基于Clamp模型的植被色度值計(jì)算機(jī)模擬表征.pdf

1、植被是地表最重要的覆蓋類型之一，也是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的組成成分之一。它與太陽入射光源的輻射傳輸相互作用，是全球變化的重要環(huán)節(jié)，影響生態(tài)系統(tǒng)的水、氣、碳等多種物質(zhì)的循環(huán),全面掌握植被的生長(zhǎng)規(guī)律為了解不同尺度的生態(tài)系統(tǒng)功能提供了非常有用的幫助。 各國(guó)科學(xué)家對(duì)植被仿真，特別是與人類生存息息相關(guān)的農(nóng)作物仿真進(jìn)行了大量的研究,提出和發(fā)展了不同復(fù)雜程度的模型。根據(jù)模型所用的理論和假設(shè),冠層反射模型可以分為4種不同的學(xué)派:混濁介質(zhì)模型,幾何光

2、學(xué)模型,混合模型和計(jì)算機(jī)模擬模型。 在我國(guó)，近年來，人們致力于全球尺度的資源探測(cè)和環(huán)境問題的系統(tǒng)研究，迫切要求遙感提供大范圍的植被狀況及其動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)。植被仿真無疑是一種有效的手段，它能真實(shí)直觀的反映數(shù)據(jù)。但在很多時(shí)候，模型在應(yīng)用過程中會(huì)產(chǎn)生很多問題，比如說涉及的參數(shù)針對(duì)性太強(qiáng)，不能適用于多種作物；或者模擬的場(chǎng)景失真，與真實(shí)場(chǎng)景不符等等。此外，最需要解決的問題是如何給場(chǎng)景賦予真實(shí)的顏色。所謂真實(shí)的顏色，是指與太陽光發(fā)生相互作用

3、的葉片形成的顏色，并不是平常的仿真中選取的近似顏色。 色度值，即顏色，它的表征或測(cè)量是非常復(fù)雜的交叉性很強(qiáng)的邊緣學(xué)科。要將其定量度量，涉及觀察者的視覺生理、視覺心理以及照明條件、觀察條件等許多問題。 本文的選題也順應(yīng)了傳統(tǒng)遙感向定量遙感轉(zhuǎn)型這一趨勢(shì)。定量遙感是利用遙感傳感器獲取的地表地物的電磁波信息，在先驗(yàn)知識(shí)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持下，定量獲取觀測(cè)目標(biāo)參量或特性的方法與技術(shù)。作為新興的遙感信息獲取與分析方法，定量遙感強(qiáng)調(diào)通過數(shù)

4、學(xué)的或物理的模型將遙感信息與觀測(cè)地表目標(biāo)參量聯(lián)系起來，定量地反演或推算出某些地學(xué)目標(biāo)參量。在本文中，需要研究的就是如何將葉片的光譜特性與色度值建立關(guān)系，既將色度值定量度量。 本文研究的主要內(nèi)容如下： （1）選定模型來生成基本場(chǎng)景，要求控制參數(shù)少，且都是和農(nóng)學(xué)及遙感應(yīng)用直接相關(guān)的一些參數(shù)，能普適、通用地描述各種植被冠層。 （2）將葉片的三維空間坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入到POV-Ray光線跟蹤軟件中，設(shè)置光源和攝像頭，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行渲

5、染。 （3）為了達(dá)到逼真效果，真實(shí)體現(xiàn)透射和反射造成的葉片顏色差異，需要判斷太陽光到達(dá)葉片發(fā)生的是反射作用或者透射作用。 （4）建立葉片光譜特性與色度值的關(guān)系，研究如何通過測(cè)得的反射率或透射率計(jì)算得到葉片的色度值。 遵循上述思路，本文得到的結(jié)果是如下： （1）基于通用和近似的原則并通過比較多種植被模型，選取CLAMP模型來生成基本場(chǎng)景。Clamp模型，全名The Clumped Architecture

