植被冠层的多尺度计算机模拟及参数敏感性分析

论文摘要

植被BRDF模型的研究是支撑多角度植被遥感技术的理论基础,它的发展大大地推动了再生资源定量遥感的进程。因此,植被BRDF模型研究已经成为当前遥感科学中一个十分活跃的领域,先后出现的辐射传输模型、几何光学模型、混合模型和计算机模拟模型被用来定量计算地面目标的方向反射特性。本研究中采用了计算机模拟模型的辐射度方法,它由两大模块组成:(1)根据植被的生长规律,生成植被真实三维场景结构;(2)以生成的真实结构为基础,利用辐射度方法模拟植被场景冠层二向反射特性。为了能顺利展开对计算机模拟模型的研究,论文工作中进行了大量实验,积累了丰富的实验数据,一方面为模型研究提供了条件数据,同时也为模型结果验证提供了依据。本论文以植被结构特征的定量描述与场景模拟为基础,利用辐射度方法模拟了农作物(冬小麦和夏玉米)以及阔叶林地冠层的二向反射特性。并利用几何光学模型的思想,简化了阔叶树冠的结构,进而扩展了辐射度方法模拟的应用尺度。本论文的主要研究内容和创新点归结如下:(1)首先得到冬小麦整个生长期LAI变化估算模型,以LAI为控制因子,利用辐射度方法模拟了冬小麦不同LAI的冠层二向反射特性及NDVI的变化。并将计算机模拟结果与实测数据、Prosail模型模拟结果以及MISR多角度数据进行比较,取得了很好地一致性。(2)研究了不同时期冬小麦茎组分对冠层BRF的影响,分析了茎组分、入照和垄向对冠层二向反射特性的敏感性。(3)模拟了夏玉米与杂草不同下垫面的两种混合场景,分析了下垫面对农作物冠层二向反射特性的敏感性。(4)为了进一步扩展计算机模拟模型研究的真实场景观测尺度,以真实结构林地场景为研究目标。首先改进了林冠结构的模拟,分析了不同LAI条件下冠层二向反射特性变化趋势。(5)为了拓展辐射度方法的适用尺度,解决大尺度林地场景的模拟,简化林地树冠结构,将树冠抽象为椭球体,结合几何光学模型的思想完成了大尺度林冠场景冠层二向反射特性的模拟。(6)发挥计算机模拟模型的优势,模拟了不同条件下的植被结构场景,分析了植被空间分布、入照以及下垫面等对农作物和林冠场景冠层二向反射特性的敏感性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 图表目录
• 第一章 绪论
• 第一节 研究的意义和目的
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究目的
• 第二节 国内外研究发展现状
• 2.1 研究综述
• 2.2 面临的主要问题
• 第三节 论文研究内容
• 第四节 论文的创新点
• 第五节 论文结构
• 论文章节框图
• 参考文献
• 第二章 模型方法和数据处理
• 第一节 植被三维真实结构模拟－L-system
• 1.1 L-system 的基本概念
• 1.2 L-system 的作图原理
• 1.3 基于空间L 系统的龟形图法
• 1.4 扩展L-system（ELSYS）与三维结构场景的生成
• 1.5 遥感像元三维植被场景模拟的特点
• 第二节 辐射度方法原理
• 2.1 辐射度方法
• 2.2 辐射度方法与辐射传输方法的异同
• 第三节 数据采集和处理
• 3.1 样区的选择标准与方案
• 3.2 数据采集和处理
• 第四节 本章小结
• 参考文献
• 第三章 农作物冠层二向反射特性的计算机模拟及其验证
• 第一节 农作物真实场景的模拟及其二向反射特性分析
• 1.1 场景真实结构的模拟
• 1.2 计算冠层BRF 所需模拟场景的最小单元
• 1.3 冬小麦冠层二向反射特性的模拟
• 第二节 计算机模拟结果验证
• 2.1 与实测冠层BRF 数据比较
• 2.2 与ProSAIL 模型模拟光谱及实测光谱比较
• 2.3 与MISR 数据的比较
• 第三节 茎组分对冬小麦冠层二向反射特性的影响
• 3.1 茎组分对冠层二向反射特性的影响
• 3.2 茎组分影响的日变化
• 第四节 本章小结
• 参考文献
• 第四章 像元尺度林地冠层二向反射特性的模拟
• 第一节 林地冠层二向反射特性模拟尺度扩展的思想
• 第二节 小尺度阔叶树场景的模拟
• 2.1 阔叶林场景的模拟方法
• 2.2 场景模拟的控制参数
• 2.3 阔叶林场景二向性反射的计算及其分析
• 第三节 阔叶树场景冠层模拟分析
• 3.1 最小模拟单元场景的确定
• 3.2 不同LAI 下的杨树冠层的模拟BRF 比较分析
• 3.3 杨树与灌木混合场景的模拟
• 第四节 像元尺度阔叶林地模拟
• 4.1 椭球体树冠承照面的模拟
• 4.2 间隙率的概念
• 4.3 椭球体面光学特性赋值
• 4.4 与GOMS 模型比较
• 4.5 与MISR BRF 比较
• 第五节 本章小结
• 参考文献
• 第五章 模型模拟参数敏感性分析
• 第一节 植被冠层方向反射率特征分析
• 第二节 场景各参数敏感性分析
• 2.1 植被冠层空间分布的敏感性分析
• 2.2 太阳位置的敏感性分析
• 2.3 下垫面的敏感性分析
• 第三节 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 第一节 论文研究的主要结论
• 1.1 结论
• 1.2 论文成果及创新点
• 第二节 本研究存在的不足及展望
• 2.1 论文中的不足
• 2.2 展望
• 攻读博士学位期间公开发表的论文
• 致谢