一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法

一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法
(一)所属技术领域
1.本发明涉及一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法，属于光学遥感领域，可以应用于其他遥感模型的验证，同时在湿地生态研究和农作物定量化监测应用方面具有重要意义。
(二)

背景技术：

2.水生植被是农业生产与自然生态中常见的植被类型，针对三维水生植被的遥感建模对于其辐射特性的定量化研究有着至关重要的作用。三维水生植被场景中由于有水体的存在，在该场景中辐射传输的过程相比于陆地植被产生明显的变化，主要是由于为水-气界面和水体中各种杂质微粒对光线产生散射作用。光线在水-气界面上会产生反射或者是折射，由于在现实中水面并不是完全光滑的，因此无法视为理想的散射或者折射现象，在水体中，光线会与杂质发生交互，从而偏折，造成体散射的效应，这都增加了水生植被遥感建模的复杂性。针对水生植被场景中的特点，本技术引入了一种双向方法，即分别从观测方向和光源向场景内进行采样，并将两种路径连接起来形成一条完整的光线采样路径，通过这种方法可以更加高效地对场景中的光线路径进行采样，从而加快收敛的速度，以及可以保证采样到焦散这种单向方法难以采样到的路径，从而提高结果的准确度。通过该项技术，可以进一步研究在水生植被场景中各种生化或者几何参数对植被冠层反射特性的影响，更充分地从地面测量或者是卫星图像数据中提取出相应的信息，辅助反演的过程，为水生植被的检测、估产、预警、保护及定量反演提供高效、准确的新途径。
3.物体的反射特性通常用二向性反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,brdf)加以精确描述。本发明使用l-system分型结构自动构建出水生植被的三维场景，并耦合植物叶片光谱模型、波浪水面反射模型、浅水生物光学模型来设置场景中所有元素的属性，并进一步使用光子映射的方法进行模拟，发展出了一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法，本方法可高效准确模拟植被遥感中水生植被的反射光谱特性与反射方向特性，对实现水生植被的遥感监测与参数反演具有重要意义及应用价值。
(三)

