光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型的應(yīng)用分析

蒙肖雷

（西安交通工程學(xué)院，陜西咸陽(yáng)，710300）

0 引言

光學(xué)遙感技術(shù)在很多航測(cè)遙感技術(shù)運(yùn)輸業(yè)和勘測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)取得了相應(yīng)的成效，對(duì)于優(yōu)化監(jiān)測(cè)工作的效率有著積極作用，為人類的高科技發(fā)展創(chuàng)造了更多的可能。尤其是在當(dāng)前的氣候監(jiān)測(cè)、植被監(jiān)測(cè)以及各種數(shù)據(jù)信息監(jiān)測(cè)中都得到了廣泛的運(yùn)用。遙感觀測(cè)技術(shù)在實(shí)際使用的過(guò)程中能夠直接對(duì)所需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而構(gòu)建出相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系，再利用計(jì)算機(jī)工具形成最終的結(jié)論。就當(dāng)前我國(guó)研發(fā)出來(lái)的遙感模型可以直接分為以下幾類：輻射傳輸模型、幾何光學(xué)模型、混合模型和三維計(jì)算機(jī)模擬模型。相比較傳統(tǒng)的遙感模型的使用，這些技術(shù)更加的方便快捷，精準(zhǔn)度更高。尤其是遙感三維計(jì)算機(jī)模型的使用已經(jīng)在很多行業(yè)中得到了較好的發(fā)展，例如分析混合像元效應(yīng)和地形起伏對(duì)長(zhǎng)、短波輻射收支的影響（Gu等2012；Yuan等，2014），探究植被指數(shù)NDVI、葉面積指數(shù)LAI和光合有效輻射分量FPAR間的相互關(guān)系（Goel和Qin1994）等。且國(guó)內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者對(duì)光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行了相應(yīng)的研究，在很多的行業(yè)中都有相應(yīng)的應(yīng)用。

1 三維計(jì)算機(jī)模擬模型的原理及發(fā)展歷程

三維計(jì)算機(jī)模擬模型是當(dāng)前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最基礎(chǔ)的一種學(xué)科，光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型構(gòu)建主要是基于陸地表面變量和遙感數(shù)據(jù)的相互關(guān)系，通過(guò)直接以數(shù)字值的形式利用光譜、空間、時(shí)間、角度和極化的形式對(duì)陸地表面進(jìn)行變量模型的構(gòu)建[1]。其優(yōu)點(diǎn)在于容易建立并且可以有效地概括從局部區(qū)域獲取的數(shù)據(jù)，通過(guò)在其內(nèi)部添加知識(shí)信息的形式就能對(duì)最終的模型進(jìn)行建立。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，相比較傳統(tǒng)的一維模型和二維模型相比較，其本身具有更好的實(shí)際運(yùn)用意義。在諸多圖形設(shè)計(jì)、圖形技術(shù)、圖形算法、實(shí)體造型等中都得到了較好的運(yùn)用。光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型的研究方向已經(jīng)從原有的“如何有效的構(gòu)建模型”轉(zhuǎn)向“如何更好的應(yīng)用模型”。按照三維模型方式分類的不同可以直接分為：統(tǒng)輻射度方法、正向光線追蹤方法、逆向光線追蹤方法和通量追蹤方法。通過(guò)使用光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型能夠?qū)?fù)雜多變的建筑結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行模擬建模，其實(shí)際運(yùn)用意義較為廣泛。

1.1 光線追蹤方法

光線追蹤方法是圖形計(jì)算法中基礎(chǔ)的離散縱坐標(biāo)法，能夠直接對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行模擬，其中包含場(chǎng)景的長(zhǎng)、寬、高。通過(guò)利用DART函數(shù)模型計(jì)算的形式，能夠直接計(jì)算出模型中葉密度、葉傾角分布函數(shù)及散射相函數(shù)等。DART函數(shù)模型在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中能夠滿足不同的設(shè)計(jì)和計(jì)算的總體性需求，并且能夠?qū)鹘y(tǒng)的數(shù)值計(jì)算中存在的不足進(jìn)行改進(jìn)。Gastellu-Etchegorry等學(xué)者對(duì)于其計(jì)算的精度進(jìn)行了整改，不論在光線追蹤還是光線投射算法中都通用的公共部分。

蒙特卡洛方法是當(dāng)前很多現(xiàn)代光線追蹤器中都有相應(yīng)使用的一種方式，同時(shí)也是很多研究學(xué)者認(rèn)為的最為精準(zhǔn)的一種光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型方式，相比較其他的模擬方式則更加的成熟。蒙特卡洛方法在原有結(jié)構(gòu)構(gòu)造的基礎(chǔ)上添加了大氣輻射傳輸部分，提出了 FLiES（Forest Light Environmental Simulator）模型 。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)和研發(fā)通過(guò)加入二次光線機(jī)制的形式提升了其本身收斂速度和跟蹤效率，在很多遙感技術(shù)中得到了較好的運(yùn)用[2]。

