三维辐射传输模型LESS原理及其应用

三维辐射传输模型能够准确地刻画太阳辐射与异质地表之间的相互作用,近年来已成为定量遥感建模与反演研究中的重要工具。LESS模型是基于光线追踪的三维真实冠层辐射传输模型,充分利用了光线追踪的前向追踪模式模拟能量平衡问题以及后向追踪模式模拟大尺度(公里级)遥感影像,从而实现在同一模型中多种遥感数据的模拟。目前,LESS模型可以模拟多角度反射率、多/高光谱影像、鱼眼相机、复杂地形区上下行短波辐射、冠层分层FPAR等数据,可以为验证物理模型、发展参数化模型以及训练神经网络模型等提供更为可靠的模拟数据集。本文主要介绍了LESS模型的基本原理和典型的应用。LESS模型可以从www.lessrt.org网站下载。     

三维辐射传输模型LESS原理及其应用

三维辐射传输模型能够准确地刻画太阳辐射与异质地表之间的相互作用,近年来已成为定量遥感建模与反演研究中的重要工具。LESS模型是基于光线追踪的三维真实冠层辐射传输模型,充分利用了光线追踪的前向追踪模式模拟能量平衡问题以及后向追踪模式模拟大尺度(公里级)遥感影像,从而实现在同一模型中多种遥感数据的模拟。目前,LESS模型可以模拟多角度反射率、多/高光谱影像、鱼眼相机、复杂地形区上下行短波辐射、冠层分层FPAR等数据,可以为验证物理模型、发展参数化模型以及训练神经网络模型等提供更为可靠的模拟数据集。本文主要介绍了LESS模型的基本原理和典型的应用。LESS模型可以从www.lessrt.org网站下载。     

虚拟冠层光辐射传输仿真系统设计

研究光在虚拟植被冠层中的辐射传输特性,是虚拟植物研究的一个难点和关键点.为了利用计算机仿真虚拟冠层中的光辐射传输过程,面向对象技术设计了一个虚拟冠层光辐射传输仿真系统(VPCRTS),采用基于混合式八叉树空间剖分技术的蒙特卡罗光线跟踪算法对光在植被冠层内的辐射传输过程进行了仿真.VPCWTS以一种可视化的直观方式展现了整个辐射传输过程,可以针对冠层的不同散射模型进行仿真和对比.VPCRTS系统仿真的结果具有一定的物理可靠性,为研究光在植被冠层中的辐射传输特性提供了一有效的工具.     

三维遥感机理模型RAPID原理及其应用

三维遥感机理模型是开展定量遥感反演教学和新方法试验的重要工具。介绍全波段多传感器三维遥感机理模型RAPID的原理、输入输出和常见应用方法。RAPID模型基于辐射度（Radiosity）理论和计算机图形学算法，提出了针对植被的孔隙面元（Porous individual object）概念，大幅降低三维辐射传输的计算量；并将模拟能力扩展到光学、热红外和微波波段，实现反射率、亮度温度、点云、波形和后向散射系数的统一模拟。RAPID非常适合定量遥感教学、简单模型验证、复杂场景模拟和多源数据融合探索。全面介绍全波段多传感器三维遥感机理模型RAPID的原理、输入输出和常见应用方法。     

基于LESS模型的异质植被冠层光合有效辐射吸收比与植被指数的关系研究

研究植被指数与光合有效辐射吸收比FPAR的定量关系对于提高FPAR反演精度与指导生产实践具有一定的参考价值。研究在三维辐射传输模型LESS基础上发展了一个兼具一维模型简洁和三维模型精度优势的LESS1D模块(已随LESS模型正式发布，www.lessrt.org)；探究随机均匀场景和三维异质场景中植被冠形、盖度等7种因素对6种植被指数与FPAR_green关系的影响。结果表明：(1)在均质性场景中，NDVI、SAVI、EVI对FPAR_green拟合相对最优，而在异质性场景中，则为NDVI和RVI。(2)在异质性场景中，不同冠形下FPAR_green与植被指数的拟合精度为圆柱形>椭球形>圆锥形；植被盖度较低时，植被指数对FPAR_green拟合精度较差；随着太阳天顶角增大，RVI与FPAR_green由线性关系变为指数关系。结论：树冠体积和树冠几何结构是不同冠形影响FPAR_green大小的关键因素，而叶片聚集度、植被盖度和植被指数类型则是影响植被指数饱和...     

