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1、(10)申请公布号 CN 103632040 A (43)申请公布日 2014.03.12 CN 103632040 A (21)申请号 201310565983.9 (22)申请日 2013.11.14 G06F 19/00(2011.01) G06F 17/50(2006.01) G01N 21/47(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 周冠华 赵慧洁 牛春跃 徐武健 (54) 发明名称 一种通用的水生植被辐射传输模型 (57) 摘要 本发明涉及一种通用的水生植被辐射传输 模型。其步骤如下 ： 将整个水生植被。
2、系统分为若 干均匀混合、 水平光学特性一致的介质层 ； 将植 被冠层结构参数、 观测几何等条件， 与 PROSPECT 模型计算得到的单个叶片反射率与透过率输入 到 SAIL 模型， 计算植被冠层对辐射的消光与散 射系数 ； 给定水体组分浓度， 基于二类水体光学 模型计算水体的吸收与后向散射系数， 进而计算 水体与植被混合介质层的消光与散射系数 ； 根据 Cox-Munk 模型计算波浪水面对直射辐射与漫射 辐射的散射矩阵 ； 根据累加法计算水生植被系统 的二向反射率。本发明能实现对水生植被反射光 谱与方向反射特性的精确描述， 是实现辐射与水 生植被相互作用机理研究和水环境参数的精确遥 感反演的。
3、前提与基础。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103632040 A CN 103632040 A 1/3 页 2 1. 一种通用的水生植被辐射传输模型。其特征在于包含以下步骤 ： （1） 将整个水生植被系统分为若干层 ； （2） 将植被冠层结构参数、 观测几何等条件， 与 PROSPECT 模型计算得到的单个叶片反 射率与透过率输入到 SAIL 模型， 计算植被冠层对辐射的消光与散射系数 ； （3） 基于二类水体模型计算水体的吸。
4、收与后向散射系数， 并根据需要计算水体与植被 混合介质层的消光与散射系数 ； （4） 根据 SAIL 模型计算介质层对直射辐射与漫射辐射的散射矩阵 ； （5） 根据 Cox-Munk 模型计算波浪水面对直射辐射与漫射辐射的散射矩阵 ； （6） 根据累加法计算水生植被系统的二向反射率。 2.根据权利1要求所述的一种通用的水生植被辐射传输模型， 其特征在于 ： 步骤 （1） 中 所述的 “将整个水生植被系统分为若干层” ， 具体计算过程如下 ： 根据水生植被系统竖直方 向上光学特性的变化， 将系统分为水体、 植被冠层、 水体与植被混合层三类介质， 分层要足 够精细， 以使得每层皆可视为均匀混合、 。
5、水平光学特性一致的介质。 3.根据权利1要求所述的一种通用的水生植被辐射传输模型， 其特征在于 ： 步骤 （2） 中 所述的 “将植被冠层结构参数、 观测几何等条件， 与 PROSPECT 模型计算得到的单个叶片反 射率与透过率输入到SAIL模型， 计算植被冠层对辐射的消光与散射系数” ， 具体计算过程如 下 ： 第一步 ： 根据 PROSPECT 模型计算单个叶片的反射率及透过率 ； 第二步 ： 将单个叶片的反射率及透过率、 叶片冠层结构参数、 观测几何等条件输入 SAIL 模型， 计算植被冠层对辐射的消光与散射系数。 4.根据权利1要求所述的一种通用的水生植被辐射传输模型， 其特征在于 ：。
6、 步骤 （3） 中 所述的 “基于二类水体模型计算水体的吸收与后向散射系数， 并根据需要计算水体与植被 混合介质层的消光与散射系数” ， 其计算过程如下 ： 第一步 ： 计算水体的吸收与后向散射系数 aw()=apw()+aph()+aNAP()+aCDOM() bbw()=bbpw()+bbp() 其中， aw() 为水体的吸收系数， bbw() 为水体的后向散射系数， 为波长。下标中， pw 代表纯水， ph 代表浮游植物， NAP 代表非藻类颗粒物， CDOM 代表有色可溶有机物， p 代表 颗粒物 （包括浮游植物与非藻类颗粒物） ； 第二步 ： 计算水体对介质层消光与散射系数的贡献 w。
