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基于计算机模拟模型的林木冠层太阳短波辐射定量分析方法 被引量：1
1
作者 张宇 张怀清 +2 位作者 安锋 蒋玲 云挺 《林业科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期16-30,共15页
【目的】定量模拟和刻画林木冠层太阳短波辐射的分布和截获情况,于时空变换下反演太阳短波辐射在不同林木冠层内的辐射通量变化,为林木培育经营和提质增效提供理论依据。【方法】首先,以公共数据集和真实扫描的校园内林木激光点云数据为... 【目的】定量模拟和刻画林木冠层太阳短波辐射的分布和截获情况,于时空变换下反演太阳短波辐射在不同林木冠层内的辐射通量变化,为林木培育经营和提质增效提供理论依据。【方法】首先,以公共数据集和真实扫描的校园内林木激光点云数据为例,结合设计的机器视觉算法,对林木激光点云进行枝叶分离和单叶分割,并用合适大小的椭圆形和圆柱体几何单元分别拟合每片叶片和骨架,开展林木真实模型重建;其次,运用计算机图形学方法,结合研究地点的经纬度和时刻,模拟太阳入射光线,并引入物理学的双向反射和透射分布函数及蒙特卡洛光线追踪算法,开展反射和透射光线与冠层内叶片的碰撞模拟;最后,根据仪器测量得到的不同树种叶片平均粗糙度和折射率,结合光线追踪算法,实现林木冠层内短波辐射分布计算和木林冠层光截获效率评估。【结果】利用本研究方法计算时空变换下不同树种(芒果、橡胶、紫薇、樱花)4株树冠及一片香樟树林的直射、反射和透射太阳辐射通量,其中直射辐射通量占比约86%、反射辐射通量占比约5%、透射辐射通量占比约9%。叶面积指数高的树冠会拦截更多直射和透射光线;在太阳高度角较小时刻(上午或下午),斜射的太阳光线反射后易与树冠中其他叶片发生二次求交,产生较多反射辐射通量。同时,由于林木的趋光性,中午树冠光线拦截率高于上午和下午10%左右。比对采用本研究方法计算的树冠辐射通量拦截比值和样地手持光电仪器实测结果,绝对误差小于6%。【结论】在测绘科学、计算机图形学及林学多学科视角融合下,本研究基于激光点云重建树木真实表观形态结构,并将蒙特卡洛光线追踪算法与物理学的双向反射和透射分布函数相融合,真实模拟光线在树冠中的传播过程,可准确获取林木冠层内太阳短波辐射分布与树冠辐射通量拦截值,对研究时空变换下林木太阳辐射吸收、光强与树冠形态结构的耦合关联及不同表型参数的林冠辐射传输模型均有重要启示意义。 展开更多
关键词 太阳短波辐射 激光点云 计算机模拟模型 树木三维重建 林木辐射传输
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偏振对辐射传递计算精度的影响 被引量：3
2
作者 冷少华 刘林华 《热科学与技术》 CAS CSCD 2008年第3期211-216,共6页
偏振是散射光的重要特征之一，而标量辐射传输方程中不包含有偏振信息。当考虑散射光的偏振或者是有高精度要求时，需用矢量辐射传输方程。利用求解矢量辐射传输方程的双层迭代解法，针对两种均匀介质中单色偏振辐射传输的一维平行平板... 偏振是散射光的重要特征之一，而标量辐射传输方程中不包含有偏振信息。当考虑散射光的偏振或者是有高精度要求时，需用矢量辐射传输方程。利用求解矢量辐射传输方程的双层迭代解法，针对两种均匀介质中单色偏振辐射传输的一维平行平板模型，分析了偏振对辐射强度和热流计算结果的影响。计算结果表明，若不考虑偏振，在反照率较大、光学薄、有镜反射表面的一维介质中辐射强度的最大相对误差可以达到10％左右；在反照率较大、光学厚、有平行光源入射的一维介质中辐射强度的最大相对误差可以达到6％～7％左右。而不考虑偏振时对热流的计算结果的影响并不大。 展开更多
关键词 矢量辐射传输 偏振 计算精度
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短波红外三维亚像元低层水云散射效应对二氧化碳反演的影响分析
3
作者 白文广 张鹏 +4 位作者 卢乃锰 张文建 马刚 漆成莉 刘辉 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第10期3759-3769,共11页