结合GLAS和TM卫星数据的江西省森林高度和生物量制图

针对光学遥感受云雨天气的影响,并存在植被指数饱和、穿透性差而难以到达森林冠层以下等问题,不能有效反映植被垂直结构信息,难以准确地反演森林地上生物量,以大光斑激光雷达GLAS数据、Landsat TM光学遥感影像数据以及野外实测数据为数据源,建立了江西省森林的平均冠层高度模型和森林生物量模型。结果表明:GLAS数据提取出波形特征参数、ASTER GDEM数据提取出地形特征参数与实测树高数据建立森林冠层高度模型,获取离散的林冠高度,可以较好消除地形对GLAS波形的影响;通过建立Landsat TM数据计算的NDVI与离散林冠高度之间的关系,可以进行大尺度连续森林冠层高度的制图;并利用林冠高度与森林生物量之间的幂函数关系估算森林生物量。因此,大光斑激光雷达GLAS数据与光学遥感数据联合,能充分发挥多源遥感的优势,实现连续冠层高度和森林生物量的反演。     

三维遥感机理模型RAPID原理及其应用

三维遥感机理模型是开展定量遥感反演教学和新方法试验的重要工具。介绍全波段多传感器三维遥感机理模型RAPID的原理、输入输出和常见应用方法。RAPID模型基于辐射度（Radiosity）理论和计算机图形学算法,提出了针对植被的孔隙面元（Porous individual object）概念,大幅降低三维辐射传输的计算量;并将模拟能力扩展到光学、热红外和微波波段,实现反射率、亮度温度、点云、波形和后向散射系数的统一模拟。RAPID非常适合定量遥感教学、简单模型验证、复杂场景模拟和多源数据融合探索。全面介绍全波段多传感器三维遥感机理模型RAPID的原理、输入输出和常见应用方法。     

三维遥感机理模型RAPID原理及其应用

三维遥感机理模型是开展定量遥感反演教学和新方法试验的重要工具。介绍全波段多传感器三维遥感机理模型RAPID的原理、输入输出和常见应用方法。RAPID模型基于辐射度(Radiosity)理论和计算机图形学算法,提出了针对植被的孔隙面元(Porous individual object)概念,大幅降低三维辐射传输的计算量;并将模拟能力扩展到光学、热红外和微波波段,实现反射率、亮度温度、点云、波形和后向散射系数的统一模拟。RAPID非常适合定量遥感教学、简单模型验证、复杂场景模拟和多源数据融合探索。全面介绍全波段多传感器三维遥感机理模型RAPID的原理、输入输出和常见应用方法。     

基于虚拟现实的杉木形态建模及冠层辐射模拟

依据幼龄杉木的野外观测数据和林业专家知识,提取建模约束规则并得出L-系统规则集。利用自主开发的L-系统单树建模工具软件解析规则,生成杉木三维结构模型;利用太阳几何参数对辐射影响模型模拟某一地理位置、某时刻冠顶的太阳直射和天空散射的光合有效辐射值,根据光线跟踪算法和龟形算法计算虚拟冠层内每个叶片的PAR值,模拟太阳直射和天空散射在虚拟杉木冠层内的准确分布值。     

