[發明專利]一種通用的水生植被輻射傳輸模型

有效

• 申請號: 201310565983.9
• 申請日: 2013-11-14
• 公開（公告）號: CN103632040A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 周冠華;趙慧潔;牛春躍;徐武健
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G06F17/50;G01N21/47
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

（一）所屬技術領域

本發明涉及一種通用的水生植被輻射傳輸模型，屬于光學遙感領域，在水色遙感技術研究和定量化應用方面具有重要意義。

（二）背景技術

自然界的淺水水域（湖泊、河流、濕地、近岸水域等）生長的水生植被可以分為：挺水植被、浮水植被及沉水植被。相對水體，水生植被具有相對較高的反射率以及明顯的光譜反射特征，因此水生植被的存在會對光學淺水遙感信號產生顯著的影響。因此，科學認識水生植被的光譜反射特性及二向反射特性，對水生植被的遙感監測、淺水水域水質參數反演等具有非常重要的意義。

反射光譜與二向性反射是自然界中物體對電磁波反射的基本宏觀現象，即反射與波長有關，具有方向性，這些特性與物質組成、物體表面結構等具有密切的關系。不同物體表面將入射的電磁波朝四面八方散射（除吸收外），形成散射通量不同的空間分布，反射的方向性是其空間結構特征與材料波譜特征的函數。物體的反射特性通常用二向性反射分布函數（Bidirectional?Reflectance?Distribution?Function,BRDF）加以精確描述。

大量事實與研究表明，水生植被的存在會影響淺水水體的反射光譜特性與二向反射特性。植被的二向反射特性及水體的光譜反射特性研究在國內外取得了長足的進展，并發展出一些比較成熟的植物冠層方向反射模型以及淺水水體反射模型。但水生植被二向反射特性的研究相對較少。這主要是由于影響水生植被光譜方向性的因素較多，現場原位測量比較困難，水面的波動、水生植被的非均勻分布等都能引起較大誤差，難以通過實驗精確測量。以往的諸多相關研究多側重于水生植被反射光譜的測量，多針對沉水植被或某些特定植被，而不考慮水生植被反射的方向性。實際上水生植被的存在會顯著影響水體的反射光譜與方向反射特性，水生植被的反射特性與陸地植被也具有明顯的差異，因此需要對真實的水生植被的反射特性進行合理地描述。

本發明借鑒典型的陸地植被冠層模型（SAIL模型）、PROSPECT葉片輻射傳輸模型、Cox-Munk波浪水面模型、二類水體光學模型，構建一種通用的水生植被輻射傳輸模型，對于淺水遙感中正確計算水生植被的反射光譜與方向反射特性，實現水生植被的遙感監測與參數反演具有重要的意義以及應用價值。

（三）發明內容

本發明涉及一種通用的水生植被輻射傳輸模型。技術解決方案是：將整個水生植被系統分為若干層，使得每層皆可視為均勻混合、水平光學特性一致的介質層；將植被冠層結構參數、觀測幾何等條件，與PROSPECT模型計算得到的單個葉片反射率與透過率輸入到SAIL模型，計算植被冠層對輻射的消光與散射系數；給定水體組分（葉綠素、非藻類顆粒物、有色可溶有機物）濃度，基于二類水體模型計算水體的吸收與后向散射系數，并根據需要計算水體與植被混合介質層的消光與散射系數；根據SAIL模型計算介質層對直射輻射與漫射輻射的散射矩陣；根據Cox-Munk模型計算波浪水面對直射輻射與漫射輻射的散射矩陣；根據累加法計算水生植被系統的二向反射率。其具體步驟如下：

1一種通用的水生植被輻射傳輸模型。其特征在于包含以下步驟：

（1）將整個水生植被系統分為若干層；

（2）將植被冠層結構參數、觀測幾何等條件，與PROSPECT模型計算得到的單個葉片反射率與透過率輸入到SAIL模型，計算植被冠層對輻射的消光與散射系數；

（3）基于二類水體模型計算水體的吸收與后向散射系數，并根據需要計算水體與植被混合介質層的消光與散射系數；

（4）根據SAIL模型計算介質層對直射輻射與漫射輻射的散射矩陣；

（5）根據Cox-Munk模型計算波浪水面對直射輻射與漫射輻射的散射矩陣；

（6）根據累加法計算水生植被系統的二向反射率。

2根據權利1要求所述的一種通用的水生植被輻射傳輸模型，其特征在于：步驟（1）中所述的“將整個水生植被系統分為若干層”，具體計算過程如下：根據水生植被系統豎直方向上光學特性的變化，將系統分為水體、植被冠層、水體與植被混合層三類介質，分層要足夠精細，以使得每層皆可視為均勻混合、水平光學特性一致的介質。

3根據權利1要求所述的一種通用的水生植被輻射傳輸模型，其特征在于：步驟（2）中所述的“將植被冠層結構參數、觀測幾何等條件，與PROSPECT模型計算得到的單個葉片反射率與透過率輸入到SAIL模型，計算植被冠層對輻射的消光與散射系數”，具體計算過程如下：

第一步：根據PROSPECT模型計算單個葉片的反射率及透過率；