由于大气短波红外辐射传输散射的复杂性,目前二氧化碳物理反演算法通常假定为晴空平面平行大气.然而通常的云检测算法难以识别视场内亚像元低层水云存在的场景,直接影响了二氧化碳遥感产品的精度.本文基于三维矢量辐射传输计算方法模拟... 由于大气短波红外辐射传输散射的复杂性,目前二氧化碳物理反演算法通常假定为晴空平面平行大气.然而通常的云检测算法难以识别视场内亚像元低层水云存在的场景,直接影响了二氧化碳遥感产品的精度.本文基于三维矢量辐射传输计算方法模拟了三维亚像元水云在短波红外1.6μm波段的散射效应,并估算了忽略此散射效应可能引入的二氧化碳反演偏差.结果表明:1.6μm波段云区表现为强反射特征,阴影区表现为减弱特性.忽略三维云散射后,云区视场辐射模拟结果偏低,且相对偏差量随地表反射率的减小、太阳天顶角的升高和云层光学厚度的增大而增大;而阴影区辐射模拟结果将偏高,相对偏差量随太阳天顶角升高、云层光学厚度的增大而增大;在云区和阴影区吸收通道都表现了相对更大的偏差.估算结果显示在低反射率、高太阳天顶角和高云层光学厚度场景中,晴空平面平行假设可能引入高达10~15 ppmv反演误差,远高于观测需求.如何剔除三维云散射影响的观测,或者在反演算法中修正三维云散射效应对于提高二氧化碳反演精度将非常重要. 展开更多
关键词 三维矢量辐射传输计算 短波红外亚像元云散射 二氧化碳反演偏差
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基于大气矢量辐射传输的近红外遥感用雅克比矩阵计算 被引量：2
4
作者 白文广 张鹏 +4 位作者 张文建 李俊 马刚 漆成莉 刘辉 《中国科学：地球科学》 CSCD 北大核心 2020年第9期1289-1301,共13页
考虑到地表反射和大气粒子散射的偏振影响,基于近红外卫星观测的高精度大气参数反演需要精确的大气矢量辐射传输模拟.而国内面向遥感用途的辐射传输计算研究较少,反演算法多依赖于国外模型.文章基于物理累加原理,构建了基于近似无限小... 考虑到地表反射和大气粒子散射的偏振影响,基于近红外卫星观测的高精度大气参数反演需要精确的大气矢量辐射传输模拟.而国内面向遥感用途的辐射传输计算研究较少,反演算法多依赖于国外模型.文章基于物理累加原理,构建了基于近似无限小薄层大气透射、反射以及太阳散射累加计算的近红外波段矢量辐射传输计算模型.该模型在单层分子瑞利散射、单层气溶胶散射、多层瑞利散射以及真实大气多层分子吸收、瑞利散射以及气溶胶散射共存典型场景下与国际矢量模型基准值有非常好的一致性,计算精度可以达到千分之几量级.为满足实际遥感应用需求,进一步基于该模型累加计算过程,发展了基于微分法的主要大气、地表参数雅克比矩阵解析计算方法,并与精确的扰动计算结果进行了对比验证.结果显示:该解析法计算得到的二氧化碳浓度雅克比矩阵精度可以达到千分之几量级,气溶胶光学厚度雅克比矩阵计算精度优于1.0×10−3%.该方法地表反照率雅克比矩阵计算简单,计算精度优于2.03×10−4%,满足实际观测数据反演精度需求.文章构建的自主辐射传输计算模型,有望用于国内外近红外高光谱温室气体仪器数据模拟和反演. 展开更多
关键词 气溶胶散射 矢量辐射传输 雅克比矩阵计算
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忽略1.6μm偏振计算对二氧化碳反演精度的影响 被引量：3
5
作者 白文广 张鹏 +3 位作者 张文建 马刚 漆成莉 刘辉 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第8期766-776,共11页
散射引起的偏振效应会对卫星遥感二氧化碳精度产生较大的影响.本文利用逐线积分方法和累加法精确模拟了星载仪器近红外1.6μm波段的大气层顶偏振辐射特征,计算了分子散射和气溶胶散射引入的偏振效应,分析了偏振效应对大气二氧化碳反演... 散射引起的偏振效应会对卫星遥感二氧化碳精度产生较大的影响.本文利用逐线积分方法和累加法精确模拟了星载仪器近红外1.6μm波段的大气层顶偏振辐射特征,计算了分子散射和气溶胶散射引入的偏振效应,分析了偏振效应对大气二氧化碳反演精度的影响.研究表明:1.6μm波段散射引入的偏振效应明显,并随太阳高度角、观测天顶角、气溶胶光学厚度、地表反射率而变化.除个别大角度观测天顶角外,偏振效应随太阳天顶角升高、气溶胶光学厚度增加、地表反射率的减小而变大,并且在吸收线位置的影响要高于窗区.忽略偏振效应导致的大气二氧化碳反演误差随太阳天顶角的升高、气溶胶光学厚度的增加以及地表反照率减小而增大,并且该误差与仪器观测角度有关.模拟结果显示在高太阳天顶角、高气溶胶光学厚度以及低反照率场景下,忽略偏振计算可能引入高于10 ppmv(1 ppmv=10^(-6) L/L)反演误差,远高于1~2 ppmv观测需求.为减小误差,基于该波段的二氧化碳反演需要考虑大气辐射偏振的影响. 展开更多
关键词 矢量辐射传输计算 卫星近红外1.6μm观测 二氧化碳反演误差
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