植被遥感中多尺度复杂场景反射辐射的计算机模拟模型研究

Scale issue has been paid more attention with the development of quantitative remote sensing and multi-resolution sensors. Therefore, it is important to develop a new computer simulation model with a large-scale complex scene, which can calculate effectively and simulate the land surface reflectance images with the multiple resolutions. First, point cloud data from terrestrial LiDAR are used to build three-dimensional (3D) individual-tree structure and some multisource remote sensing data obtained from the plat form of manned or unmanned aerial vehicles are used to extract the land surface structure information (tree location, height and species etc.) with high accuracy, so that a virtual 3D complex scene with the similar structure of the real land can be reconstructed in order to make the agreement of the simulated reflectance image with the real one obtained by remote sensing sensors. Second, a computer simulation model based on coupled ray tracing and radiosity algorithms will be developed, which take not only the specifics of real plant structure but also complex terrain into account by dividing a large-scale scene into several small blocks. This new computer simulation model can simulate the land multi-resolution (sub-meter ~ kilo-meter), multi-angle, multi/hyper-spectral reflectance images to help us understand the characteristics of the solar radiance and reflectance distribution within a complex land surface and improve the ability and accuracy of retrieving land parameters. The new model will become a powerful tool to research the spatial scale issue and its simulated scene and reflectance can be used as a reliable validation standard of some retrieved land surface parameters and models or algorithms.

随着大尺度的地表复杂场景重建能力的提升，以及对多源的多分辨率遥感数据引发的空间尺度问题的强烈关注，建立一个普适而高效的大场景、多尺度的地表发射/反射的计算机模拟模型成为亟待解决的科学问题。首先，项目依据多源遥感数据，通过地表参数反演和信息提取，实现与地面结构一致的三维复杂大场景的重建，达到模拟结果与真实遥感影像的精准匹配；其次，通过光线追踪与辐射度算法联合运用优势，采用分块计算和算法优化来发展一种能够考虑植被真实结构和复杂地形的多尺度、多角度、多/高光谱特征的计算机模拟模型，模拟和计算从地面亚米级到卫星遥感公里级不同尺度的地表反射率。这将有助于深入理解复杂地表的辐射、反射空间分布行程与特征，定量分析空间异质性和地形因素对植被冠层反射辐射分布特征的影响，为改进定量遥感反演算法和提高反演精度奠定基础，并成为反演结果真实性检验的近真标准，同时也为空间尺度效应研究提供一个新的强而有效的研究工具。

项目围绕大尺度三维森林场景重建和三维辐射传输模型开发两大部分内容开展。.三维森林场景重建方面，项目组在单木-冠层-景观多个尺度上研究了参数反演算法和场景构建方法。在单木尺度，（1）通过修正传统间隙率模型，实现了基于单站激光雷达提取单木叶面积；（2）利用智能手机，开发了一套提取叶倾角分布的算法和软件；（3）基于地基激光雷达点云，实现了阔叶树（白桦为例）和针叶树（落叶松为例）的三维重建。在冠层-景观尺度，（1）基于机载激光雷达数据，利用分水岭算法提取单木信息，并以单木为基础，结合单木模型库，实现大尺度森林场景的自动构建；（2）基于机载激光雷达数据的强度信息，开发了新的森林叶面积参数反演算法，实现了大范围森林三维叶面积体密度的提取；（3）在此基础上，以体元为基本单位，实现大尺度森林场景的快速构建。.针对目前三维辐射传输模型普遍存在的问题，包括模拟场景较小、场景结构被简化、大尺度复杂地形影响难以考虑、计算效率低、使用复杂等，项目组在三维辐射传输模型建模方面开展了包括算法研发、模型平台开发、模型功能扩展，以及模型应用等方面的研究。首先，基于光线追踪算法开发了一个新的计算机模拟模型——LESS。该模型基于光线追踪算法，实现了复杂大尺度森林场景多尺度、多角度、多/高光谱等多种遥感信号的模拟，其模拟精度不低于国际同类模型，而计算效率提高了20倍以上。以LESS模型为核心，开发了一套三维辐射传输模型软件平台系统，该系统集合了数据管理、场景构建和显示、信号模拟等功能于一体。LESS安装软件及其相关说明和数据可免费下载http://lessrt.org/。目前该模型已经开发实现了多分辨率遥感图像、二向性反射率因子、反照率、上下行短波辐射、热红外图像、森林四分量、方向间隙率、冠层FPAR等模拟和计算，初步实现了激光雷达信号的模拟。该模型还在定量遥感产品和算法的精度验证等方面开展了相关的应用。.可以预见，本项目开发的参数反演算法和三维场景重建方法和计算机模拟模型将为遥感建模和参数反演、遥感产品的真实性检验等方面提供可靠的数据，对推动我国定量遥感理论和应用研究的进步具有重要意义。