光学遥感三维计算机模拟模型的应用分析

蒙肖雷

（西安交通工程学院，陕西咸阳，710300）

0 引言

光学遥感技术在很多航测遥感技术运输业和勘测领域的发展已经取得了相应的成效，对于优化监测工作的效率有着积极作用，为人类的高科技发展创造了更多的可能。尤其是在当前的气候监测、植被监测以及各种数据信息监测中都得到了广泛的运用。遥感观测技术在实际使用的过程中能够直接对所需要监测的数据进行监测，从而构建出相应的数据关系，再利用计算机工具形成最终的结论。就当前我国研发出来的遥感模型可以直接分为以下几类：辐射传输模型、几何光学模型、混合模型和三维计算机模拟模型。相比较传统的遥感模型的使用，这些技术更加的方便快捷，精准度更高。尤其是遥感三维计算机模型的使用已经在很多行业中得到了较好的发展，例如分析混合像元效应和地形起伏对长、短波辐射收支的影响（Gu等2012；Yuan等，2014），探究植被指数NDVI、叶面积指数LAI和光合有效辐射分量FPAR间的相互关系（Goel和Qin1994）等。且国内外的相关学者对光学遥感三维计算机模型进行了相应的研究，在很多的行业中都有相应的应用。

1 三维计算机模拟模型的原理及发展历程

三维计算机模拟模型是当前计算机图形学中最基础的一种学科，光学遥感三维计算机模拟模型构建主要是基于陆地表面变量和遥感数据的相互关系，通过直接以数字值的形式利用光谱、空间、时间、角度和极化的形式对陆地表面进行变量模型的构建[1]。其优点在于容易建立并且可以有效地概括从局部区域获取的数据，通过在其内部添加知识信息的形式就能对最终的模型进行建立。随着信息技术的不断发展，相比较传统的一维模型和二维模型相比较，其本身具有更好的实际运用意义。在诸多图形设计、图形技术、图形算法、实体造型等中都得到了较好的运用。光学遥感三维计算机模拟模型的研究方向已经从原有的“如何有效的构建模型”转向“如何更好的应用模型”。按照三维模型方式分类的不同可以直接分为：统辐射度方法、正向光线追踪方法、逆向光线追踪方法和通量追踪方法。通过使用光学遥感三维计算机模拟模型能够对复杂多变的建筑结构本身的内部构造进行模拟建模，其实际运用意义较为广泛。

1.1 光线追踪方法

光线追踪方法是图形计算法中基础的离散纵坐标法，能够直接对整个场景进行模拟，其中包含场景的长、宽、高。通过利用DART函数模型计算的形式，能够直接计算出模型中叶密度、叶倾角分布函数及散射相函数等。DART函数模型在实际运用的过程中能够满足不同的设计和计算的总体性需求，并且能够对传统的数值计算中存在的不足进行改进。Gastellu-Etchegorry等学者对于其计算的精度进行了整改，不论在光线追踪还是光线投射算法中都通用的公共部分。

蒙特卡洛方法是当前很多现代光线追踪器中都有相应使用的一种方式，同时也是很多研究学者认为的最为精准的一种光学遥感三维计算机模拟模型方式，相比较其他的模拟方式则更加的成熟。蒙特卡洛方法在原有结构构造的基础上添加了大气辐射传输部分，提出了 FLiES（Forest Light Environmental Simulator）模型 。经过长时间的实验和研发通过加入二次光线机制的形式提升了其本身收敛速度和跟踪效率，在很多遥感技术中得到了较好的运用[2]。

1.2 辐射度方式

辐射度计算方式的添加需要在整个辐射方程的基础上完成的，能够直观性的展现出各个场景中辐射交互的关系，其计算公式如下：

辐射度计算公式众，Bi直接表示的是辐射度本身，Ei主要是指太阳和大气层本身的辐射含量，则表示所有邻近面元的辐射贡献。通过使用辐射度计算方式能够直接体现出光线追踪过程中各个光线散射的最终结果，同时还能对最终计算得出的结果进行整理和优化。通常使用的方式主要是以辐射传输模型（SAIL）与辐射度方法结合的方式来进行模拟计算，综合考虑之后得出最终的计算数值。

1.3 场景构建

场景构建是光学遥感三维计算机模拟模型构建过程中不可缺少的一个重要的组成部分，首先需要在复杂多变的环境中选择适宜的场景，先模拟辐射度的变化情况以及光线追踪的复杂性，得出基本的变化规律之后再将其使用在实际的场景运用当中。除了基础的场景构建和模型模拟的方式，还有LIDAR测量的方法可以获取与所研究地表相对应的三维结构信息。LIDAR测量技术的使用最开始是作为一种精确测量工具被广泛运用，其中辅助对卫星进行追踪就是非常著名的一种[2]。后经过研究学者的研究，发现LIDAR测量技术对计算光反射有较好的作用，能够精确的扫描和创建相应的3D点云，直接显示出陆地（地形测量）或水底表面（深度测量）及高程。但是LIDAR测量技术本身所需要耗费的费用较高，并且需要进行点云着色处理，还在不断地优化当中。

