论文部分内容阅读
积雪是地表最活跃的自然因素之一，地球上陆地有四分之三的淡水资源以冰雪形式存在。同时，积雪是气象学和水文学中的一个非常重要的参数，积雪在全球气候和全球水能循环中扮演着极其重要的角色。用于获取遥感参数反演算法的基础是前向模型，只能在充分理解遥感器成像过程中的物理机制情况下，才能发展出更适用的遥感反演算法。
现今微波以及可见光近红外遥感前向模型中，积雪粒子通常被建模为规则的球形粒子、椭球粒子等，利用等效观点，这在一定程度上能与实际情况向匹配。但是实际的积雪结构十分复杂，通过电子显微镜和积雪切片图像都可以证实这一点，积雪结构对电磁散射特性的影响不可完全忽略。因此，本论文将着重研究基于实际复杂结构的积雪与电磁波相互作用模型，研究电磁波在积雪内部的传输和散射机制，构建完整的、先进的积雪微波主被动电磁散射模型和可见光近红外积雪反射率模型，并对积雪的微波散射特性、光学反射特性做深入研究。
本文首先发展了基于粘性球形粒子致密散射理论和辐射传输理论的积雪微波主被动模型。同时考虑到积雪分层作用，多积雪辐射传输模型进行了多层扩展。对积雪辐射传输方程中涉及的粗糙和非粗糙边界条件进行了不同的处理。利用此模型进行了主动微波积雪覆盖地表观测的全面敏感性分析。进一步，考虑到积雪粒子形状的不规则形和微结构的复杂性，摒弃了球形粒子假设，引入bicontinuous计算机模拟结构，并通过离散偶极子近似(DDA)计算积雪散射特性，讨论了基于电磁计算得到的基本体积散射特性与辐射传输理论的耦合，发展出相应的基于bicontinuous介质、电磁计算和辐射传输理论的bicontinuous-VRT积雪主被动微波散射、辐射模型。针对bicontinuous模型的非直观输入参数，利用stereology技术和相关函数匹配实现了参数的可测量性;利用发展的模型对积雪散射的极化、频率特性以及积雪结构对散射特性的影响进行了深入分析，在以往积雪散射模型基础上提高了对积雪微波散射特性的认识，并与实验数据有更好的吻合。利用bicontinuous-VRT模型研究了积雪微波散射的密度效应，指出了与传统模型预测结果的不同。
进一步，本文首次将bicontinuous介质结构应用到光学积雪反射率模型的发展中。由于以往模型对积雪粒子形状的假设不合实际，造成对积雪内部光散射认识的偏差，本文利用bicontinuous介质解决了这个问题，构建了基于bicontinuous介质和光子追踪的bic-PT模型。模型能实现BRDF、偏振BRDF以及半球反射率的模拟。对模型模拟结果利用实验数据进行了验证，证明了模型的准确性以及模型相对基于球形粒子和其它规则形状粒子模型的先进性，可进一步用于参数反演算法。