1.2 輻射度方式

輻射度計(jì)算方式的添加需要在整個(gè)輻射方程的基礎(chǔ)上完成的，能夠直觀性的展現(xiàn)出各個(gè)場(chǎng)景中輻射交互的關(guān)系，其計(jì)算公式如下：

輻射度計(jì)算公式眾，Bi直接表示的是輻射度本身，Ei主要是指太陽(yáng)和大氣層本身的輻射含量，則表示所有鄰近面元的輻射貢獻(xiàn)。通過(guò)使用輻射度計(jì)算方式能夠直接體現(xiàn)出光線追蹤過(guò)程中各個(gè)光線散射的最終結(jié)果，同時(shí)還能對(duì)最終計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行整理和優(yōu)化。通常使用的方式主要是以輻射傳輸模型（SAIL）與輻射度方法結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算，綜合考慮之后得出最終的計(jì)算數(shù)值。

1.3 場(chǎng)景構(gòu)建

場(chǎng)景構(gòu)建是光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型構(gòu)建過(guò)程中不可缺少的一個(gè)重要的組成部分，首先需要在復(fù)雜多變的環(huán)境中選擇適宜的場(chǎng)景，先模擬輻射度的變化情況以及光線追蹤的復(fù)雜性，得出基本的變化規(guī)律之后再將其使用在實(shí)際的場(chǎng)景運(yùn)用當(dāng)中。除了基礎(chǔ)的場(chǎng)景構(gòu)建和模型模擬的方式，還有LIDAR測(cè)量的方法可以獲取與所研究地表相對(duì)應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)信息。LIDAR測(cè)量技術(shù)的使用最開始是作為一種精確測(cè)量工具被廣泛運(yùn)用，其中輔助對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行追蹤就是非常著名的一種[2]。后經(jīng)過(guò)研究學(xué)者的研究，發(fā)現(xiàn)LIDAR測(cè)量技術(shù)對(duì)計(jì)算光反射有較好的作用，能夠精確的掃描和創(chuàng)建相應(yīng)的3D點(diǎn)云，直接顯示出陸地（地形測(cè)量）或水底表面（深度測(cè)量）及高程。但是LIDAR測(cè)量技術(shù)本身所需要耗費(fèi)的費(fèi)用較高，并且需要進(jìn)行點(diǎn)云著色處理，還在不斷地優(yōu)化當(dāng)中。

1.4 以城鎮(zhèn)建筑為基礎(chǔ)的模擬模型構(gòu)建

城鎮(zhèn)建筑三維模型構(gòu)建按照結(jié)構(gòu)層次的不同可以直接分為簡(jiǎn)單的建筑模型、復(fù)雜建筑模型以及復(fù)合式的建筑模型。一般情況而言，簡(jiǎn)單的建筑模型在常見立體形式的建筑中最為常見，可以直接通過(guò)建筑物中各個(gè)層面的關(guān)系計(jì)算出相應(yīng)的輻射波長(zhǎng)，對(duì)于建筑物本身來(lái)說(shuō)能夠促成后續(xù)建筑施工更好地發(fā)展[3]。為更好地確保復(fù)合式的建筑模型在實(shí)際運(yùn)用中得到較好的發(fā)展，本文將提出基于光線追蹤方法的AMARTIS 模型，光線追蹤方法的 AMARTIS 模型能夠?qū)Σ煌瑢哟蔚慕ㄖ?nèi)部構(gòu)造進(jìn)行模擬，例如，建筑物中一些細(xì)微的花草、樹木等，都能夠直接參與到模型構(gòu)建當(dāng)中，具有較好的實(shí)際運(yùn)用意義。

1.5 以山地為基礎(chǔ)的模擬模型構(gòu)建

山地模型的構(gòu)建相比較一般的建筑而言，其本身內(nèi)部構(gòu)造更加的復(fù)雜，加上當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于以山地為基礎(chǔ)的模擬模型構(gòu)建的研究結(jié)果并不多。絕大部分技術(shù)人員在模擬模型構(gòu)建的同時(shí)，選擇的技術(shù)主要是以蒙特卡洛光線追蹤模型為主。當(dāng)前以山地為基礎(chǔ)的模擬模型構(gòu)建在很多山地地區(qū)都得到了相應(yīng)的使用，其中最為著名的就是將其直接使用到青藏高原地區(qū)的地表輻射收支的研究。

