基于Monte Carlo方法的水體二向反射分布函數(shù)(BRDF)模擬.pdf

1、水體的二向反射特征是表征海洋光學(xué)特性的重要因素之一,對應(yīng)用遙感系統(tǒng)進(jìn)行水色參數(shù)準(zhǔn)確定量反演及海洋水色遙感技術(shù)的發(fā)展有著重要意義,是進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測、水體溫度、海洋生產(chǎn)力估產(chǎn)等方面定量遙感必須解決的問題之一。
　　 二向反射是自然界中最基本的宏觀現(xiàn)象之一。水體表面光場的方向分布攜帶有水體的一些重要的屬性信息(如水體各組成含量、類型、粒徑分布以及表面粗糙度等),忽略其方向性會(huì)帶來一定的誤差。然而早期的遙感應(yīng)用,通常假定物體反射表面是朗伯

2、反射,認(rèn)為反射輻射強(qiáng)度、反射方向與入射輻射方向無關(guān),在各方向上均勻分布。隨著定量遙感技術(shù)的不斷發(fā)展,遙感的定量化要求傳感器獲取的信息能準(zhǔn)確反映目標(biāo)特征,同時(shí)對由衛(wèi)星遙感信號(hào)中提取的離水輻亮度的精度要求也越來越高。
　　 目前,植被、土壤的二向反射特性及模擬模型得到了大量的研究,取得了不少進(jìn)展,但水體二向反射特性的研究相對較少,能夠推廣應(yīng)用的二向反射函數(shù)模型則更少。這主要是由于影響海洋光譜因素較多,難以精確模擬:海上原位測量困難較

3、大,風(fēng)浪、陰影、天空狀況等影響因素眾多,都可以對結(jié)果引起較大誤差,難以通過實(shí)驗(yàn)測量。而通過構(gòu)建蒙特卡羅模型模擬計(jì)算輻射傳輸模型則可以很好地解決以上困難。由此可見,開展水體的BRDF的模擬模型及模型驗(yàn)證研究將會(huì)成為海洋水色遙感定量研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
　　 本研究基于一定的假設(shè),通過采用蒙特卡羅方法模擬追蹤光子在水中的運(yùn)動(dòng)碰撞,采用散射相函數(shù)、單次散射率、衰減系數(shù),并通過隨機(jī)數(shù)選取碰撞的位置和散射角度,建立包含高吸收和高散射水體、分

4、子的散射和大顆粒的散射、太陽入射角度、天空光影響的蒙特卡羅二向反射模型。在此基礎(chǔ)上,模擬結(jié)果基于四邊形網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)技術(shù),統(tǒng)計(jì)大量入射光子在水體表面空間所形成的出射光場,并使用圓柱坐標(biāo)圖,實(shí)現(xiàn)出射光場的三維展示。
　　 通過對模型結(jié)果的分析與計(jì)算發(fā)現(xiàn),太陽入射角度、天空光所占比例、散射相函數(shù)、單次散射率等因素共同決定著二向反射分布函數(shù)的數(shù)值和形狀。具體研究結(jié)果如下:
　　 (1)太陽入射角度,特別是太陽天頂角能改變水體二向反射

5、分布函數(shù)的形狀。在以懸浮顆粒物散射為主的水體,能量大都集中在后向熱點(diǎn)方向,且后向熱點(diǎn)的位置與太陽入射方向密切相關(guān),也即后向熱點(diǎn)的位置均出現(xiàn)在太陽入射光的反方向上;
　　 (2)天空光所占比例,本研究采用簡單的各向同性天空光,當(dāng)加入天空光后,二向反射分布函數(shù)峰值降低,并隨著天空光比例的增大,二向反射分布函數(shù)的形狀趨于對稱,后向熱點(diǎn)逐漸消失;
　　 (3)單次散射率主要影響二向反射分布函數(shù)的數(shù)值大小。同一條件下,單次散射率越