算量过大、效率过低，因此仅能用于辐射传输机理研究。对于中低空间分辨率大尺度的SIF卫星遥感成像过程仿真无能为力。
对于起伏地表的高光谱场景建模，目前已有较多研究，常用的方法包括直接利用MODTRAN计算地表和大气层顶的几个大气辐射传输分量，结合地表反射率因子，通过光线追迹的方法得到大气层顶入瞳辐亮度。这种方法计算量较大，精度与计算量直接相关，但物理过程更加直观。另一种方法通过辐射传输过程中辐射通量的传递关系推导出入瞳辐亮度，利用MODTRAN求解所需的大气辐射传输分量，结合地表的多种方向反射率因子模拟入瞳辐亮度。这种方式对于周围地物散射有一定近似，但更适用于卫星遥感成像尺度的模拟。目前上述这两种方法都没有加入对SIF的描述。
综上所述，目前的SIF高光谱成像仿真的方法要么仅适用于平坦均一植被冠层，要么仅适用于小尺度模型验证。SIF在辐射传输过程中既有直接辐射又有单次散射和多次散射等，目前能够考虑起伏非均一地表的辐射传输模型都不具备对SIF的模拟能力。因此在SIF探测和反演技术研究中需要有针对性的开发能够模拟起伏非均一地表荧光发射的场景仿真方法。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法，解决了现有SIF仿真方法不能推广到大尺度复杂地表，卫星数据反演SIF与地表测量SIF不对应的问题，为提升星载高光谱数据SIF反演精度提供了重要的算法和数据支撑。
本发明的技术方案是：一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法，包含以下步骤：
(1)利用大气利用辐射传输模型计算水平地表下的大气辐射分量包括：大气层顶太阳辐照度、大气上行反射率、大气层底反照率、太阳直射透过率、太阳散射透过率、观测方向散射透过率、观测方向透过率；
(2)利用地形、太阳照明方向和观测方向计算地形辐射传输参数，包括坡面照明-观测几何关系、遮挡系数、天空光可见系数、背景可见系数；
(3)计算场景中每种地物的反射率因子空间分布、二向发射荧光发射辐亮度空间分布和半球辐出度空间分布，并逐像元提取地表每个模版范围内不同位置在观测角度上的反射率因子、二向发射荧光发射辐亮度和半球辐出度；
(4)计算周围地物的平均反射率因子和平均荧光光谱辐射通量；
(5)计算得到大气层顶入瞳辐亮度，完成方针过程。
所述步骤(2)中坡面照明-观测几何关系包括坡面太阳天顶角、坡面太阳方位角、坡面观测天顶角、坡面观测方位角。
所述坡面太阳天顶角θs′的计算公式为：
其中，β和为地表坡度和坡向，/>为水平地表太阳天顶角和方位角。
所述坡面太阳方位角的计算公式为：
所述坡面观测天顶角θo′的计算公式为：
其中，为观测天顶角和方位角。
所述坡面观测方位角的计算公式为：
所述步骤(2)中所述的遮挡系数为像元是否受到太阳直射的状态，天空光可见系数Vsky为天空在像元以上半球空间内所占的比例，背景可见系数Vterr为背景在像元以上半球空间内所占的比例。
所述步骤(3)中计算地物的反射率因子、二向发射荧光发射辐亮度空间分布和半球辐出度空间分布采用辐射传输模型计算得到；辐射传输模型采用针对一维均匀冠层的模型或针对垄行作物的二维辐射传输模型或针对三维辐射传输模型，模型必须能够对荧光发射辐亮度进行仿真。
所述步骤(3)中的反射率因子、二向发射荧光发射辐亮度和半球辐出度通过在三者的空间分布数据中根据坡面照明-观测几何关系插值获得。
所述步骤(5)计算得到大气层顶入瞳辐亮度的具体过程为：
