一种陆地植被冠层偏振反射建模方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，属于光学遥感领域，在对植被 偏振反射特性分析和地气偏振信息解耦研究方面具有重要的理论意义和应用价值。 (二)
【背景技术】
[0002] 偏振探测具有广泛的应用前景，目前大气偏振遥感已经开展了探索性应用，植被 偏振的研究较少。植被偏振信息作为陆地地表偏振信息的重要组成部分，不仅能够直接用 于地表参数反演，而且是实现地气偏振信息解耦的关键，然而，目前已有的植被偏振模型过 于简化，并不能够充分描述植被偏振特性，尤其是忽略了入射天空光的偏振特性，这在很大 程度上制约了植被偏振遥感应用的发展。
[0003] 本发明首先建立上半球空间的天空光偏振度分布模式，再分别建立植被单个叶片 的偏振反射率模型、下垫面土壤的偏振反射率模型、植被冠层的偏振反射率模型，实现大 气一一植被一一土壤耦合系统的偏振反射建模方法。冠层的方向反射率分解为单次散射和 多次散射之和，多次散射不具备偏振特性，因此只计算单次散射产生的偏振反射率，单次散 射包括冠层单次散射和土壤单次散射，建模过程中将植被冠层沿竖直方向平均分为水平方 向均一，竖直方向变化的若干层，土壤表面单独看作一层，采用累加法计算得到整个冠层的 偏振反射率;陆地植被偏振反射建模，对于对地遥感中正确计算植被偏振反射特性，实现陆 地植被的分类、参数反演与地气偏振信息解耦具有重要的科学意义与应用价值。 (三)
【发明内容】
[0004] 本发明涉及一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，技术解决方案是:在上半球空 间对天空光的散射方向进行采样，构建天空光的偏振度分布模式;依据天空光偏振度的分 布模式，计算部分偏振光入射的菲涅尔反射系数;基于几何光学原理，代入偏振菲涅尔反射 系数，分别构建单个叶片和下垫面土壤的偏振反射率模型;对植被冠层进行等间距分层，逐 层计算叶片的偏振反射率，土壤单独看作一层，采用累加法计算整个冠层的偏振反射率;分 析植被冠层偏振反射率的分布特性。
[0005] 1 -种陆地植被冠层偏振反射建模方法，其特征在于包含以下步骤：
[0006] (1)在上半球空间对天空光的散射方向进行米样，构建天空光的偏振度分布模式；
[0007] (2)依据天空光偏振度的分布模式，计算部分偏振光入射的菲涅尔反射系数；
[0008] (3)基于几何光学原理，代入偏振菲涅尔反射系数，分别构建单个叶片和下垫面土 壤的偏振反射率模型；
[0009] (4)对冠层进行等间距分层，逐层计算叶片的偏振反射率，土壤单独看作一层，采 用累加法计算整个冠层的偏振反射率；
[0010] (5)分析植被冠层偏振反射率的分布特性。
[0011] 2步骤（1)中所述的"在上半球空间对天空光的散射方向进行采样，构建天空光的 偏振度分布模式"，具体实现过程如下：
[0012] ①输入太阳入射方向只(6，仍），在上半球空间对天空光的散射方向进行等立体角 采样，得到采样点处大气分子的散射方向Ω设，妁，计算散射角γ
[0013]
[0014] 其中0S为太阳天顶角，代为太阳方位角，Θ为散射天顶角，於i为散射方位角；
[0015] ②采用半经验瑞利散射模型计算天空光偏振度δ
[0016]
[0017 ] ??:由δ…为賠宙女m壬顶钼时的最大偏振度，计算方法为
[0018]
[0019] 3步骤干所还m烟大空光偏振度的分布模式，计算部分偏振光入射的菲涅 尔反射系数"，具体实现过程如下：
[0020] ①依据输入的太阳方向1 (2、(〃..，仍）;和观测方向咚说肩,)，计算入射角α
[0021]
[0022]其中θν为观测天顶角，队为观测方位角；
[0023]②计算偏振菲涅尔反射系数F
[0024] F(a ,η) =κ8γ82-κργρ 2
[0025] 其中rs为反射光垂直于入射面的分量，〇为反射光平行于入射面的分量，计算方法 为
[0026]
[0027]其中a为入射角，η为被测目标和空气的折射率比；
[0028] κ4Ρκρ分别为垂直分量和平行分量占总能量的比例，且ks+kp = 1。