技术实现要素：

4.本发明涉及一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法，其步骤如下：根据所模拟植被的形状结构、几何参数等特征构建出水生植被的三维场景；耦合了水面模型、水体模型和叶片模型设置场景的属性；从光源位置向场景中入射光子，构建出体光子图和全局光子图；从观测位置出发产生采样光线并生成可视点，进行光子密度估计，同时进行冠层反射率的估计；将上两步的过程进行多轮迭代，更新光子密度估计的半径，直到达到一个收敛的结果；探究水生植被冠层的反射光谱特性及反射方向特性，其具体步骤如下：
5.1一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法，其特征在于包含以下步骤：
function,btdf)函数，耦合根据海水试验测量结果构造出的水体散射相函数，耦合水体生物光学模型得到水体的吸收系数和散射系数；
16.4根据权利要求1所述的一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法，其特征在于：步骤(3)中所述的“根据太阳入射的方向和强度，向场景内入射大量的光子，光子在遇到非光滑表面上的散射事件或者是在水体之类的浑浊介质中的散射事件的时候，需要记录光子的位置，能量，以及入射方向信息，并根据这两种事件将相关信息存储在不同的位置中，得到相应的全局光子图和体散射光子图”光子图构建方法，由于采样光线在体散射介质中所携带的辐亮度，与在物体表面所携带的辐亮度有着完全不同的计算方式，因此需要使用不同的光子图来进行存储。光子图中所记录的信息，除了位置信息之外，还包括后续光子密度估计所需要使用到的信息。在遇到表面散射事件或者是体散射事件的时候，需要分别对brdf或btdf函数或者是体散射函数进行重要性采样，以得到散射方向，在修改光子能量的大小后，进入到下一轮迭代，能量的修改公式为：
[0017][0018]
其中ei表示的是在遇到第i次散射事件时的能量，fr表示的是brdf函数，ω表达的是采样得到的出射方向，n表示的是表面法线，p(ω)表达的是采样出射方向为ω的概率密度大小；
[0019]
5根据权利要求1所述的一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法，其特征在于：步骤(4)中所述的“将全局光子图和体散射光子图分别按照空间位置进行分割得到两组kd树，以便于后续光子图查询工作的进行”存储方式。kd树是一种可以用于空间分割的数据结构，通过构建kd树有助于快速的定位查询位置邻近的所有光子，通过构建kd树，有助于提高后续光子密度估计工作的效率。具体的构建方法为选择所有光子所构成的包围盒的最长轴，选取沿该轴坐标最中间的光子的坐标，垂直于轴方向对空间进行切割，并递归上述过程，在只有一个光子的时候对光子进行存储并停止递归；
[0020]
6根据权利要求1所述的一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法，其特征在于：步骤(5)中所述的“将所有的物体都投影到垂直于观测方向的平面上，并构造出相应的二维包围盒，在该包围盒的水平和竖直方向上取均匀的间隔，从而分割为多个面积相等的块”，该方法用来辅助在可视点构造阶段时采样光线起始位置的计算，从而使得采样光线在空间上能够均匀的分布，根据观测方向，可以构造出来一个局部坐标系为：
[0021][0022]
其中，ωv为观测方向，x、y和z分别表示世界坐标系的坐标轴方向，xv、yv和zv分别表示沿观测方向局部坐标的坐标轴在世界坐标系下的坐标。
[0023]
可以构造出从世界坐标到观测方向局部坐标的转换矩阵为：
[0024]
v＝[x
v y
v zv]
t
[0025]
从观测方向局部坐标到世界坐标到的转换矩阵即为v
t
。在一个块范围内，随机采
样一个位置，假设坐标为(xs,ys)则其所对应的起始位置在世界坐标系下应为：
[0026][0027]
7根据权利要求1所述的一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法，其特征在于：步骤(6)中所述的“在每一个块中，使用用户指定的观测方向为初始方向，向场景中入射一个虚拟光子，该光子在遇到第一个非反射表面时停止传播，构造出一个可视点，并在该点处进行光子密度估计，光子的传播路径中，若有经过浑浊介质，则认为该段为采样光线，需要对该段进行内散射(in-scattering)估计，并累加到表面反射的结果”的辐亮度计算方法。计算辐亮度的时候，使用的方法为光子密度估计，即在可视点的周围查询邻近的光子，邻近的光子会对该可视点所携带的回的辐亮度产生贡献，从表面反射的辐亮度与从介质内散射的辐亮度使用不同的方法进行计算。在表面进行光子密度估计的计算公式为:
[0028][0029]
式中，lr(x,ω)为在可视点x处，向方向ω贡献的辐亮度，ri为采样到可视点位置x对应的块的估计半径大小，ω
p
为光子p所对应的入射方向，δφ
p
为在点x
p
处的光子的能量大小，fr为相应表面的brdf函数。若光线经过了介质区域，则还需要对该辐亮度进行衰减，衰减的公式为:
[0030][0031]
该式计算的是从点x到点x'的辐亮度衰减系数，其中σ
t
表示的是消光系数，d表示的是在介质区域内的传播长度，ω表示的是光线传播方向。
[0032]
对于体散射辐亮度的估计，与表面反射辐亮度估计之间最主要的差别为，体散射估计范围使用的为一个圆球而不是一个圆盘。对于介质内一点，其所散射的内散射辐亮度对应的表达式为：
[0033][0034]