1.4 以城镇建筑为基础的模拟模型构建

城镇建筑三维模型构建按照结构层次的不同可以直接分为简单的建筑模型、复杂建筑模型以及复合式的建筑模型。一般情况而言，简单的建筑模型在常见立体形式的建筑中最为常见，可以直接通过建筑物中各个层面的关系计算出相应的辐射波长，对于建筑物本身来说能够促成后续建筑施工更好地发展[3]。为更好地确保复合式的建筑模型在实际运用中得到较好的发展，本文将提出基于光线追踪方法的AMARTIS 模型，光线追踪方法的 AMARTIS 模型能够对不同层次的建筑内部构造进行模拟，例如，建筑物中一些细微的花草、树木等，都能够直接参与到模型构建当中，具有较好的实际运用意义。

1.5 以山地为基础的模拟模型构建

山地模型的构建相比较一般的建筑而言，其本身内部构造更加的复杂，加上当前国内外对于以山地为基础的模拟模型构建的研究结果并不多。绝大部分技术人员在模拟模型构建的同时，选择的技术主要是以蒙特卡洛光线追踪模型为主。当前以山地为基础的模拟模型构建在很多山地地区都得到了相应的使用，其中最为著名的就是将其直接使用到青藏高原地区的地表辐射收支的研究。

2 光学遥感三维计算机模拟模型的应用

光学遥感三维计算机模拟模型在很多行业中都得到了广泛的使用，尤其是一些发达国家对于光学遥感技术的使用已经取得了相应的成效，对于优化监测工作的效率，为人类的高科技发展创造了更多的可能[3]。光学遥感三维计算机模拟模型的应用能够为之后的数据分析和模型构建等提供基础的保障，是促进三维计算机模拟模型技术发展的一个重要的途径。图1为基于TRGM和DART模型模拟的垄行玉米、离散森林和简单建筑场景在红光、 近红外和热红外波段的反射率/方向亮温极坐标图。光学遥感三维计算机模拟模型在实际运用的过程中，其本身由于受到三维图形本身内部构造差异的不同，会出现一定的差异，而通过使用三维结构对其进行分析，能够直接解决以上存在的这些问题，制定出针对性较强的研究结论。在实际使用过程中如果遇到数据故障或者是数据受限的情况，三维计算机模拟模型也可用于模型或者是反演算法的敏感性分析和间接验证。有学者对不同模拟模型的相干研究文献进行了对比分析，分析的结果显示，DART模型和ENVI-MET模型是所有的模拟模型中使用最多的两种，分别在不同的领域中都有相应的使用。

图1 模型坐标图

2.1 三维真实结构场景的建模分析

三维真实结构场景的建模相比较传统一维和二维具有更加精准的特点，能够针对不同结构中构造不同的特点进行相应的模型构建，有助于理解地表三维场景对遥感信号的影响。

计算机模拟模型用于分析植被指数VI、叶面积指数LAI和光合有效辐射分量FPAR间关系[4]。其中在无人机领域中的运用则更加的广泛，这一技术的使用能够直接对所需要测量的物体进行实时的监控和定位，得到传感器所传输之后的影像和非影响信息，为各类科研工作的顺利实施提供了有力的条件支撑。对于一些植物类内部构造模型构建来说，三维计算机模拟模型应用能够更加直观的反映出不同层次之间树枝和枝干之间的变化和影响特征。

2.2 地表参数的遥感反演

光学遥感三维计算机模拟模型的运用场景较为多样，随着查找表和神经网络等遥感反演策略的应用，将三维计算机模拟模型作为反演工具用于地表参数反演的应用越来越多，特别是结构复杂且多样的森林场景。不同的研究学者，例如 ：Banskota、 Kimes、Combal等在不同时期经过多次推算和演练得出的最终结论表示，使用光学遥感三维计算机模拟模型在地表参数遥感中的效果较好。结合航测遥感技术利用非接触式传感器来获得三维信息全部的信息，将得到相应的数据利用现有的一些应用软件，能够对得到的数据进行分析，具有高效、快速、灵活性好的特点。除此之外，基于三维辐射传输模型结合 MODIS 影像发展了叶面积指数全球长时间序列遥感产品。直接简化了原有的模型构建的特点，能够直接进行自动化生成。

2.3 应用分析工具

除了对常规的建筑和地表类型和植物进行模型设计，还能够直接将光学遥感三维计算机模拟模型直接作用于火灾、灌溉和生物量等各种应用问题分析工具的使用[11]。曾有学者直接将其使用在对非洲大草原的基础结构构造中进行使用，使用结果表明利用光学遥感三维计算机模拟模型之后，草原表层过火面积能够直接显现出来。再使用 DART模型进行分析和处理，能够更好地分析出三维结构对可燃烧生物量反演的影响。

3 光学遥感三维计算机模拟模型的展望

光学遥感三维计算机模拟模型自发展以来已经有较长的时间，国内外相关学者对其进行了研究，但是还存在一定的局限性。因此，未来很长一段时间之内将重点研究如何有效的将光学遥感三维计算机模拟模型运用在实际模型构建当中。首先可以从减少模型运行的时间的角度出发，改变传统模型构建中耗时长、速度慢的问题，不断对模型构建中存在的问题进行优化[5]。其次，还需要从提高模型构建的精准度的角度进行入手，精简优化构建的场景，提高整体模型的精度。最后，需要将模型构建与设计方案进行对比和验证，确保后续的运行能够在数据支撑下进行。