7、=bbw+aw w=bbw sw=bbwsecs s w=bbwsecs kw=(aw+bbw)secs Kw=(aw+bbw)seco vw=bbwseco v w=bbwseco ww=bbwsecsseco 权 利 要 求 书 CN 103632040 A 2 2/3 页 3 其中， 是漫射辐射的衰减系数， 是漫射辐射的后向散射系数， s、 s分别是太阳直 射辐射的后向散射系数、 前向散射系数， v、 v、 w 分别是下行漫射辐射、 上行漫射辐射、 太阳 直射辐射散射到观测方向的散射系数， k、 K 分别是太阳直射辐射、 观测方向等效辐射的消光 系数， 下标 w 代表水体的贡献。s、 o。
8、分别是太阳天顶角与观测天顶角， 为经验系数， 取值 1.4 ； 第三步 ： 对于水体与植被混合介质， 将水体对介质消光及散射系数的贡献乘以水体在 混合介质中的体积比， 再与植被贡献相加。 5.根据权利1要求所述的一种通用的水生植被辐射传输模型， 其特征在于 ： 步骤 （4） 中 所述的 “根据 SAIL 模型计算介质层对直射辐射与漫射辐射的散射矩阵” ， 具体计算过程如 下 ： 求解 SAIL 模型的辐射传输方程组 其中， Es为太阳直射辐射， E-为下行漫射辐射， E+为上行漫射辐射， Eo为观测方向等效 辐射。将解写为如下矩阵形式 其中的系数矩阵即为介质层的散射矩阵 ； 辐射量的标注中， 。
9、0 表示介质层顶部， -1 表 示介质层底部。、 分别表示反射因子及透射因子， 双下标分别表示入射辐射及出射辐 射类型 ： s 代表太阳直射辐射， o 代表观测方向等效辐射， d 代表上行或下行漫射辐射。 6.根据权利1要求所述的一种通用的水生植被辐射传输模型， 其特征在于 ： 步骤 （5） 中 所述的 “根据 Cox-Munk 模型计算波浪水面对直射辐射与漫射辐射的散射矩阵” ， 具体计算 过程如下 第一步 ： 根据 Cox-Munk 模型计算波浪水面的二向反射分布函数与二向透射分布函数 其中，分别为二向反射分布函数与二向透射分布函数 ； 、 t分别为入射角及折射角， r()、 t() 分别。
10、为以 入射时的菲涅尔反射率与透过 率， nw为水体折射率， 为波浪面元倾角，a 为入射方向与观测方向 的夹角， p(z x,zy) 为波浪坡度概率， S(s,o, 2) 为遮挡因子 ； 第二步 ： 根据 SAIL 模型对散射矩阵中各元素的定义计算水面的散射矩阵 ； 权 利 要 求 书 CN 103632040 A 3 3/3 页 4 其中， 0- 表示水面以下， 0+ 表示水面以上， 漫射辐射反射因子与透射因子的脚标中， aw 代表下行辐射， wa 代表上行辐射。 7.根据权利1要求所述的一种通用的水生植被辐射传输模型， 其特征在于 ： 步骤 （6） 中 所述的 “根据累加法计算水生植被系统的。
11、二向反射率” ， 具体计算过程如下 第一步 ： 根据累加法计算被分为多层的水生植被系统的二向反射特性矩阵 ； 第二步 ： 根据入射的直射辐射与漫射辐射的比例， 计算水生植被的二向反射率 r=(soEs+doEsky)/(Es+Esky) 其中， so、 do分别是水生植被系统的二向反射因子、 半球 - 方向反射因子， Es、 Esky分 别是太阳与天空光的辐照度。 权 利 要 求 书 CN 103632040 A 4 1/5 页 5 一种通用的水生植被辐射传输模型 （一） 所属技术领域 0001 本发明涉及一种通用的水生植被辐射传输模型， 属于光学遥感领域， 在水色遥感 技术研究和定量化应用方。