2 光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型的應(yīng)用

光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型在很多行業(yè)中都得到了廣泛的使用，尤其是一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于光學(xué)遙感技術(shù)的使用已經(jīng)取得了相應(yīng)的成效，對(duì)于優(yōu)化監(jiān)測(cè)工作的效率，為人類的高科技發(fā)展創(chuàng)造了更多的可能[3]。光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型的應(yīng)用能夠?yàn)橹蟮臄?shù)據(jù)分析和模型構(gòu)建等提供基礎(chǔ)的保障，是促進(jìn)三維計(jì)算機(jī)模擬模型技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要的途徑。圖1為基于TRGM和DART模型模擬的壟行玉米、離散森林和簡(jiǎn)單建筑場(chǎng)景在紅光、 近紅外和熱紅外波段的反射率/方向亮溫極坐標(biāo)圖。光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中，其本身由于受到三維圖形本身內(nèi)部構(gòu)造差異的不同，會(huì)出現(xiàn)一定的差異，而通過(guò)使用三維結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行分析，能夠直接解決以上存在的這些問題，制定出針對(duì)性較強(qiáng)的研究結(jié)論。在實(shí)際使用過(guò)程中如果遇到數(shù)據(jù)故障或者是數(shù)據(jù)受限的情況，三維計(jì)算機(jī)模擬模型也可用于模型或者是反演算法的敏感性分析和間接驗(yàn)證。有學(xué)者對(duì)不同模擬模型的相干研究文獻(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比分析，分析的結(jié)果顯示，DART模型和ENVI-MET模型是所有的模擬模型中使用最多的兩種，分別在不同的領(lǐng)域中都有相應(yīng)的使用。

圖1 模型坐標(biāo)圖

2.1 三維真實(shí)結(jié)構(gòu)場(chǎng)景的建模分析

三維真實(shí)結(jié)構(gòu)場(chǎng)景的建模相比較傳統(tǒng)一維和二維具有更加精準(zhǔn)的特點(diǎn)，能夠針對(duì)不同結(jié)構(gòu)中構(gòu)造不同的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的模型構(gòu)建，有助于理解地表三維場(chǎng)景對(duì)遙感信號(hào)的影響。

計(jì)算機(jī)模擬模型用于分析植被指數(shù)VI、葉面積指數(shù)LAI和光合有效輻射分量FPAR間關(guān)系[4]。其中在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域中的運(yùn)用則更加的廣泛，這一技術(shù)的使用能夠直接對(duì)所需要測(cè)量的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和定位，得到傳感器所傳輸之后的影像和非影響信息，為各類科研工作的順利實(shí)施提供了有力的條件支撐。對(duì)于一些植物類內(nèi)部構(gòu)造模型構(gòu)建來(lái)說(shuō)，三維計(jì)算機(jī)模擬模型應(yīng)用能夠更加直觀的反映出不同層次之間樹枝和枝干之間的變化和影響特征。

2.2 地表參數(shù)的遙感反演

光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型的運(yùn)用場(chǎng)景較為多樣，隨著查找表和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等遙感反演策略的應(yīng)用，將三維計(jì)算機(jī)模擬模型作為反演工具用于地表參數(shù)反演的應(yīng)用越來(lái)越多，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜且多樣的森林場(chǎng)景。不同的研究學(xué)者，例如 ：Banskota、 Kimes、Combal等在不同時(shí)期經(jīng)過(guò)多次推算和演練得出的最終結(jié)論表示，使用光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型在地表參數(shù)遙感中的效果較好。結(jié)合航測(cè)遙感技術(shù)利用非接觸式傳感器來(lái)獲得三維信息全部的信息，將得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)利用現(xiàn)有的一些應(yīng)用軟件，能夠?qū)Φ玫降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析，具有高效、快速、靈活性好的特點(diǎn)。除此之外，基于三維輻射傳輸模型結(jié)合 MODIS 影像發(fā)展了葉面積指數(shù)全球長(zhǎng)時(shí)間序列遙感產(chǎn)品。直接簡(jiǎn)化了原有的模型構(gòu)建的特點(diǎn)，能夠直接進(jìn)行自動(dòng)化生成。

2.3 應(yīng)用分析工具

除了對(duì)常規(guī)的建筑和地表類型和植物進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，還能夠直接將光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型直接作用于火災(zāi)、灌溉和生物量等各種應(yīng)用問題分析工具的使用[11]。曾有學(xué)者直接將其使用在對(duì)非洲大草原的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)造中進(jìn)行使用，使用結(jié)果表明利用光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型之后，草原表層過(guò)火面積能夠直接顯現(xiàn)出來(lái)。再使用 DART模型進(jìn)行分析和處理，能夠更好地分析出三維結(jié)構(gòu)對(duì)可燃燒生物量反演的影響。

3 光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型的展望

光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型自發(fā)展以來(lái)已經(jīng)有較長(zhǎng)的時(shí)間，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，但是還存在一定的局限性。因此，未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間之內(nèi)將重點(diǎn)研究如何有效的將光學(xué)遙感三維計(jì)算機(jī)模擬模型運(yùn)用在實(shí)際模型構(gòu)建當(dāng)中。首先可以從減少模型運(yùn)行的時(shí)間的角度出發(fā)，改變傳統(tǒng)模型構(gòu)建中耗時(shí)長(zhǎng)、速度慢的問題，不斷對(duì)模型構(gòu)建中存在的問題進(jìn)行優(yōu)化[5]。其次，還需要從提高模型構(gòu)建的精準(zhǔn)度的角度進(jìn)行入手，精簡(jiǎn)優(yōu)化構(gòu)建的場(chǎng)景，提高整體模型的精度。最后，需要將模型構(gòu)建與設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，確保后續(xù)的運(yùn)行能夠在數(shù)據(jù)支撐下進(jìn)行。