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基于蒙特卡罗光线跟踪方法的植物三维冠层辐射传输模型

劳彩莲  
【摘要】:探讨植物冠层光辐射传输机理,是研究植物生长规律、模拟植物生长过程的重要前提。同时,在植被定量遥感、虚拟植物等研究领域中,越来越重视冠层光辐射传输模型的研究。 本文采用三角形面元描述冠层的三维空间结构,用基于测量提取的叶片散射光分布模型参数描述叶片的散射光空间分布,用蒙特卡罗光线跟踪方法模拟光辐射在冠层内传播的物理过程,最终建立一个冠层三维光辐射传输模型,并用此模型模拟太阳直接辐射在玉米冠层内的三维空间分布。主要内容如下: (1)研制了用于测量叶片反射光和透射光散射分布的实验装置。可以用于对叶片在特征吸收和非特征吸收波段的散射光强在主平面上的分布进行360°连续测定,扫描间隔为1°。扫描一次反射(或)透射光强分布的时间为4.2min。用标准白板作为参比样、大叶黄杨叶片作为测试样品,对系统的稳定性进行测试。测试结果表明,本测量系统重复测定参比样品和叶片的相对标准偏差分别为0.20%和1.31%。 (2)采用上述装置测定了大叶黄杨叶片的散射光分布,用基于物理Cook-Torrance模型建立了被测叶片在650nm和830nm入射光照下的BRDF函数,用Lambert模型建立了被测叶片在830nm入射光照下的BTDF函数。大叶黄杨叶片在650nm的透射光很弱,透射光强近似为零。模型的检验结果显示,所建立的650nm和830nm波长下的BRDF模型的决定系数R~2分别为0.95和0.91,830nm波长下的BTDF模型的决定系数R~2为0.73。 (3)采用蒙特卡罗光线跟踪方法模拟太阳直接辐射和叶片散射光在植物冠层三维空间内的传输和分布,在叶片散射光分模拟中,首次将叶片BRDF和BTDF作为叶片光学特性参数,用于冠层辐射传输模型中。模型对太阳直射光和叶片散射光在植物冠层三维空间内的辐射传输进行分步模拟。并可以分别输出太阳直射光分布与叶片散射光分布的模拟结果。 (4)用开发的植物冠层三维辐射传输模型模拟了玉米冠层内的太阳直射光的三维空间分布。模拟结果表明,模拟的冠层太阳直接辐射透过率的垂直分布与实地测得的光合有效辐射的光斑率分布曲线趋势一致。 (5)玉米冠层内的叶片散射光分布模拟结果表明,叶绿素特征吸收波长650nm的叶片散射光,零散分布在一些高亮光斑;而830nm的叶片散射光,较均匀的分布在冠层三维空间内。 所建立的植物冠层三维辐射传输模型,可用于光合有效辐射的三维空间分布模拟。在模拟叶片散射光的冠层空间分布时,需要对不同波长的叶片散射光进行分别模拟。


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