光學遙感三維計算機模擬模型的應用分析

蒙肖雷

（西安交通工程學院，陜西咸陽，710300）

0 引言

光學遙感技術在很多航測遙感技術運輸業(yè)和勘測領域的發(fā)展已經取得了相應的成效，對于優(yōu)化監(jiān)測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。尤其是在當前的氣候監(jiān)測、植被監(jiān)測以及各種數據信息監(jiān)測中都得到了廣泛的運用。遙感觀測技術在實際使用的過程中能夠直接對所需要監(jiān)測的數據進行監(jiān)測，從而構建出相應的數據關系，再利用計算機工具形成最終的結論。就當前我國研發(fā)出來的遙感模型可以直接分為以下幾類：輻射傳輸模型、幾何光學模型、混合模型和三維計算機模擬模型。相比較傳統的遙感模型的使用，這些技術更加的方便快捷，精準度更高。尤其是遙感三維計算機模型的使用已經在很多行業(yè)中得到了較好的發(fā)展，例如分析混合像元效應和地形起伏對長、短波輻射收支的影響（Gu等2012；Yuan等，2014），探究植被指數NDVI、葉面積指數LAI和光合有效輻射分量FPAR間的相互關系（Goel和Qin1994）等。且國內外的相關學者對光學遙感三維計算機模型進行了相應的研究，在很多的行業(yè)中都有相應的應用。

1 三維計算機模擬模型的原理及發(fā)展歷程

三維計算機模擬模型是當前計算機圖形學中最基礎的一種學科，光學遙感三維計算機模擬模型構建主要是基于陸地表面變量和遙感數據的相互關系，通過直接以數字值的形式利用光譜、空間、時間、角度和極化的形式對陸地表面進行變量模型的構建[1]。其優(yōu)點在于容易建立并且可以有效地概括從局部區(qū)域獲取的數據，通過在其內部添加知識信息的形式就能對最終的模型進行建立。隨著信息技術的不斷發(fā)展，相比較傳統的一維模型和二維模型相比較，其本身具有更好的實際運用意義。在諸多圖形設計、圖形技術、圖形算法、實體造型等中都得到了較好的運用。光學遙感三維計算機模擬模型的研究方向已經從原有的“如何有效的構建模型”轉向“如何更好的應用模型”。按照三維模型方式分類的不同可以直接分為：統輻射度方法、正向光線追蹤方法、逆向光線追蹤方法和通量追蹤方法。通過使用光學遙感三維計算機模擬模型能夠對復雜多變的建筑結構本身的內部構造進行模擬建模，其實際運用意義較為廣泛。

1.1 光線追蹤方法

光線追蹤方法是圖形計算法中基礎的離散縱坐標法，能夠直接對整個場景進行模擬，其中包含場景的長、寬、高。通過利用DART函數模型計算的形式，能夠直接計算出模型中葉密度、葉傾角分布函數及散射相函數等。DART函數模型在實際運用的過程中能夠滿足不同的設計和計算的總體性需求，并且能夠對傳統的數值計算中存在的不足進行改進。Gastellu-Etchegorry等學者對于其計算的精度進行了整改，不論在光線追蹤還是光線投射算法中都通用的公共部分。

蒙特卡洛方法是當前很多現代光線追蹤器中都有相應使用的一種方式，同時也是很多研究學者認為的最為精準的一種光學遙感三維計算機模擬模型方式，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構構造的基礎上添加了大氣輻射傳輸部分，提出了 FLiES（Forest Light Environmental Simulator）模型 。經過長時間的實驗和研發(fā)通過加入二次光線機制的形式提升了其本身收斂速度和跟蹤效率，在很多遙感技術中得到了較好的運用[2]。

1.2 輻射度方式

輻射度計算方式的添加需要在整個輻射方程的基礎上完成的，能夠直觀性的展現出各個場景中輻射交互的關系，其計算公式如下：

輻射度計算公式眾，Bi直接表示的是輻射度本身，Ei主要是指太陽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。通過使用輻射度計算方式能夠直接體現出光線追蹤過程中各個光線散射的最終結果，同時還能對最終計算得出的結果進行整理和優(yōu)化。通常使用的方式主要是以輻射傳輸模型（SAIL）與輻射度方法結合的方式來進行模擬計算，綜合考慮之后得出最終的計算數值。

1.3 場景構建

場景構建是光學遙感三維計算機模擬模型構建過程中不可缺少的一個重要的組成部分，首先需要在復雜多變的環(huán)境中選擇適宜的場景，先模擬輻射度的變化情況以及光線追蹤的復雜性，得出基本的變化規(guī)律之后再將其使用在實際的場景運用當中。除了基礎的場景構建和模型模擬的方式，還有LIDAR測量的方法可以獲取與所研究地表相對應的三維結構信息。LIDAR測量技術的使用最開始是作為一種精確測量工具被廣泛運用，其中輔助對衛(wèi)星進行追蹤就是非常著名的一種[2]。后經過研究學者的研究，發(fā)現LIDAR測量技術對計算光反射有較好的作用，能夠精確的掃描和創(chuàng)建相應的3D點云，直接顯示出陸地（地形測量）或水底表面（深度測量）及高程。但是LIDAR測量技術本身所需要耗費的費用較高，并且需要進行點云著色處理，還在不斷地優(yōu)化當中。