利用辐射度模型实现冠层光合有效辐射分布

提出基于辐射度模型模拟单株虚拟植物冠层光合有效辐射分布的技术流程,采用半立方体算法计算辐射度模型的形状因子,逐步求精迭代法解辐射度线性方程组,计算虚拟植物模型任意空间位置的辐射度值和能量值。通过对比基于光线跟踪模型和辐射度模型模拟冠层太阳直射光合有效辐射,不仅发现基于两种模型的模拟结果具有较好的一致性,而且基于辐射度模型的模拟更具合理性。最后,分析冠层净光合速率进一步验证基于辐射度模型模拟冠层光合有效辐射的有效性。     

A coupled 1-D atmosphere and 3-D canopy radiative transfer model for canopy reflectance, light environment, and photosynthesis simulation in a heterogeneous landscape

Detailed knowledge of light interactions between the atmosphere and vegetation, and within vegetation are of particular interest for terrestrial carbon cycle studies and optical remote sensing. This study describes a model for 3-D canopy radiative transfer that is directly coupled with an atmospheric radiative transfer model (Forest Light Environmental Simulator, FLiES). The model was developed based on the Monte Carlo ray-tracing method using some existing modeling frameworks. To integrate the canopy radiative transfer model with atmosphere, the same numerical method, sampling technique, and variance reduction technique were employed in both the atmospheric and the canopy modules. Farquhar's leaf photosynthesis model was combined to calculate the canopy level photosynthesis from the light environmental parameters obtained by the radiative transfer calculation. In order to document the quality of the coupled model, we first compared the atmospheric radiative transfer module to well known 1-D atmospheric radiative transfer models, and then evaluated the 3-D canopy radiative transfer module against a series of test cases provided by the RAMI On-line Model Checker (ROMC). We used the model to show the impact of atmospheric properties and 3-D canopy structure on the directionality of downward photosynthetically active radiation (PAR) at the top of canopy, the 3-D distribution of absorbed PAR (APAR), and overall canopy photosynthesis. The results indicate the importance to consider angular geometry of incident light at TOC and 3-D canopy structure.     

Landsat8卫星影像大气校正及其植被指数与SEVI性能比较

遥感影像受大气的吸收散射以及地形起伏变化的影响,使得传感器接收到的辐射信号既包含了地物的信息,同时也包含了大气以及地形的信息。为了提高地表反射率的反演精度,需要去除遥感影像中大气和地形的影响。提出了一种基于查找表的Landsat8-OLI遥感影像的大气校正方法,该方法由6S辐射传输模型生成查找表,其中输入的参数包括大气水蒸汽含量、臭氧浓度和气溶胶光学厚度等MODIS大气参数产品。利用传统方法建立的大气参数查找表通常只考虑一部分因素,这对于以MODIS产品为输入参数的大气校正是不适用的。本文建立了一个包括大部分输入参数的高维大气校正查找表,对于Landsat-8 OLI传感器具有很高的通用性,通过进行光谱分析、与USGS地表反射率产品交叉验证等方式来验证模型的精度。验证结果表明该方法能有效地反演精确可靠的地表反射率。最后,采用目视解译、统计分析将校正结果与SEVI做对比分析,比较地形影响消减的效果。结果表明该模型与SEVI在地形消减的效果上作用相当。     

Landsat8卫星影像大气校正及其植被指数与SEVI性能比较

遥感影像受大气的吸收散射以及地形起伏变化的影响，使得传感器接收到的辐射信号既包含了地物的信息，同时也包含了大气以及地形的信息。为了提高地表反射率的反演精度，需要去除遥感影像中大气和地形的影响。提出了一种基于查找表的Landsat8-OLI遥感影像的大气校正方法，该方法由6S辐射传输模型生成查找表，其中输入的参数包括大气水蒸汽含量、臭氧浓度和气溶胶光学厚度等MODIS大气参数产品。利用传统方法建立的大气参数查找表通常只考虑一部分因素，这对于以MODIS产品为输入参数的大气校正是不适用的。本文建立了一个包括大部分输入参数的高维大气校正查找表，对于Landsat-8 OLI传感器具有很高的通用性，通过进行光谱分析、与USGS地表反射率产品交叉验证等方式来验证模型的精度。验证结果表明该方法能有效地反演精确可靠的地表反射率。最后，采用目视解译、统计分析将校正结果与SEVI做对比分析，比较地形影响消减的效果。结果表明该模型与SEVI在地形消减的效果上作用相当。     

