一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法
专利汇可以提供一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于 光子 追踪的大气与三维地表耦合 辐射 模拟方法，包含以下步骤：(1)读入 光源 、大气场景和地表场景的输入参数，并对大气输入参数进行计算处理；(2)从光源向场景内发射一个光子，根据步骤(1)的计算结果模拟光子行进的距离，确定碰撞点 位置 ；(3)在碰撞点更新光子位置、方向和 能量 信息，收集能量贡献；(4)根据光子位置，计算光子下一步去向，继续追踪光子，直到满足终止条件；(5)发射新光子，重复追踪过程，在达到设定的光子数量之后，得到收敛的大气顶辐 亮度 结果。该方法通过追踪光子方向和位置信息来模拟地表与大气辐射传输耦合，更加贴近实际情况，进而更精确的模拟大气对地表辐射传输 信号 的影响。，下面是一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法专利的具体信息内容。
1.一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法，其特征在于，它包含以下步骤：
(1)读入光源、大气场景和地表场景的输入参数，并对大气输入参数进行计算处理；
(2)从光源向场景内发射一个光子，根据步骤(1)的计算结果模拟光子行进的距离，并确定碰撞点位置；
(3)在碰撞点更新光子位置、方向和能量信息，并收集光子对传感器的能量贡献；
(4)根据光子位置，计算光子下一步去向，继续追踪光子直到到达终止条件；
(5)从光源发射新光子，重复追踪过程，在达到设定的光子数量之后，得到收敛的大气层顶辐亮度结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法，其特征在于：所述模拟方法的步骤(1)为读入光源、大气场景和地表场景的输入参数，并对输入参数进行计算处理：
三维地表场景使用几何面片组合的方法进行描述，使用三维坐标描述每个三角形或圆形的大小、位置和朝向信息，同时输入每个面片的高光谱的反射率和透射率信息；使用几何面片的拼接可以描述任意复杂程度的三维地表场景；
由于地球大气的垂直异质性，三维地表场景上方的大气建模成不等间隔的12个高度分层，每一个分层内的大气水平均匀并具有相应的光学参数；对于每个高度处的大气，按类型分类为大气分子，气溶胶和云；分别输入各个模拟波段每个分层处大气分子，气溶胶和云的消光系数和单次散射反照率；对应输入气溶胶和云的双Henyey-Greenstein非对称参数描述其散射相函数；
太阳作为大气与三维地表耦合场景的入射光源，其输入的几何参数包括太阳天顶角和方位角，光源设置在大气层顶部，其大小和下方地表三维场景的边界大小保持相同；输入的光谱参数为入射太阳光能量光谱分布；
对输入的大气光学参数进行预处理；使用瑞利散射生成大气分子散射相函数查找表；
对应不同波段和不同高度分层使用双Henyey-Greenstein参数计算云和气溶胶的散射相函数查找表；
根据大气高程调整每个大气分层实际分层高度；
对每一个波段，每一高度位置处的不同大气组分的吸收系数、单次散射反照率、散射相函数查找表进行等效合成；并分别储存作为后续模拟过程直接使用的计算参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法，其特征在于：所述模拟方法的步骤(2)为从光源向场景内发射一个光子，根据步骤(1)的计算结果模拟光子行进的距离，并确定碰撞点位置：
光源面设置在大气层顶部，使用均匀随机数在光源面上随机确定每个光子的起始位置，光子的方向由输入的太阳天顶角和方位角确定，而每个光子的初始能量由输入光谱参数决定：
公式中N是拟追踪的光子个数，S表示模拟场景的底面积，λ为当前模拟的波长；
光子进入场景后，将首先进入大气模块，按设定的初始方向沿直线传播；光线在场景中行进的距离的计算方法则将根据光子所处位置确定；
后续传播过程中，若光子在大气之中，则按高度分层找到当前位置的消光系数，计算得到自由路径；光子在大气中行进的自由路径S由随机数和所在层的消光系数共同决定：