12、面具有重要意义。 （二） 背景技术 0002 自然界的浅水水域 （湖泊、 河流、 湿地、 近岸水域等） 生长的水生植被可以分为 ： 挺 水植被、 浮水植被及沉水植被。 相对水体， 水生植被具有相对较高的反射率以及明显的光谱 反射特征， 因此水生植被的存在会对光学浅水遥感信号产生显著的影响。 因此， 科学认识水 生植被的光谱反射特性及二向反射特性， 对水生植被的遥感监测、 浅水水域水质参数反演 等具有非常重要的意义。 0003 反射光谱与二向性反射是自然界中物体对电磁波反射的基本宏观现象， 即反射与 波长有关， 具有方向性， 这些特性与物质组成、 物体表面结构等具有密切的关系。不同物体 表面将入。
13、射的电磁波朝四面八方散射 （除吸收外） ， 形成散射通量不同的空间分布， 反射的 方向性是其空间结构特征与材料波谱特征的函数。 物体的反射特性通常用二向性反射分布 函数 （Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF） 加以精确描述。 0004 大量事实与研究表明， 水生植被的存在会影响浅水水体的反射光谱特性与二向反 射特性。植被的二向反射特性及水体的光谱反射特性研究在国内外取得了长足的进展， 并 发展出一些比较成熟的植物冠层方向反射模型以及浅水水体反射模型。 但水生植被二向反 射特性的研究相对较少。这主要是由于影响水生植被光谱方向性。
14、的因素较多， 现场原位测 量比较困难， 水面的波动、 水生植被的非均匀分布等都能引起较大误差， 难以通过实验精确 测量。以往的诸多相关研究多侧重于水生植被反射光谱的测量， 多针对沉水植被或某些特 定植被， 而不考虑水生植被反射的方向性。实际上水生植被的存在会显著影响水体的反射 光谱与方向反射特性， 水生植被的反射特性与陆地植被也具有明显的差异， 因此需要对真 实的水生植被的反射特性进行合理地描述。 0005 本发明借鉴典型的陆地植被冠层模型 （SAIL 模型） 、 PROSPECT 叶片辐射传输模型、 Cox-Munk 波浪水面模型、 二类水体光学模型， 构建一种通用的水生植被辐射传输模型， 。
15、对于 浅水遥感中正确计算水生植被的反射光谱与方向反射特性， 实现水生植被的遥感监测与参 数反演具有重要的意义以及应用价值。 （三） 发明内容 0006 本发明涉及一种通用的水生植被辐射传输模型。技术解决方案是 ： 将整个水生植 被系统分为若干层， 使得每层皆可视为均匀混合、 水平光学特性一致的介质层 ； 将植被冠 层结构参数、 观测几何等条件， 与 PROSPECT 模型计算得到的单个叶片反射率与透过率输入 到 SAIL 模型， 计算植被冠层对辐射的消光与散射系数 ； 给定水体组分 （叶绿素、 非藻类颗粒 物、 有色可溶有机物） 浓度， 基于二类水体模型计算水体的吸收与后向散射系数， 并根据需。
16、 要计算水体与植被混合介质层的消光与散射系数 ； 根据 SAIL 模型计算介质层对直射辐射 说 明 书 CN 103632040 A 5 2/5 页 6 与漫射辐射的散射矩阵 ； 根据 Cox-Munk 模型计算波浪水面对直射辐射与漫射辐射的散射 矩阵 ； 根据累加法计算水生植被系统的二向反射率。其具体步骤如下 ： 0007 1 一种通用的水生植被辐射传输模型。其特征在于包含以下步骤 ： 0008 （1） 将整个水生植被系统分为若干层 ； 0009 （2） 将植被冠层结构参数、 观测几何等条件， 与 PROSPECT 模型计算得到的单个叶 片反射率与透过率输入到 SAIL 模型， 计算植被冠层。
17、对辐射的消光与散射系数 ； 0010 （3） 基于二类水体模型计算水体的吸收与后向散射系数， 并根据需要计算水体与 植被混合介质层的消光与散射系数 ； 0011 （4） 根据 SAIL 模型计算介质层对直射辐射与漫射辐射的散射矩阵 ； 0012 （5） 根据 Cox-Munk 模型计算波浪水面对直射辐射与漫射辐射的散射矩阵 ； 0013 （6） 根据累加法计算水生植被系统的二向反射率。 0014 2 根据权利 1 要求所述的一种通用的水生植被辐射传输模型， 其特征在于 ： 步骤 （1） 中所述的 “将整个水生植被系统分为若干层” ， 具体计算过程如下 ： 根据水生植被系统竖 直方向上光学特性的。
