065]
[0066] 其中δ_χ为特定太阳天顶角时的最大偏振度，当太阳天顶角为30°时，δΜΧ取值 63%，步骤(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：
[0067] ①输入观测天顶角θν和观测方位角％，计算入射角α
[0068]
[0069] ②计算偏振菲涅尔反射系数F
[0070] F (α, η) = κ8γ82-κργρ 2
[0071] 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
[0072]
[0073] 其中α为入射角，η为被测目标和空气的折射率比；
[0074] ^和化分别为垂直分量和平行分量占总能量的比例，以自然光入射为例，ks = kp = 0.5〇
[0075]步骤(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：
[0076] 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
[0077]
[0078] 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
[0079]
[0080]
[0081]
[0082] 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
[0083]
[0084] 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；
[0085]③计算下垫面土壤的偏振反射率psoilp
[0086]
[0087]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。
[0088]步骤(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：
[0089] 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
[0090]
[0091] 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；
[0092] 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， 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
[0093]
[0094] 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
[0095]
[0096]其中/⑷,#,)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；
[0097] 土壤层对整个冠层的单次散射贡献为
[0098]
[0099] 其中Q(H)为冠层底部的二向孔隙率函数；
[0100] 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。
[0101] 步骤(5)分析植被冠层偏振反射率的分布特性: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，分别计算每个采样点处太 阳光和天空光入射时的冠层偏振反射率，进行加权求和，最后分析偏振反射率在上半球空 间的分布特性。
【主权项】
1. 一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： (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； (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； (3) 基于几何光学原理，代入偏振菲涅尔反射系数，分别建立单个叶片和下垫面土壤的 偏振反射率模型； (4) 对植被冠层进行等间距垂向分层，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； (5) 分析植被冠层偏振反射率的分布特性。2. 根据权利1要求所述的一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，其特征在于: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： ① 输入太阳入射方向A说，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〇(0，的，计算散射角γ其中9S为太阳天顶角，私为太阳方位角，Θ为散射天顶角，口为散射方位角； ② 采用半经验瑞利散射模型计算天空光偏振度S其中δ_χ为特定太阳天顶角时的最大偏振度，计算方法如下：3. 根据权利要求1所述的一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，其特征在于:步骤(2) 中所述的"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"，具体 实现过程如下： ① 依据输入的太阳方向4(6，的）和观测方向(化，代），计算入射角α如下其中θν为观测天顶角，队为观测方位角； ② 计算偏振菲涅尔反射系数F F ( Q , Π )-KsTs -ΚρΓρ 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，计算方法为其中α为入射角，η为被测目标和空气的折射率比； Ks和κρ分别为垂直分量和平行分量占总能量的比例，且Ks+K p = 1。4. 根据权利要求1所述的一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，其特征在于: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，分别建立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： 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9h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K② 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PidP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； ③ 计算下垫面土壤的偏振反射率PS〇ilp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。5. 根据权利要求1所述的一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，其特征在于:步骤(4) 中所述的"对植被冠层进行等间距垂向分层，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： 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其中Η为冠层高度，ps(z) ·ρν(ζ)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( Ων)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( ζ)为高度ζ处的单位叶面积指数； 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，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ζ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其中/(<，代)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； 土壤层对整个冠层的单次散射贡献为其中Q(H)为冠层底部的二向孔隙率函数； 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。6.根据权利要求1所述的一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，其特征在于: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 米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。
【专利摘要】本发明涉及一种陆地植被冠层偏振反射建模方法，其步骤如下：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，分别计算单个叶片和下垫面土壤的偏振反射率；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；分析植被冠层偏振反射率的分布特性。本发明能够实现不同类型植被、太阳位置及观测位置等条件下，陆地植被冠层的偏振反射率特性的精确描述，是分析植被偏振方向反射特性及其影响因素的有效技术方法，可以为地气系统偏振信息解耦提供有效的技术方案。
【IPC分类】G06K9/00
【公开号】CN105678236
【申请号】CN201511021375
【发明人】周冠华, 杨文娜, 徐武健, 谭玉敏, 张悦, 马中祺
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2015年12月31日