1.4 以城鎮(zhèn)建筑為基礎的模擬模型構建

城鎮(zhèn)建筑三維模型構建按照結構層次的不同可以直接分為簡單的建筑模型、復雜建筑模型以及復合式的建筑模型。一般情況而言，簡單的建筑模型在常見立體形式的建筑中最為常見，可以直接通過建筑物中各個層面的關系計算出相應的輻射波長，對于建筑物本身來說能夠促成后續(xù)建筑施工更好地發(fā)展[3]。為更好地確保復合式的建筑模型在實際運用中得到較好的發(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 模型能夠對不同層次的建筑內部構造進行模擬，例如，建筑物中一些細微的花草、樹木等，都能夠直接參與到模型構建當中，具有較好的實際運用意義。

1.5 以山地為基礎的模擬模型構建

山地模型的構建相比較一般的建筑而言，其本身內部構造更加的復雜，加上當前國內外對于以山地為基礎的模擬模型構建的研究結果并不多。絕大部分技術人員在模擬模型構建的同時，選擇的技術主要是以蒙特卡洛光線追蹤模型為主。當前以山地為基礎的模擬模型構建在很多山地地區(qū)都得到了相應的使用，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 光學遙感三維計算機模擬模型的應用

光學遙感三維計算機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)達國家對于光學遙感技術的使用已經取得了相應的成效，對于優(yōu)化監(jiān)測工作的效率，為人類的高科技發(fā)展創(chuàng)造了更多的可能[3]。光學遙感三維計算機模擬模型的應用能夠為之后的數據分析和模型構建等提供基礎的保障，是促進三維計算機模擬模型技術發(fā)展的一個重要的途徑。圖1為基于TRGM和DART模型模擬的壟行玉米、離散森林和簡單建筑場景在紅光、 近紅外和熱紅外波段的反射率/方向亮溫極坐標圖。光學遙感三維計算機模擬模型在實際運用的過程中，其本身由于受到三維圖形本身內部構造差異的不同，會出現一定的差異，而通過使用三維結構對其進行分析，能夠直接解決以上存在的這些問題，制定出針對性較強的研究結論。在實際使用過程中如果遇到數據故障或者是數據受限的情況，三維計算機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證。有學者對不同模擬模型的相干研究文獻進行了對比分析，分析的結果顯示，DART模型和ENVI-MET模型是所有的模擬模型中使用最多的兩種，分別在不同的領域中都有相應的使用。

圖1 模型坐標圖

2.1 三維真實結構場景的建模分析

三維真實結構場景的建模相比較傳統一維和二維具有更加精準的特點，能夠針對不同結構中構造不同的特點進行相應的模型構建，有助于理解地表三維場景對遙感信號的影響。

計算機模擬模型用于分析植被指數VI、葉面積指數LAI和光合有效輻射分量FPAR間關系[4]。其中在無人機領域中的運用則更加的廣泛，這一技術的使用能夠直接對所需要測量的物體進行實時的監(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施提供了有力的條件支撐。對于一些植物類內部構造模型構建來說，三維計算機模擬模型應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 地表參數的遙感反演

光學遙感三維計算機模擬模型的運用場景較為多樣，隨著查找表和神經網絡等遙感反演策略的應用，將三維計算機模擬模型作為反演工具用于地表參數反演的應用越來越多，特別是結構復雜且多樣的森林場景。不同的研究學者，例如 ：Banskota、 Kimes、Combal等在不同時期經過多次推算和演練得出的最終結論表示，使用光學遙感三維計算機模擬模型在地表參數遙感中的效果較好。結合航測遙感技術利用非接觸式傳感器來獲得三維信息全部的信息，將得到相應的數據利用現有的一些應用軟件，能夠對得到的數據進行分析，具有高效、快速、靈活性好的特點。除此之外，基于三維輻射傳輸模型結合 MODIS 影像發(fā)展了葉面積指數全球長時間序列遙感產品。直接簡化了原有的模型構建的特點，能夠直接進行自動化生成。

2.3 應用分析工具

除了對常規(guī)的建筑和地表類型和植物進行模型設計，還能夠直接將光學遙感三維計算機模擬模型直接作用于火災、灌溉和生物量等各種應用問題分析工具的使用[11]。曾有學者直接將其使用在對非洲大草原的基礎結構構造中進行使用，使用結果表明利用光學遙感三維計算機模擬模型之后，草原表層過火面積能夠直接顯現出來。再使用 DART模型進行分析和處理，能夠更好地分析出三維結構對可燃燒生物量反演的影響。

3 光學遙感三維計算機模擬模型的展望

光學遙感三維計算機模擬模型自發(fā)展以來已經有較長的時間，國內外相關學者對其進行了研究，但是還存在一定的局限性。因此，未來很長一段時間之內將重點研究如何有效的將光學遙感三維計算機模擬模型運用在實際模型構建當中。首先可以從減少模型運行的時間的角度出發(fā)，改變傳統模型構建中耗時長、速度慢的問題，不斷對模型構建中存在的問題進行優(yōu)化[5]。其次，還需要從提高模型構建的精準度的角度進行入手，精簡優(yōu)化構建的場景，提高整體模型的精度。最后，需要將模型構建與設計方案進行對比和驗證，確保后續(xù)的運行能夠在數據支撐下進行。