基于可视化光线追踪的植被真实结构模型参数敏感性分析

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1、摘要模型复杂和数据不足是植被多角度定量遥感反演研究的瓶颈。本文基于遥感定量反演，利用可视化光线追踪模型模拟遥感传感器成像过程，针对植被真实结构模型的参数对冠层辐射特性的影响，进行敏感性分析。通过对遥感成像过程的分析，将可视化光线追踪与植被遥感相结合，构建可视化光线追踪遥感模型，将结果与基于不同原理的计算机模拟模型进行比较，验证可视化光线追踪模型应用于植被遥感研究的可靠性。同时，针对植被真实结构模型参数对冠层在可见光一近红外、热红外波段辐射特性的影响做敏感性分析。结果表明：(1)利用可视化光线追踪模型计算冠层的视场四分量，与基于辐射

2、通量的计算机模拟模型的结果相关系数达到0．94以上、均方根误差均在0。Ol以下；(2)冠层是行结构时，行效应占主导，较连续冠层其辐射特性更加复杂；(3)集聚指数对视场中植被与土壤的相对比例影响较大，对冠层的各向异性特征影响明显；(4)当冠层其他参数相同时，平均叶倾角对冠层碗边效应和各向异性特征有较大影响；(5)当叶面积指数较大时，植被的辐射特性占主导，而当叶面积指数较小时，土壤对辐射的贡献不能忽略。关键词：多角度遥感；植被真实结构模型；可视化光线追踪模型；参数敏感性分析文摘植被与太阳辐射的相互作用对入类及其生存环境极为重要，是全球

3、变化的重要环节，遥感技术是提取植被生物量、碳循环和生态系统生产力等全球变化研究基础参数的重要手段。随着遥感从传统的二维垂直观测发展到多维、多角度观测，如何从所观测的有限几个角度信息中提取和反演表征植被生长状态的特征参数是急需解决的问题。多角度遥感的基础是物理模型，模型从遥感的机理出发，建立描述冠层辐射传输过程的数学表达式，目的是找出遥感观测数据产生的原因，然而，在建立模型的过程中对冠层结构做了许多简化，较难反映自然植被复杂的结构特征对辐射方向性的影响。随着计算机技术的不断发展，能够更加逼真的描述冠层几何结构和辐射传输过程的计算机模

4、拟模型越来越受到研究者的重视。计算机模拟模型一般由辐射过程模拟和植被结构模拟两部分组成，由于物理意义明确，光线追踪模型较早地应用于辐射过程的模拟研究，早期的光线追踪模型只能得到某一观测角度的数值解，较难评价辐射的计算过程及准确性，后来出现的可视化光线追踪模型使结果以图像形式直观显示，有利于研究者对计算过程和精度进行分析评价，是辐射过程模拟的发展趋势；理论上讲，计算机可以模拟任何自然植被结构，但势必造成输入参数繁琐和计算效率低下，简化植被结构模型但又能满足研究的需要，一直是植被结构模拟研究的重要方向，因此，对于模型输入参数的选择和参

5、数的敏感性分析至关重要。构建高效、灵活、简单的可视化光线追踪模型对植被真实结构模型的输入参数进行敏感性分析，为简化模型和提高遥感植被反演打下基础是本文研究目的所在。本文共分五章：绪论；第一章研究内容与研究方法：第二章基于植被真实结构的可视化模型；第三章敏感性分析参数选取及场景生成；第四章植被真实结构模型参数敏感性分析；第五章结论与展望。以下简要概括本论文的主要内容：绪论部分，基于植被遥感模型对于多角度遥感数据反演的意义，对植被遥感模型的国内外研究情况进行评述。目前植被遥感模型主要包括：(1)辐射传输模型、(2)几何光学模型、(3)

6、混合模型、(4)计算机模拟模型，重点介绍了计算机模拟模型。目前在计算机模拟模型的研究领域仍存在一些问题有待进一步解决，包括：(1)冠层模拟输入参数繁琐、(2)辐射模拟计算效率较低、(3)模拟结果较难理解。上述问题导致当前的计算模拟模型较难直接应用于地表参数反演，这也是本论文的V福建师范大学王剑庚硕士学位论文切入点和着重解决的关键问题。第一章研究内容和研究方案。研究内容包括：(1)植被结构模型参数选取与场景构建；(2)植被可视化光线追踪模型及其验证；(3)植被结构参数的敏感性分析。研究思路是利用植物学、计算机科学和遥感科学等交叉学科

7、成果，基于可视化光线追踪，建立可视化植被遥感模型，在对其结果验证的基础上，针对植被结构模型的输入参数，分析其对冠层辐射特性的影响。第二章基于植被真实结构的可视化模型，分为两部分：(1)植被真实结构模型CLAMP的建模依据和模型构建：(2)在对可视化光线追踪的算法和将其与植被遥感相结合的参数分析基础上，构建可视化光线追踪模型，将所得结果与其他基于不同原理的计算机模拟模型进行比对，验证可视化光线追踪模型用于计算地表参数的可靠性。第三章敏感性分析参数选取及场景生成，基于植被遥感的反演目的和描述植被冠层结构特征的主要参数进行论述，选取行播

8、控制参数、集聚指数、平均叶倾角和叶面积指数作为敏感性分析的参数；根据敏感性分析要求参数变化单一的特点，生成用于敏感性分析的冠层。第四章植被真实结构参数敏感性分析是论文的核心部分。孔隙率和视场四分量是可见光一近红外波段表征植被结构特征的重要参数，通过