[0029] 4步骤(3)中所述的"基于几何光学原理，代入偏振菲涅尔反射系数，分别构建单个 叶片和下垫面土壤的偏振反射率模型"，具体实现过程如下：
[0030] ①将叶片表面看作很多准镜面的微面元，计算微面元法线方向的天顶角0h
[0031]
[0032] 叶片镜面反射存在几何影响和面元之间的相互遮挡，计算衰减因子K
[0033] Κφ^, Θν,φχ,φ^ = min(l, , E^)
[0034] 其中
[0035]
[0036] ②假设叶片表面的微面元法向服从高斯分布，计算单个叶片的偏振反射率p1(3afp
[0037]
[0038] 其中m为植被叶片和空气的折射率比，σ为叶片表面粗糙因子；
[0039]③计算下垫面土壤的偏振反射率psoilp
[0040]
[0041] 其中ns为土壤和空气的折射率比，A是与土壤表面粗糙度有关的自由参数。
[0042] 5步骤(4)中所述的"对冠层进行等间距分层，逐层计算叶片的偏振反射率，土壤单 独看作一层，采用累加法计算整个冠层的偏振反射率"，具体实现过程如下：
[0043] ①给定地面与冠层顶部间任意位置高度z，计算该位置处的二向孔隙率函数Q
[0044]
[0045] 其中Η为冠层高度，ps(z) · pv(z)是冠层中高度z处能被太阳照亮，同时能由冠层外 自由观测到的联合概率，G(QS)和G(Q V)分别为单位面积叶片在太阳入射方向和观测方向 上的投影，S(z)为高度z处的单位叶面积指数；
[0046] ②将植被冠层沿竖直方向平均分为N层，每层介质的光学特性视为水平方向均一， [0047]竖直方向变化，土壤表面单独看作一层，计算第i个植被单位层的高度z
[0048]
[0049] 其中N为层数，则第i个植被层对整个冠层的单次散射贡献为
[0050]
[0051] 其中/(A，％)为叶倾角分布概率密度函数，Q(z)为第i个植被层处的二向孔隙率 函数；
[0052] 土壤层对整个冠层的单次散射贡献为
[0053]
[0054] 其中Q(H)为冠层底部的二向孔隙率函数；
[0055] ③分别计算N-1个植被层及下垫面土壤层的偏振反射率，采用累加法计算整个冠 层的偏振反射率。
[0056] 6步骤(5)中所述的"分析植被冠层偏振反射率的分布特性"，具体实现过程如下： 对观测方向进行等立体角采样，根据设定的地表类型，输入叶片、土壤和冠层光学及结构特 性参数，计算每个采样点的植被冠层偏振反射率，分析偏振反射率在上半球空间的分布特 性。
[0057] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0058] (1)目前学术界缺少有效的考虑入射光偏振特性的描述陆地植被偏振反射特性的 技术方法，本发明采用累加法计算叶片和下垫面土壤对整个冠层偏振反射率的贡献，具有 显著的创新性，丰富了植被偏振光学遥感领域的研究。
[0059] (2)本发明考虑了大气分子散射作用引起的天空光偏振特性、土壤的粗糙因子与 遮挡效应、植被的空间结构特征等因素，使得模型模拟结果更加接近真实情况，能适用于不 同植被覆盖度下的植被冠层或土壤的偏振特性模拟，具有良好的应用适用性。 (四）
【附图说明】
[0060] 图1为本发明的总体技术流程图。 (五)
【具体实施方式】
[0061] 为了更好地说明本发明涉及的一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，利用本发明 的建模方法进行植被冠层偏振反射特性进行分析。本发明一种陆地植被冠层偏振反射建模 方法，实现流程如图1所示，具体实施步骤如下：
[0062] 步骤（1)在上半球空间对天空光的散射方向进行采样，构建天空光的偏振度分布 模式：
[0063] ①输入正午时刻太阳天顶角03和太阳方位角灼，在上半球空间对天空光的散射方 向进行等立体角采样，得到1500个采样点处的散射天顶角Θ和散射方位角I史，计算散射角γ
[0064] ⑨率田坐怒胳丨棋τΜ*莫型计算天空光偏振度δ
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