其中，Es(t)为大气层顶太阳辐照度，ρso为大气上行反射率，ρdd为大气层底反照率，τss为太阳直射透过率，τsd为太阳散射透过率，τdo为观测方向散射透过率，τoo为观测方向透过率，rso为观测方向的坡面地表二向反射率因子、为周围地物的平均地表方向半球反射率因子、rdo为观测方向的坡面地表半球方向反射率因子、/>为周围地物的平均地表反照率、SIFs为观测方向的荧光发射辐亮度，SIFd为荧光半球辐出度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)通过引入地表的方向反射率因子和SIF方向发射量能够准确模拟地表反射和发射的非均一特性，解决了传统起伏地形场景建模方法中缺乏对SIF发射模拟的问题；
(2)通过采用辐射度方法建立起伏非均一地表的辐射传输模型，解决了传统卫星遥感SIF探测仿真仅能模拟平坦均一地表，不适用于起伏非均一地表的问题。同时解决了采用辐射传输模型难以模拟大尺度场景的问题。
(3)本发明可以针对起伏非均一地表，充分考虑地物的方向反射特性以及荧光的方向发射特性，实现高光谱场景精确仿真。对精确模拟卫星遥感SIF探测和SIF反演有至关重要的意义。
附图说明
图1为本方法的技术流程图，
图2为场景数字高程模型，
图3为场景地物分布图，
图4为670nm模拟入瞳辐亮度影像图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明涉及的日光诱导叶绿素荧光高光谱场景仿真方法，下面结合附图1所示流程，将某场景为例，对地伏地表日光诱导叶绿素荧光场景仿真。
(1)针对山东省西部山区的大气特性，分别输入大气类型、气溶胶类型、水汽含量、CO2含量、太阳照明方位和成像方位，利用MODTRAN计算大气辐射传输参量。此处采用MIT算法，首先用MODTRAN计算大气层顶位置的大气上行透过率TRAN，垂直方向太阳辐照度SOL@OBS，地表反照率为0.5和1条件下地表和大气程辐射辐亮度PATH0.5、PATH1，地表反射辐亮度GRT0.5、GRT1，太阳直射反射辐亮度GSUN0.5、GSUN1。之后利用下式计算各大气参量，其中Es(t)为大气层顶太阳辐照度，ρso为大气上行反射率，ρdd为大气层底反照率，τss为太阳直射透过率，τsd为太阳散射透过率，τdo为观测方向散射透过率，τoo为观测方向透过率，θs为水平地表太阳天顶角。
(2)导入区域DEM如图2所示，利用地形、太阳照明方向和观测方向计算地形辐射参数，包括坡面照明-观测几何关系、遮挡系数、天空光可见系数、背景可见系数。
基于下式计算坡面照明-观测几何关系，包括坡面太阳天顶角θs′、太阳方位角观测天顶角θo′、观测方位角/>
其中，β和为地表坡度和坡向，/>为水平地表太阳方位角。
利用光线追迹的方法逐项元计算太阳直射光被地形遮挡情况，得到遮挡系数。基于下式计算倾斜条件下的太阳直射比例系数。
对像元以上半球空间内天空所占的面积进行积分以计算天空光可见系数Vsky，再基于下式计算天空光比例系数Fsky。
基于下式计算背景可见系数Vterr。
(3)导入场景高分辨率分类图如图3所示。利用SCOPE模型计算植被的反射率因子和荧光发射辐亮度、辐出度并保存在场景数据库中。从数据库中提取植被和三种岩石的二向反射率因子方向半球反射率因子/>半球方向反射率因子/>地表反照率/>空间分布、二向发射荧光发射辐亮度空间分布/>和半球辐出度空间分布/>对场景中的每个像元划定模板，根据模板中每个像元的坡面照明-观测几何参数θs、θs′、θo、θo′提取反射率因子rso、rsd、rdo、rdd和荧光发射辐亮度SIFs、半球空间辐出度SIFd。
(4)在模板内计算邻近地物的反射率因子以及周围地物的荧光发射通量/>
(5)利用步骤(1)-(4)的计算结果，基于如下表达式计算大气层顶入瞳辐亮度，如图4所示。
其中Es(t)为大气层顶太阳辐照度，ρso为大气上行反射率，ρdd为大气层底反照率，τss为太阳直射透过率，τsd为太阳散射透过率，τdo为观测方向散射透过率，τoo为观测方向透过率，rso为观测方向的坡面地表二向反射率因子、rdo为观测方向的坡面地表半球方向反射率因子、SIFs为观测方向的荧光发射辐亮度，SIFd为荧光半球辐出度。
