[发明专利]一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型

摘要

本发明涉及一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型。其步骤如下根据输入的冠层结构参数生成水生植被场景；将空间划分为均匀栅格，建立辅助数据结构；建立波浪水面散射方向查找表；将天球按照等角度或等立体角划分为若干区域；在水生植被‑水体耦合系统中追踪给定数量的光子包；根据每个区域接收到光子的总权重计算水生植被的方向反射率。本发明能较好地模拟不同类型水生植被的冠层结构元素的分布特性，实现不同冠层结构参数、水体组分浓度等条件下水生植被方向反射特性的精确模拟，是研究入射太阳辐射与水生植被冠层相互作用机理的有力工具。此外本发明是一种三维计算机模拟模型，具有计算精度高、适用性强等优点，可以部分地替代野外实验与其他类型的水生植被冠层反射模型进行对比验证。

主权项

一种湿地水生植被冠层BRDF蒙特卡洛模型，其特征在于包含以下步骤：(1)根据输入的冠层结构参数生成水生植被场景，具体计算过程如下：第一步：根据水生植被类型将场景分层，以等边三角形代替植物叶片，根据输入的场景尺寸、叶面积指数、叶片边长、场景分层信息计算每层介质中叶片的个数；第二步：根据输入的叶倾角分布参数，按照SAIL模型计算叶片叶倾角的累积概率分布函数；第三步：在场景内随机生成叶片重心位置，根据叶倾角累积概率分布函数生成叶片叶倾角，之后可以计算叶片三个顶点的坐标、叶片法向量数据；(2)将空间划分为均匀栅格，建立辅助数据结构，具体计算过程如下：第一步：根据栅格数与叶片数的关系计算x、y、z三个方向上的栅格个数及栅格尺寸；第二步：根据叶片在x、y、z三个方向上坐标的最小值与最大值，建立每个栅格与位于其中的叶片编号的映射关系；(3)建立波浪水面散射方向查找表，其计算过程如下：第一步：按照1°天顶角间隔与1°方位角间隔对天球进行划分；第二步：根据波浪水面的二向散射分布函数，其中散射包括反射及透射两种过程，及能量守恒定律计算不同入射角情况下，波浪水面出射能量的分布，其中，θs、分别为入射天顶角及方位角；θo、分别为观测天顶角及方位角；f为波浪水面的二向反射分布函数或二向透射分布函数，入射天顶角的取值范围是0°到180°，其中0°表示竖直向上，从水中入射，180°表示竖直向下，从空气中入射；第三步：将计算出的出射能量分布进行归一化并删除较小的增量，建立出射能量的累积概率分布函数；(4)将天球按照等角度或等立体角划分为若干区域；具体计算过程如下：根据研究问题的需要将上半球空间按照等角度间隔或者等立体角间隔进行划分；(5)在水生植被—水体耦合系统中追踪给定数量的光子包；具体计算过程如下：第一步：在场景顶部随机生成入射光子的初始位置，光子的初始入射方向根据直射光与漫射光的比例、太阳方向及天空光分布模型确定；第二步：光子在步骤(2)建立的栅格中进行传播，并与当前栅格中的三角形叶片进行相交判断：若光子不与当前栅格中的所有叶片相交则继续移动到下一个栅格；若光子与当前栅格中的叶片相交，则寻找与光子当前位置最近的交点，并根据叶片的反射率、透过率及吸收系数计算光子被叶片拦截后的出射方向及权重的变化；当光子穿过水面时，根据步骤(3)中建立的波浪水面散射方向查找表确定光子的出射方向；当光子传播到场景的四周边界时，将光子移动到当前边界面的对侧继续进行传播；假设水底为朗伯体，当光子传播到水底时，根据水底的反射率计算光子的权重变化及反射方向；第三步：当光子从场景顶部出射或者权重小于给定阈值时进行如下处理：对于前者，需要根据光子的出射方向确定其落入的上半球空间的区域；对于后者，需要利用轮盘确定接下来是增大当前光子的权重并继续跟踪，还是停止当前光子的跟踪并生成一个新的光子；(6)根据每个区域接收到光子的总权重计算水生植被的方向反射率，具体计算过程如下：出射方向的反射率可以表示为r＝πWo/(dΩoWs)其中，dΩo是出射方向对应天球区域的投影立体角，Ws是入射光子的总权重，在观测方向对应区域内的出射光子总权重为Wo。