18、变化， 将系统分为水体、 植被冠层、 水体与植被混合层三类介质， 分层 要足够精细， 以使得每层皆可视为均匀混合、 水平光学特性一致的介质。 0015 3 根据权利 1 要求所述的一种通用的水生植被辐射传输模型， 其特征在于 ： 步骤 （2） 中所述的 “将植被冠层结构参数、 观测几何等条件， 与 PROSPECT 模型计算得到的单个叶 片反射率与透过率输入到SAIL模型， 计算植被冠层对辐射的消光与散射系数” ， 具体计算过 程如下 ： 0016 第一步 ： 根据 PROSPECT 模型计算单个叶片的反射率及透过率 ； 0017 第二步 ： 将单个叶片的反射率及透过率、 叶片冠层结构参数、 。
19、观测几何等条件输入 SAIL 模型， 计算植被冠层对辐射的消光与散射系数。 0018 4 根据权利 1 要求所述的一种通用的水生植被辐射传输模型， 其特征在于 ： 步骤 （3） 中所述的 “基于二类水体模型计算水体的吸收与后向散射系数， 并根据需要计算水体与 植被混合介质层的消光与散射系数” ， 其计算过程如下 ： 0019 第一步 ： 计算水体的吸收与后向散射系数 0020 aw()=apw()+aph()+aNAP()+aCDOM() 0021 bbw()=bbpw()+bbp() 0022 其中， aw() 为水体的吸收系数， bbw() 为水体的后向散射系数， 为波长。下 标中， pw。
20、 代表纯水， ph 代表浮游植物， NAP 代表非藻类颗粒物， CDOM 代表有色可溶有机物， p 代表颗粒物 （包括浮游植物与非藻类颗粒物） 。 0023 第二步 ： 计算水体对介质层消光与散射系数的贡献 0024 w=bbw+aw 0025 w=bbw 0026 sw=bbwsecs 0027 s w=bbwsecs 0028 kw=(aw+bbw)secs 0029 Kw=(aw+bbw)seco 0030 vw=bbwseco 说 明 书 CN 103632040 A 6 3/5 页 7 0031 v w=bbwseco 0032 ww=bbwsecsseco 0033 其中， 是漫射。
21、辐射的衰减系数， 是漫射辐射的后向散射系数， s、 s分别是太 阳直射辐射的后向散射系数、 前向散射系数， v、 v、 w 分别是下行漫射辐射、 上行漫射辐射、 太阳直射辐射散射到观测方向的散射系数， k、 K 分别是太阳直射辐射、 观测方向等效辐射的 消光系数， 下标 w 代表水体的贡献。s、 o分别是太阳天顶角与观测天顶角， 为经验系 数， 取值 1.4。 0034 第三步 ： 对于水体与植被混合介质， 将水体对介质消光及散射系数的贡献乘以水 体在混合介质中的体积比， 再与植被贡献相加。 0035 5 根据权利 1 要求所述的一种通用的水生植被辐射传输模型， 其特征在于 ： 步骤 （4） 。
22、中所述的 “根据 SAIL 模型计算介质层对直射辐射与漫射辐射的散射矩阵” ， 具体计算过 程如下 ： 0036 求解 SAIL 模型的辐射传输方程组 0037 0038 其中， Es为太阳直射辐射， E-为下行漫射辐射， E+为上行漫射辐射， Eo为观测方向 等效辐射。将解写为如下矩阵形式 0039 0040 其中的系数矩阵即为介质层的散射矩阵。辐射量的标注中， 0 表示介质层顶部， -1 表示介质层底部。、 分别表示反射因子及透射因子， 双下标分别表示入射辐射及出射 辐射类型 ： s 代表太阳直射辐射， o 代表观测方向等效辐射， d 代表上行或下行漫射辐射。 0041 6 根据权利 1 。