Claims (8)
1.一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)利用大气利用辐射传输模型计算水平地表下的大气辐射分量包括：大气层顶太阳辐照度、大气上行反射率、大气层底反照率、太阳直射透过率、太阳散射透过率、观测方向散射透过率、观测方向透过率；
(2)利用地形、太阳照明方向和观测方向计算地形辐射传输参数，包括坡面照明-观测几何关系、遮挡系数、天空光可见系数、背景可见系数；
(3)计算场景中每种地物的反射率因子空间分布、二向发射荧光发射辐亮度空间分布和半球辐出度空间分布，并逐像元提取地表每个模版范围内不同位置在观测角度上的反射率因子、二向发射荧光发射辐亮度和半球辐出度；
(4)计算周围地物的平均反射率因子和平均荧光光谱辐射通量；
(5)计算得到大气层顶入瞳辐亮度，完成仿真过程；
所述步骤(2)中坡面照明-观测几何关系包括坡面太阳天顶角、坡面太阳方位角、坡面观测天顶角、坡面观测方位角；
所述步骤(5)计算得到大气层顶入瞳辐亮度的具体过程为：
其中，Es(t)为大气层顶太阳辐照度，ρso为大气上行反射率，ρdd为大气层底反照率，τss为太阳直射透过率，τsd为太阳散射透过率，τdo为观测方向散射透过率，τoo为观测方向透过率，rso为观测方向的坡面地表二向反射率因子、为周围地物的平均地表方向半球反射率因子、rdo为观测方向的坡面地表半球方向反射率因子、/>为周围地物的平均地表反照率、SIFs为观测方向的荧光发射辐亮度，SIFd为荧光半球辐出度。
2.根据权利要求1所述的一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法，其特征在于：所述坡面太阳天顶角θs′的计算公式为：
其中，β和为地表坡度和坡向，/>为水平地表太阳天顶角和方位角。
3.根据权利要求2所述的一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法，其特征在于：所述坡面太阳方位角的计算公式为：
。
4.根据权利要求3所述的一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法，其特征在于：所述坡面观测天顶角θo′的计算公式为：
其中，为观测天顶角和方位角。
5.根据权利要求4所述的一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法，其特征在于：所述坡面观测方位角的计算公式为：
。
6.根据权利要求1所述的一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述的遮挡系数为像元是否受到太阳直射的状态，天空光可见系数Vsky为天空在像元以上半球空间内所占的比例，背景可见系数Vterr为背景在像元以上半球空间内所占的比例。
7.根据权利要求1所述的一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法，其特征在于：所述步骤(3)中计算地物的反射率因子、二向发射荧光发射辐亮度空间分布和半球辐出度空间分布采用辐射传输模型计算得到；辐射传输模型采用针对一维均匀冠层的模型或针对垄行作物的二维辐射传输模型或针对三维辐射传输模型，模型必须能够对荧光发射辐亮度进行仿真。
8.根据权利要求1所述的一种针对起伏地表的日光诱导叶绿素荧光场景仿真方法，其特征在于：所述步骤(3)中的反射率因子、二向发射荧光发射辐亮度和半球辐出度通过在三者的空间分布数据中根据坡面照明-观测几何关系插值获得。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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