rand是0到1之间的均匀随机数,βatm是在步骤(1)中计算得到的当前位置处的大气等效消光系数，iz表示光子当前所在大气分层，λ是当前模拟的波长；在行进自由路径S之后，光子与大气组分发生碰撞；
若光子在地表场景之中，则模拟光子按当前方向传播直到与几何面片发生碰撞，根据三角形或圆片的三维坐标进行几何求交，计算得到光线碰撞的三角形或圆片编号以及碰撞点位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法，其特征在于，其中步骤(3)在碰撞点更新光子位置、方向和能量信息，并收集光子对传感器的能量贡献：光子携带的能量将在碰撞点对应衰减：
Qout(λ)＝Qin(λ)·ω(λ)
其中Qout和Qin分别代表了碰撞后和碰撞前的光子能量，ω是单次散射反照率，在大气中是当前位置的等效大气反照率，在地表场景中则为当前碰撞几何面片的反射率和透射率之和；
光子在大气中碰撞之后的新的散射方向分布满足散射相函数的分布，使用步骤(1)中计算得到的当前位置处的散射相函数查找表抽取并计算新的传输方向；光子在地表场景面片表面发生的散射假设其满足朗伯定律，根据当前面片法线朝向信息计算新的散射方向；
在每次碰撞发生的位置，使用光子扩散方法计算累计碰撞事件对设置的观测传感器的能量贡献；如果从碰撞点位置到达传感器的路径上没有受到遮挡，则根据光子入射方向和碰撞点的位置信息，计算光线向传感器方向散射的概率，并按比例收集能量：
Qcollect(Ω,λ)＝Qout(λ)·P(Ω,λ)·exp(-La·βatm)
P为光线向传感器方向散射的概率，La表示从碰撞点到达传感器位置处经过的大气路径长度，公式中最后指数项描述这段距离上的上的大气消光。
5.根据权利要求1所述的一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法，其特征在于：所述模拟方法的步骤(4)为根据光子位置，计算光子下一步去向，继续追踪光子，直到到达终止条件：
光子将按新的方向离开碰撞点，继续沿直线传播并重复碰撞过程；在整个追踪过程中，光子携带位置、方向与能量信息，使用光子的位置信息判定当前处在大气还是地表场景之中，当光子位于大气中时，后续传播过程使用大气相函数查找表随机抽取光子新的方向，使用大气中的路径长度计算方法和碰撞处理方法继续追踪光子，更新光子携带的信息并收集传感器贡献；当光子处于地表场景之中时，根据当前发生碰撞的面片的法线方向和朗伯定律随机抽取光子新的方向，使用地表场景的路径长度计算方法和碰撞处理方法继续追踪光子，更新光子携带的信息并收集传感器贡献；
当经过一定次数的碰撞之后，光子上携带的能量将变得比较小，一旦光子能量小于阈值，使用“俄罗斯轮盘”来能量守恒且无偏的终止该光子的追踪过程；
光子在从大气底部进入地表场景时具有具体的方向和位置信息，可以很好的模拟出经过大气散射之后的天空漫射光的非各向同性；
一旦光子在地表场景中通过碰撞散射离开地表场景上边界，使用光子的高度信息和具体传播方向，可以令光子再次回到大气中继续追踪，很好的再现出在大气与地表场景交界处的光子在两个部分之间的循环往复作用，做到大气和大气下的地表场景的完全耦合。
6.根据权利要求1所述的一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法，其特征在于：所述模拟方法的步骤(5)为发射新光子，重复追踪过程，在达到设定的光子数量之后，得到收敛的模拟结果：
使用蒙特卡洛思想，在一个光子的模拟过程中，把每一个不确定的物理过程按其物理分布描述成概率过程，并使用随机数抽样的方法确定在本次模拟中发生的具体事件；每一个使用随机方法描述的位置都严格遵循其物理分布规律；
通过大数量的重复模拟过程，即使用一定数目的模拟光子数，使每一个使用随机事件描述的位置按其分布得到充分的采样，最后即可通过累计的每一次对观测传感器的能量贡献得到最终整体三维地表场景与大气耦合结果，即大气层顶传感器观测方向接收到的辐亮度信号：
上式中各个符号的含义同前文。
一种基于光子追踪的大气与三维地表耦合辐射模拟方法
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
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