6、Model of Plants，稱為植被叢生構(gòu)建模型，是一款結(jié)構(gòu)真實(shí)模型，即上述四種流派之一的計(jì)算機(jī)模擬模型。它以簡(jiǎn)單的三角形來模擬葉片，其特點(diǎn)是輸入?yún)?shù)少，且都是和農(nóng)學(xué)以及遙感應(yīng)用直接相關(guān)的參數(shù)，可以根據(jù)具體的植被類型加以調(diào)整，具有較大的靈活性； （2）為了建立葉片光譜特性與色度值的關(guān)系進(jìn)行了野外實(shí)測(cè)，以玉米葉片為例，測(cè)得其反射率與透射率，記錄實(shí)驗(yàn)時(shí)的太陽高度角和方位角，為場(chǎng)景渲染做準(zhǔn)備； （3）對(duì)于判斷葉片是發(fā)生反射

7、作用還是透射作用這一步驟，采用的是判斷單位法向量正弦相交的方法，這牽涉到葉片與太陽的關(guān)系以及葉片與照相機(jī)的關(guān)系。具體辦法是首先計(jì)算葉片的單位法向量A，其次計(jì)算葉片與太陽光的單位法向量B以及葉片與相機(jī)的單位法向量C，計(jì)算AB 以及AC的正交值。如果兩者皆為同號(hào)，那么為反射；反之，為透射； （4）最后，基于色度學(xué)相關(guān)的理論和原理，建立起葉片光譜特性與色度值的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的反射率與透射率計(jì)算得到葉片的色度值。這一步驟也涉及到很多

8、參數(shù)，比如三刺激值，光譜功率分布，亮度因子等，因此，色度值的計(jì)算也是一個(gè)比較復(fù)雜的過程。 分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：目標(biāo)植被模擬結(jié)果與觀測(cè)真實(shí)場(chǎng)景相比較，本文的方法不僅較好達(dá)到觀測(cè)的實(shí)用、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)和高效生成的功效，同時(shí)，消除了遙感數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差和無用信息帶來的干擾影響。對(duì)植被模型參數(shù)值和狀態(tài)變量初始值重新調(diào)整的效果還取決于被調(diào)參數(shù)的選擇。如果被調(diào)參數(shù)不太多，給定取值范圍較小，則調(diào)整效果較好。因此，這種基于遙感數(shù)據(jù)的植被仿真模擬方法比較理

9、想。顏色，原本屬于物理學(xué)的范疇，但由于其應(yīng)用的廣泛性和多樣性，最后逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，稱之為色度學(xué)。將色度學(xué)應(yīng)用到植被仿真中，這是本文新穎的一點(diǎn)；建立葉片光譜特性與色度值的唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這也是很有意義的。由于色度值是根據(jù)葉片光譜特性計(jì)算得到，整個(gè)仿真場(chǎng)景也隨之具有了輻射作用的表征。但是，本文只是實(shí)現(xiàn)了從光譜特性到色度值的正向過程，希望通過以后的學(xué)習(xí)能實(shí)現(xiàn)它的反演。除此之外值得一提的是，葉片的色度值，并不單純是它的頻率在人眼中的反

10、映，它還牽涉到葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其生化參數(shù)等，比如水份、葉綠素、胡蘿卜素等。葉片在不同的生長(zhǎng)期，內(nèi)部物質(zhì)含量的不同會(huì)引起葉片色度值的改變。對(duì)這一關(guān)系有一個(gè)模型可以很好的說明，這就是Prospect模型。它是一個(gè)基于Allen 平板模型的輻射傳輸模型，它可以表述植株葉片從4,00nm到2500nm的光學(xué)特性。它的主要參數(shù)包括光譜的折射指數(shù)n和葉片的葉肉構(gòu)造參數(shù)N、色素濃度Ca+b、水含量Cw以及相應(yīng)的特定光譜吸收系數(shù)（Ka+b和Kw），通過這