23、要求所述的一种通用的水生植被辐射传输模型， 其特征在于 ： 步骤 （5） 中所述的 “根据 Cox-Munk 模型计算波浪水面对直射辐射与漫射辐射的散射矩阵” ， 具体 计算过程如下 0042 第一步 ： 根据 Cox-Munk 模型计算波浪水面的二向反射分布函数与二向透射分布 函数 0043 0044 说 明 书 CN 103632040 A 7 4/5 页 8 0045 其中，分别为二向反射分布函数与二向透射分布函 数。、 t分别为入射角及折射角， r()、 t() 分别为以 入射时的菲涅尔反射率与透 过率， nw 为水体折射率， 为波浪面元倾角，a 为入射方向与观测方 向的夹角， p(z。
24、 x,zy) 为波浪坡度概率， S(s,o, 2) 为遮挡因子。 0046 第二步 ： 根据 SAIL 模型对散射矩阵中各元素的定义计算水面的散射矩阵。 0047 0048 其中， 0- 表示水面以下， 0+ 表示水面以上， 漫射辐射反射因子与透射因子的脚标 中， aw 代表下行辐射， wa 代表上行辐射。 0049 7 根据权利 1 要求所述的一种通用的水生植被辐射传输模型， 其特征在于 ： 步骤 （6） 中所述的 “根据累加法计算水生植被系统的二向反射率” ， 具体计算过程如下 0050 第一步 ： 根据累加法计算被分为多层的水生植被系统的二向反射特性矩阵 ； 0051 第二步 ： 根据入。
25、射的直射辐射与漫射辐射的比例， 计算水生植被的二向反射率 0052 r=(soEs+doEsky)/(Es+Esky) 0053 其中， so、 do分别是水生植被系统的二向反射因子、 半球 - 方向反射因子， Es、 Esky分别是太阳与天空光的辐照度。 0054 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0055 （1） 目前学术界缺乏描述水生植被 （挺水植被、 浮水植被、 沉水植被） 反射光谱特性 与二向反射特性的通用辐射传输模型， 本发明填补了这一领域的空白， 具有显著的创新性， 丰富了水体光学与水色遥感理论。 0056 （2） 本发明利用陆地植被冠层 SAIL 模型与二类水体模型， 考虑了。
26、叶片光学特性与 波浪水面的影响， 相比于半经验模型， 本发明的模型物理概念清晰、 通用性强、 计算方便、 速 度快， 且具有可靠的精度保证。 （四） 附图说明 0057 图 1 为本发明的技术流程。 （五） 具体实施方式 0058 为了更好地说明本发明涉及的一种通用的水生植被辐射传输模型， 利用本发明的 模型进行了测试与分析， 取得了良好的效果， 具体实施方法如下 ： 0059 （1） 将水生植被系统分为两层 ； 0060 （2） 基于 PROSPECT 模型计算单个叶片的反射率及透过率 ； 0061 （3） 将 PROSPECT 模型计算得到的单个叶片反射率及透过率， 与叶面积指数、 植被 。
27、冠层结构参数等， 输入到 SAIL 模型， 计算植被冠层对辐射的消光与散射系数 ； 0062 （4） 给定水体组分 （叶绿素、 非藻类颗粒物、 有色可溶有机物） 浓度， 根据二类水体 模型计算水体的吸收及后向散射系数， 之后根据 SAIL 模型计算水体对辐射的消光及散射 说 明 书 CN 103632040 A 8 5/5 页 9 系数、 混合介质对辐射的消光及散射系数 ； 0063 （5） 根据 Cox-Munk 波浪水面模型计算波浪水面的散射矩阵 ； 0064 （6） 由计算得到的各个介质层的散射矩阵、 水面散射矩阵， 再给定水底反射矩阵， 根据累加法计算水生植被系统的二向反射特性， 并根据漫射辐射比例计算水生植被的二向 反射率。 0065 实验结果如图 2 所示， 基于本发明的模型， 可以定量探讨水深对水生植被反射光 谱的影响， 植被叶面积指数、 风速、 太阳天顶角对水生植被二向反射特性的影响。 说 明 书 CN 103632040 A 9 1/1 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103632040 A 10 。