[发明专利]一种离散森林场景热红外辐射传输模拟方法

说明书

本发明公开了一种离散森林场景热红外辐射传输模拟方法，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；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。本发明通过建立冠层顶热辐射与冠层内各组分温度状态的联系，不仅适用性广泛且模拟精度高。

技术领域

本发明涉及一种新的热红外波段辐射传输模拟方法，尤其涉及一种离散森林场景热红外辐射传输模拟方法。

背景技术

地表温度(LST)是森林植被生长评价、干旱和火情监测等方面的重要指标，是地球表面能量平衡和水循环过程的重要输入参量。利用遥感的手段，可以获取大范围的地表温度信息。从卫星热红外观测数据反演得到的地表温度通常是由像元内部不同组分共同作用的结果。因此像素平均温度并不能直接反应森林内部的温度分布，而需要将不同组分的作用考虑在内。由于组分的物理性质以及三维结构的异质性，地表温度反演会受到观测以及光照几何角度的显著影响。

森林的结构十分复杂，呈现出明显的层状分布，例如顶层的树冠、中间层的树干以及底层的灌木、草地以及土壤。森林场景热辐射的方向性可导致明显的温度差异，而温度的差异体现在组分间以及组分内部的温度差异。然而，在许多前向热红外模型中，仅假设了四个分量(如光照冠层、阴影冠层、光照土壤以及阴影土壤)，并未将树干以及下层植被的影响考虑在内。特别是对于落叶林等森林景观，在特定的时期，树干等成为了传感器视场内的主要组成成分，这对于亮温(亮度温度)的方向异质性有着显著的影响。除三维结构的垂直异质性外，冠层的垂直温度分布也是引起亮温角度观测差异性的重要因素。树木的叶片温度垂直变化明显，最高可达15℃，不同层次的叶片的可观测比例及其对于冠层顶亮温的贡献程度随着视角的变化而变化。在现有的许多辐射传输模型中的光照和阴影叶片平均温度的假设并不能反应这种现象。

目前，在可见光和近红外波段的辐射传输模型中，有部分模型考虑到了森林冠层结构的异质性特点，如GOSAIL模型、4SCALE模型、FRT模型等。但是在反演地表温度的热红外波段，并没有考虑林冠结构和温度的垂直异质性的相关模型。与此同时，将相关的近红外模型扩展到热红外波段的解决思路已经被许多研究所采用，如SAIL模型、TRGM模型等。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种离散森林场景热红外辐射传输模拟方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种离散森林场景热红外辐射传输模拟方法，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。

进一步地，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：