其中，σs为散射系数，rs为体散射估计所需要使用的估计半径大小，在实际计算的时候，需要将内散射的大小分割为多段，在每一段的端点进行计算，并进行加权累加得到在介质中光线总共携带的辐亮度，在某一个端点xk处进行计算的公式为：
[0035][0036]
上式中δxk表示的该端点到下一端点的距离，x0为进入介质范围内时的点；
[0037]
8根据权利要求1所述的一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法，其特征在于：步骤(6)中所述的“将每一个小块所对应的估计半径，进行更新，重复(3)～(6)步的过程，直到最终的结果达到收敛”的渐进更新估计半径的过程。在每一轮迭代中，都根据当前的运算结果逐步地缩小每一个块中的估计半径，从而加速收敛过程。该项技术只用来更新计算表面散射辐亮度时的估计半径。通过该技术，也可以实现将大量光子分批入射到
场景内，从而控制每一批入射光子的数量，进而保证在每一轮迭代中不会因为所需要查询的光子数太多而显著地降低程序运行效率，估计半径的更新公式为：
[0038][0039]
其中ni表示的是第i轮迭代中累计的光子数，mi为第i轮迭代中新增的光子数，γ是半径衰减系数，ri是第i轮迭代中所使用的估计半径，φi是第i轮迭代中新增的能量大小，τi是第i轮迭代中累计的能量大小，xj是新增光子j所在的位置，ωj是光子j的入射方向；
[0040]
9根据权利要求1所述的一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法，其特征在于：步骤(6)中所述的“根据定义计算水生植被场景冠层的二向反射率”的brf系数计算步骤。在本方法中，由于是从观测方向向场景内追踪了观测光线，因此，非常便于使用brf的定义来进行计算，计算公式为：
[0041][0042]
其中lb为在观测方向上第b个块的辐亮度，n为块的个数，e
sun
为入射光照的辐照度，m为场景中元素的个数，ni为第i个元素的法线，ω
sun
为太阳入射方向，a函数表示的是第i个元素在方向ω
sun
上的可见比例，area(i)为第i个元素的面积。
[0043]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0044]
(1)目前缺乏能够科学有效描述水体背景下水生植被二向反射特性的通用三维计算机模拟模型，本发明针对浅水域中水生植被开发的基于光子映射方法的计算模拟技术，具有显著的创新性，为水生植被的监测、估产、预警、保护以及生化物理参数的反演提供了更高效、准确的新途径。
[0045]
(2)本发明耦合植物叶片光谱模型、波浪水面反射模型、浅水生物光学模型作为场景种各类元素的属性，从而考虑到了植被叶片中的生化参数、水体的生化参数和风向与风速对植被冠层反射的影响，得到一种准确、高效的计算机模拟模型。使得本发明具有物理概念清晰，考虑因素全面的特点。
[0046]
(2)本发明引入了光子映射这种双向方法，可以极大的提高在场景中进行光线路径采样的效率，并通过在观测方向垂直平面上，将场景的投影进行分块，从而可以保证整个可以充分的对整个场景的空间范围内进行采样。该方法相比于传统的计算机模拟方法，可以处理包含多种复杂的反射材质、包含大面积光滑表面和包含体散射介质的更为复杂的场景。相比于传统植被遥感模型，本发明具有通用性强、扩展性高、计算方便、速度快的特点，且具有可靠的精度保证。
(四)附图说明
[0047]
图1为本发明的技术流程。
(五)具体实施方式
[0048]
为了更好地说明本发明涉及的一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法，利用本发明的模型进行了测试与分析，取得了良好的效果，具体实施方法如下：
[0049]
(1)将水生植被场景中的植被认为是由单株的植株三维模型按照用户期望的规律排列而得到的。首先根据用户期望的生长期，得到在该形态下的形状特征和几何参数，并将植被的三维结构使用分型语句来进行描述，由l-system生成相应植株的三维模型，最终将该三维模型拷贝得到的实例移动到场景中不同的位置，从而构建出模拟的三维植被场景；
[0050]
(2)基于植物叶片光谱模型计算单个叶片的反射率及透过率，结合水体中各物质浓度计算水体的吸收系数和散射系数，使用提供的风速和风向参数计算出水面的brdf和btdf函数，为场景中的所有元素都设置了相应的属性；
[0051]
(3)从光源位置出发，向场景内入射大量光子，并根据体散射事件和表面散射事件分别构建出体光子图和全局光子图，并将两种光子图重建为相应的kd树。
[0052]
(4)在从观测方向对场景分块后，从每一个块出发，向场景中入射虚拟光子，构造出相应的可视点，并在其行进路线上获得对应的体散射采样光线，查询体光子图和全局光子图，分别计算得到由表面反射和体散射所贡献的辐亮度，进而相加得到该虚拟光子所携带的辐亮度；
[0053]
(5)对于上述(3)、(4)步骤进行多轮重复迭代，并取平均的计算结果。在每一轮迭代中，对于每一个块，更新其在计算表面散射辐亮度时的估计半径，使的估计半径逐渐缩小，最终达到一个的结果；
[0054]
(6)计算水生植被场景冠层反射的brf。
[0055]
本发明建立水生植被冠层方向反射模型有助于更深入、科学地探究水生植被冠层反射光谱与太阳辐射、植被结构参数、水体组分参数、水底反射特性的关系，同时补充了三维冠层反射模型中缺少了对水面和水体处理的问题，扩展了原有的辐射度方法，使其可以处理本发明将为水生植被的监测、估产、预警、保护以及生物物理参数的反演提供更高效、准确的新途径。