[发明专利]一种离散森林场景热红外辐射传输模拟方法

权利要求书

1.一种离散森林场景热红外辐射传输模拟方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1、考虑森林的三维结构，将整个森林场景按照类别和温度差异划分为四层，从上向下依次包括上层树冠、中层树干、林下植被和底层土壤；通过直接辐射模拟、多次散射模拟对各组分可见比例进行计算，最后计算出热红外波段冠层顶表面热辐射量；

S2、对每层的组分进行离散，按照几何结构划分为不同的格网或者子层；

S3、直接辐射模拟：按照格网内叶面积密度计算每层组分的光照和阴影可视比例，通过普朗克函数计算组分的直接发射项；

S4、多次散射模拟：按照光谱不变理论计算组分间的多次散射项；

S5、冠层顶发射项等于直接发射项和多次散射项之和。

2.根据权利要求1所述的离散森林场景热红外辐射传输模拟方法，其特征在于：所述步骤S1中，在热红外波段，表面辐射分为组分辐射和大气辐射两部分，特定波长的冠层顶表面热辐射量(L)由下式计算：

其中：θ₁，θ₂分别代表太阳和观测的天顶角；表示观测角度和光线角度的相对方位角；T_j和ε_j代表j组分的温度和发射率；f代表组分的可见比例；ε_m代表多次散射效应，指从一个组分发射并由其他组分反射到传感器的辐射；ε_e代表冠层的有效发射率；代表大气有效下行辐射；B代表普朗克函数；其中代表j组分的直接辐射贡献；ε_m，j为j组分的多次散射项贡献，计算出每个组分的直接辐射和多次散射贡献，然后将其累加/积分则为冠层顶的热辐射。

3.根据权利要求2所述的离散森林场景热红外辐射传输模拟方法，其特征在于：所述直接辐射模拟中，上层树冠可见比例的具体计算如下：

基于双向孔隙率计算出一个体元中光照和阴影树叶的可见比例，然后使用所有相应的体积元素的总和来计算光照和阴影树冠的可见比例，计算公式如下所示：

f_c，s(r₂)＝∑f_c，k，s(r₁，r₂) 公式二

f_c，h(r₂)＝∑f_c，k，h(r₁，r₂) 公式三

f_c，k，h(r₁，r₂)＝f_c，k(r₂)-f_c，k，s(r₁，r₂) 公式六

其中，f_c，k，f_c，k，s和f_c，k，h分别代表第k层树冠的可见比例、光照树冠的可见比例和阴影树冠的可见比例；f_c，s和f_c，h为整个树冠的可见光照比例和可见阴影比例；(x，y，z)代表树冠内点M的坐标；V_k代表第k层树冠包络的空间区域；r₁和r₂分别代表光照和观测方向；λ代表树冠的密度；p₀₀代表由点(x，y，z)的r₁和r₂计算出的双向孔隙率；u_L代表树冠内叶片的体密度；G代表投影在观测或光照方向的叶片的比例，对于球形叶倾角分布函数(LIDF)，固定为0.5；G(θ₂)代表树叶在θ₂方向的投影；

在热红外波段，假设所有组分均为朗伯体，叶片的贡献直接反映在其截面上，因此，双向孔隙率由两个独立分布概率的乘积表示，计算公式如下所示：

p₀₀(x，y，z，r₁，r₂)＝p₁(x，y，z，r₁，r₂)·p₂(z，r₁，r₂) 公式七

其中，p₁表示冠层内双向孔隙率；p₂表示冠层间双向孔隙率；

假设在树冠中均为均质的叶片，p₁主要取决于点在树冠中的位置和叶面体积密度，p₂主要取决于树密度和叶面体积密度，计算p₁和p₂的公式如下所示：

p₁(x，y，z，r₁，r₂)＝a_i(s₁，θ₁)a_i(s₂，θ₂)C_HS1(s₁，s₂，θ₁，θ₂) 公式八

a_i(s，θ)＝exp[-su_LG(θ)] 公式九

其中，a_i(s，θ)代表方向为θ的点到冠层表面的间隙距离；C_HS1为热点校正因子，描述了冠层内部叶片在光照和观测投影内的重叠效应；θ₁和θ₂为太阳天顶角和观测天顶角；S_AB为路径长度的重叠；S₁和s₂分别代表从点(x，y，z)沿光照和观测方向到冠层顶面之间的路径长度；α表示r₁和r₂之间的立体角；b为热点因子，特定的球形叶倾角分布函数为16/(d_Lπ²)，水平叶倾角分布函数为4/(d_Lπ)；p₂用于表示树冠之间的多次阴影效应，由树冠中向上的点M₁(x₁，y₁，z₁)和M₂(x₂，y₂，z₂)计算：

p₂(z，r₁，r₂)＝a_s(z₁，θ₁)a_s(z₂，θ₂)C_HS2(z₁，z₂，l₁₂，r₁，r₂) 公式十二

C_HS2(z₁，z₂，l₁₂，r₁，r₂)＝exp[λcS_c(z₁，z₂，l₁₂，r₁，r₁)p₀] 公式十三

其中，a_s(z，θ)是在方向θ、高度为z的冠层间隙的平均比例；C_HS2也为热点校正因子，描述光照和观测方向上阴影冠层内部特征；参数c表征树的分布模式与泊松分布的偏差；S_c(z₁，z₂，l₁₂，r₁，r₁)为光照和观测方向上树冠投影区域的公共部分面积，对应高度为z₁，z₂以及水平距离l₁₂；p₀为树冠内的联合孔隙率；孔隙率a_s(z，θ_r)在假设树为二项分布的情况下，计算如下：

a_s(z，θ_r)＝exp[-λ[b(z，θ_r)S_crown(z，θ_r)+S_trunk(z，θ_r)]] 公式十四

b(z，θ_r)＝ln[1-(1-a′(z，θ_r)(1-c)]/(1-c) 公式十五

其中，S_crown为第z层冠层顶部的投影面积；S_trunk为第z层的树干投影面积；a′(z，θ_r)为第z树冠在θ_r方向上的孔隙率，a′(z，θ_r)公式具体如下：

其中，V(z)为z高度以上树冠的体积。