一种基于光子映射的湿地水生植被冠层反射建模方法

技术特征：
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：(1)根据植被场景中单个植株的形状特征和几何参数，利用l-system构建出单个植株的三维模型，根据场景的几何分布情况，排布单个植株的三维模型，以得到最终的水生植被三维场景；(2)利用植物叶片反射与透射光谱模型计算单个叶片的反射率与透过率；根据风速和风向参数得到水面反射和折射的概率分布；根据水体组分浓度与固有光学特性参数，利用水体生物光学模型计算得到水体的吸收系数，散射系数以及散射相函数，并使用得到的结果设置场景中各元素的属性，将所有的叶片均设置为朗伯体；(3)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；(4)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；(5)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；(6)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估计，并累加到表面反射的结果；(7)根据光子密度估计的结果，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；(8)根据定义计算水生植被场景冠层的二向反射率brf。2.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(1)中所述的“根据植被场景中单个植株的形状特征和几何参数，使用l-system构建出单个植株的三维模型，根据场景的几何分布情况，排布单个植株的三维模型，以得到最终的水生植被三维场景”的场景构造方法中，假设整个场景是由有限的几种植被类型构成，每一株相同类型的植被具有相同的单株三维几何结构，由这些植被的单株三维模型在空间上按照用户设置的几何位置参数进行分布，从而构建得到整个水生植被的三维场景；进一步，使用植被的生长模型得到所模拟的植被在不同生长期下的三维模型。3.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(2)中所述的“利用植物叶片反射与透射光谱模型计算单个叶片的反射率与透过率，根据风速和风向参数得到水面反射和折射的概率分布；根据水体组分浓度和固有光学特性参数，利用水体生物光学模型计算得到水体的吸收系数，散射系数以及散射相函数，并使用得到的结果设置场景中各元素的属性，将所有的叶片均设置为朗伯体”的场景元素光学属性设置方法具体如下：所有的叶片表面均视为朗伯体，耦合prospect模型计算叶片的反射率和透过率，耦合cox-munk模型计算水面的双向反射分布函数brdf和双向透射分布函数btdf，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。
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：其中，e
i
表示在遇到第i次散射事件时的能量，f
r
表示brdf函数，ω表示采样得到的出射方向，n表示表面法线方向，p(ω)表示采样出射方向为ω的概率密度大小。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”，具体如下：通过构建一种可以用于空间分割的数据结构kd树，以实现快速的定位查询位置邻近的所有光子，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。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”，具体如下：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：其中，ω
v
为观测方向，x、y和z分别表示三维世界坐标系的坐标轴方向，x
v
、y
v
和z
v
分别表示沿观测方向局部坐标的坐标轴在三维世界坐标系下的坐标；进一步构造出从世界坐标到观测方向局部坐标的转换矩阵为：v＝[x
v y
v z
v
]
t
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(x
s
,y
s
)，则其所对应的起始位置在世界坐标系下为：
其中，r为场景内所有元素沿观测方向上投影范围的大小，p
start
为采样得到的起始位置；采样光线的方向在世界坐标系下的坐标为：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估计，并累加到表面反射的结果”的辐亮度计算方法具体如下：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方法为：式中，l
r
(x,ω)为在可视点x处，向方向ω贡献的辐亮度，r
i
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，f
r
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，衰减的计算方法为：该式计算的是从点x到点x'的辐亮度衰减系数，其中σ
t
表示消光系数，d表示在介质区域内的传播长度，ω表示的是光线传播方向；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：其中，σ
s
为散射系数，r
s
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x
k
处进行计算的公式为：其中，δx
k
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。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具体如下：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：其中，n
i
表示的是第i轮迭代中累计的光子数，m
i
为第i轮迭代中新增的光子数，γ是半径衰减系数，r
i
是第i轮迭代中所使用的估计半径，φ
i
是第i轮迭代中新增的能量大小，τ
i
是第i轮迭代中累计的能量大小，x
j
是新增光子j所在的位置，ω
j
是光子j的入射方向。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系数计算方法具体如下：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，计算方法为：其中，l
b
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，n
i
为第i个元素的法线，ω
sun
为太阳入射方向，a函数表示第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。

技术总结
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；耦合水面反射模型、水体散射模型和叶片反透射模型设置场景的光学属性；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；得到水生植被冠层的反射光谱特性及反射方向特性。该发明将为水生植被冠层生理生化参数遥感监测提供新的模型工具与技术方法，同时为水生作物的精准化水肥调控管理和湿地生态环境监测提供科学依据。境监测提供科学依据。境监测提供科学依据。


技术研发人员：周冠华 苗昊雨 韩亚欣 景贵飞 田晨 李智峰
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.02.28
技术公布日：2022/5/31