一个简单的非水平均匀的大气临边矢量辐射传输模式

临边或掩星探测是通过对大气的切片式观测方式所建立的反演方法,可以获取大气要素垂直分层的精细分布,是卫星遥感的一种重要方式和方向。目前已有的临边大气辐射传输模式大部分是基于水平均匀分布的一维模式,且以不包含大气偏振模拟的模式为主,而偏振是未来大气遥感的重要手段,特别是在紫外波段的临边探测。为满足我国下一代临边探测的需求,编写了一个基于逐次散射法的临边矢量辐射传输模式,该模式可实现对临边辐射的4个Stokes参数的模拟,并考虑了大气水平非均匀分布的影响。在环境参数完全相同条件下,将标量计算方式下辐射强度的模拟结果与郭霞等的LGLTRAN模式的模拟结果进行比较,结果验证了模式的合理性。在此基础上对不同大气分层条件下的临边Stokes矢量进行了模拟和简单的分析。     

CPU-GPU协同计算的遥感仿真图像MTF退化并行算法

在遥感图像仿真中,为了定量模拟并分析平台抖动、探测器电子特性、大气衰减等因素对遥感成像质量的影响,需要有效计算遥感系统的调制传递函数MTF,并将其快速作用到仿真图像上。然而,由于遥感仿真图像的大数据量特性以及MTF退化包含多个计算密集型算法,使得计算效率成为一个瓶颈问题。为此,根据已有研究提出的MTF计算模型,分析了遥感仿真图像MTF退化的一般流程及主要环节的算法复杂度。在此基础上,提出了一种CPU-GPU协同计算的遥感仿真图像MTF退化并行算法。实验结果表明,该并行算法有效地发挥了GPU并行计算能力,并明显提高了MTF退化处理效率。     

Coupled soil-leaf-canopy and atmosphere radiative transfer modeling to simulate hyperspectral multi-angular surface reflectance and TOA radiance data

Coupling radiative transfer models for the soil background and vegetation canopy layers is facilitated by means of the four-stream flux interaction concept and use of the adding method. Also the coupling to a state-of-the-art atmospheric radiative transfer model like MODTRAN4 can be established in this way, thus enabling the realistic simulation of top-of-atmosphere radiances detected by space-borne remote sensing instruments. Possible applications of coupled modeling vary from mission design to parameter retrieval and data assimilation. This paper introduces a modified Hapke soil BRDF model, a robust version of the PROSPECT leaf model, and a modernized canopy radiative transfer model called 4SAIL2. The latter is a hybrid two-layer version of SAIL accommodating horizontal and vertical heterogeneities, featuring improved modeling of the hot spot effect and output of canopy absorptances. The integrated model is simply called SLC (soil-leaf-canopy) and has been implemented as a speed-optimized Windows DLL which allows efficient use of computer resources even when simulating massive amounts of hyperspectral multi-angular observations. In this paper various examples of possible model output are shown, including simulated satellite image products. First validation results have been obtained from atmospherically corrected hyperspectral multi-angular CHRIS-PROBA data of the Upper Rhine Valley in Germany.     

三维建模中的纹理处理

纹理是影响三维模型逼真程度的最主要因素，当三维模型建立以后，需要将纹理映射在DSM上，真实地模拟三维景观。在大范围的城市三维建模中，纹理处理的工作量非常大，因此如何进行纹理处理是城市三维建模中的关键。本文将对城市三维建模中采用航空遥感影像和地面摄影影像进行地表纹理、建筑物顶部以及侧面纹理等处理的有关问题进行讨论。