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基于Monte Carlo方法的水体二向反射分布函数（BRDF）模拟

作　者: 凌在盈
导　师: 周斌
学　校: 浙江大学
专　业: 农业遥感与信息技术
关键词: 蒙特卡罗模型 BRDF模型定量遥感水体光谱特性
分类号: P237
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 227次
引　用: 1次
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内容摘要

水体的二向反射特征是表征海洋光学特性的重要因素之一,对应用遥感系统进行水色参数准确定量反演及海洋水色遥感技术的发展有着重要意义,是进行水质监测、水体温度、海洋生产力估产等方面定量遥感必须解决的问题之一二向反射是自然界中最基本的宏观现象之一。水体表面光场的方向分布携带有水体的一些重要的属性信息(如水体各组成含量、类型、粒径分布以及表面粗糙度等),忽略其方向性会带来一定的误差。然而早期的遥感应用,通常假定物体反射表面是朗伯反射,认为反射辐射强度、反射方向与入射辐射方向无关,在各方向上均匀分布。随着定量遥感技术的不断发展,遥感的定量化要求传感器获取的信息能准确反映目标特征,同时对由卫星遥感信号中提取的离水辐亮度的精度要求也越来越高。目前,植被、土壤的二向反射特性及模拟模型得到了大量的研究,取得了不少进展,但水体二向反射特性的研究相对较少,能够推广应用的二向反射函数模型则更少。这主要是由于影响海洋光谱因素较多,难以精确模拟；海上原位测量困难较大,风浪、阴影、天空状况等影响因素众多,都可以对结果引起较大误差,难以通过实验测量。而通过构建蒙特卡罗模型模拟计算辐射传输模型则可以很好地解决以上困难。由此可见,开展水体的BRDF的模拟模型及模型验证研究将会成为海洋水色遥感定量研究的热点和难点。本研究基于一定的假设,通过采用蒙特卡罗方法模拟追踪光子在水中的运动碰撞,采用散射相函数、单次散射率、衰减系数,并通过随机数选取碰撞的位置和散射角度,建立包含高吸收和高散射水体、分子的散射和大颗粒的散射、太阳入射角度、天空光影响的蒙特卡罗二向反射模型。在此基础上,模拟结果基于四边形网格统计技术,统计大量入射光子在水体表面空间所形成的出射光场,并使用圆柱坐标图,实现出射光场的三维展示。通过对模型结果的分析与计算发现,太阳入射角度、天空光所占比例、散射相函数、单次散射率等因素共同决定着二向反射分布函数的数值和形状。具体研究结果如下：(1)太阳入射角度,特别是太阳天顶角能改变水体二向反射分布函数的形状。在以悬浮颗粒物散射为主的水体,能量大都集中在后向热点方向,且后向热点的位置与太阳入射方向密切相关,也即后向热点的位置均出现在太阳入射光的反方向上；(2)天空光所占比例,本研究采用简单的各向同性天空光,当加入天空光后,二向反射分布函数峰值降低,并随着天空光比例的增大,二向反射分布函数的形状趋于对称,后向热点逐渐消失；(3)单次散射率主要影响二向反射分布函数的数值大小。同一条件下,单次散射率越大,水体表面反射光场越强烈,二向反射分布函数值越大；反之,越小。(4)散射相函数是影响二向反射分布函数形状的主导因素。水分子散射占主导的水体,其散射相函数采用瑞利相函数,光场能量较分散,其二向反射分布函数形状基本不随入射天顶角的变化而变化。而颗粒散射占主导的水体,其散射相函数为Petzold相函数,光子在水中碰撞之后,前向散射非常强烈,经多次散射逃出水面的光子较少,其能量集中在后向热点位置。

全文目录

致谢  6-7
摘要  7-9
Abstract  9-11
目录  11-14
图目录  14-17
表目录  17-18
第1章绪论  18-27
  1.1 研究背景  18-19
  1.2 遥感技术及其在海洋的应用  19-22
    1.2.1 遥感概念及其发展概况  19-20
    1.2.2 海洋水色遥感  20-21
    1.2.3 水色卫星传感器  21-22
  1.3 水体二向反射的研究进展  22-24
  1.4 本文研究目标、内容及其技术路线  24-26
    1.4.1 研究目标  24
    1.4.2 研究内容  24-25
    1.4.3 研究技术路线  25-26
  1.5 论文结构安排  26
  1.6 本章小结  26-27
第2章海洋光学的相关知识  27-43
  2.1 引言  27
  2.2 表观光学特性  27-29
    2.2.1 辐亮度  27-28
    2.2.2 辐照度  28
    2.2.3 辐照度反射率  28
    2.2.4 遥感反射率  28-29
  2.3 固有光学特性  29-33
    2.3.1 吸收系数  30
    2.3.2 散射系数  30-31
    2.3.3 单次散射率  31
    2.3.4 体散射函数  31-32
    2.3.5 散射相函数  32-33
  2.4 水体组分及其固有光学特性  33-40
    2.4.1 水体的光谱特征  33-37
    2.4.2 水体成分的固有光学特性模型  37-40
  2.5 二向反射分布函数  40-41
  2.6 二向反射模型介绍  41-42
  2.7 本章小结  42-43
第3章蒙特卡罗方法  43-48
  3.1 引言  43
  3.2 基本原理与解题步骤  43-46
    3.2.1 蒙特卡罗方法的基本原理  43-44
    3.2.2 蒙特卡罗方法的基本步骤  44-45
    3.2.3 蒙特卡罗方法的优点  45-46
    3.2.4 蒙特卡罗方法的缺点  46
  3.3 Matlab模拟平台  46-47
  3.4 本章小结  47-48
第4章光子运动的蒙特卡罗模拟  48-66
  4.1 蒙特卡罗模拟一般流程  48-50
  4.2 模拟中的光子状态与坐标系  50-51
  4.3 随机取样和方差缩减技术  51-52
    4.3.1 变量的随机取样  51-52
    4.3.2 方差缩减技术  52
  4.4 蒙特卡罗模拟步骤  52-61
    4.4.1 光子的发射  52
    4.4.2 光子的步长  52-53
    4.4.3 光子的传播  53-54
    4.4.4 光子的吸收  54
    4.4.5 光子的散射  54-58
    4.4.6 光子与界面的相互作用  58-61
    4.4.7 粗糙海面  61
    4.4.8 光子的消亡  61
  4.5 各光学量的计算  61-64
    4.5.1 球体分区  62-63
    4.5.2 二维网格系统  63-64
    4.5.3 光学量的计算  64
  4.6 三维圆柱坐标系统  64
  4.7 本章小结  64-66
第5章水体二向反射分布函数特征及其影响因素分析  66-80
  5.1 水体二向反射的模拟  66-67
  5.2 水体二向反射随光照条件变化的规律  67-72
    5.2.1 入射天顶角对BRDF的影响  67-70
    5.2.2 天空光与总入射光比例对BRDF的影响  70-72
  5.3 水体二向反射随水体固有光学特性变化的规律  72-75
    5.3.1 单次散射率对BRDF的影响  72-73
    5.3.2 散射相函数对BRDF的影响  73-75
  5.4 典型水体的二向反射分布函数模拟  75-79
  5.5 本章小结  79-80
第6章结论与展望  80-82
  6.1 主要研究成果与结论  80-81
  6.2 存在的问题及展望  81-82
附录在读期间发表的文章  82-83
参考文献  83-89

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