04 - LESS 的工作方式¶
这一章介绍 LESS 的整体结构：场景由哪些部分组成，属性如何设置，以及怎样用同一个场景得到各种模拟结果。具体用法在后面的章节中展开。
一个场景，多种模拟¶
import less
scene = less.Scene()
scene.size = 50.0
scene.terrain = less.Terrain(property=less.Lambertian(reflectance=0.15))
scene.illumination = less.Illumination(
source=less.Sun(zenith=30, azimuth=150), atmosphere=less.NoAtmosphere())
tree = less.Object("ash", mesh=less.asset_path("FREX.obj"))
tree.set_property("leaves", less.Prospect(cab=40))
tree.set_property("stem_branch", less.Lambertian(reflectance=0.1))
scene.add(tree, positions=[[25, 25, 0]])
rgb = scene.simulate(less.OpticalImager(
less.Orthographic(image_size=128), bands=[650, 550, 450], quality=32))
nir = scene.simulate(less.OpticalImager(
less.Orthographic(image_size=128), bands=[850], quality=32))
场景只定义一次。两次 simulate() 使用不同的传感器，第二次直接复用已经建好的几何。
场景的组成¶
| 组成部分 | 设置方式 | 说明 |
|---|---|---|
| 场景范围 | scene.size |
地面的水平范围（m） |
| 地形 | scene.terrain = less.Terrain(...) |
平地、栅格高程或三角网格地形 |
| 物体 | scene.add(less.Object(...), positions=...) |
树木、作物、建筑等，可放置多个实例 |
| 光照 | scene.illumination = less.Illumination(...) |
太阳与大气 |
一个 Object 由一个或多个组件组成。组件的几何有两种表示：
- 三角网格（
less.Mesh）：保留模型中的每个三角形，适合叶片、枝干、建筑（第 11 章）； - 统计植被（
less.TurbidBoundary）：只给出冠层的封闭外形，内部叶片用叶面积密度和叶倾角分布描述（第 12 章）。
两种组件可以出现在同一个物体中，例如统计树冠配三角网格树干。
属性¶
属性描述组件在某一类物理过程中的行为，按物理域分开设置：
| 物理域 | 作用 | 常用属性 |
|---|---|---|
| 光学 | 短波反射、透射、吸收 | Lambertian、Prospect、Fluspect、OpticalVegetation |
| 热 | 温度与发射率 | ThermalProperty |
| 微波 | 介电与散射特性 | MicrowaveSoil、MicrowaveVegetation |
| 生物物理 | 感热、潜热、土壤热通量的交换方式 | BiophysicalProperty |
| 生理 | 光合作用与气孔导度 | Farquhar |
同一个组件可以同时具有多个物理域的属性，每次 set_property() 只替换对应物理域的那一个。属性的完整介绍见属性系统。
传感器与过程¶
scene.simulate() 接受两类对象：
- 传感器：从某个位置、按某种方式观测场景，得到影像、点云、波形等观测结果；
- 过程：在场景中求解物理状态，例如每片叶子吸收的辐射、叶温或光合速率。
| 类别 | 对象 | 结果 | 章节 |
|---|---|---|---|
| 光学传感器 | OpticalImager、BRFSensor |
影像、多角度反射率 | 19–22 |
| 辐射测量 | IrradianceMapSensor、IrradianceRadiometer |
辐照度图、辐照度 | 23–24 |
| 激光雷达 | LiDARSurvey |
点云、波形 | 25 |
| 热红外 | ThermalImager |
热辐射影像 | 26 |
| 荧光 | SIFImager |
荧光影像 | 27 |
| 微波 | RadarScatterometer、MicrowaveRadiometer |
后向散射系数、亮温 | 28–30 |
| 过程 | RadiationFieldProcess、EnergyBalanceProcess、PhotosynthesisProcess |
辐射场、叶温、光合 | 31–33 |
过程的结果可以交给传感器使用。例如能量平衡求得的叶温可以直接用于热红外成像，光合作用求得的荧光可以用于荧光成像。
每种模拟需要哪些属性¶
下表中的“需要”只针对参与该模拟的组件。
| 模拟 | 光学 | 热 | 微波 | 生物物理 | 生理 |
|---|---|---|---|---|---|
| 光学成像、多角度反射率 | 需要 | — | — | — | — |
| 激光雷达 | 需要 | — | — | — | — |
| 辐射场 | 需要 | — | — | — | — |
| 热红外成像（给定温度） | — | 需要 | — | — | — |
| 能量平衡 | 需要 | 需要 | — | 需要 | 可选 |
| 光合作用（给定叶温） | 需要 | 需要 | — | — | 需要 |
| 光合作用（同时求叶温） | 需要 | 需要 | — | 需要 | 需要 |
| 荧光（给定量子产额） | Fluspect |
— | — | — | — |
| 荧光（随光合变化） | Fluspect |
需要 | — | 需要 | 需要 |
| 雷达、被动微波 | — | 可选 | 需要 | — | — |
缺少必需的属性时，LESS 在模拟开始前报错，并指出缺少的是哪个组件的哪一类属性。
场景的生命周期¶
通常只需要调用 simulate()：第一次调用时自动构建场景，之后的调用复用已有的几何和加速结构。
| 方法 | 作用 | 何时使用 |
|---|---|---|
scene.simulate(...) |
必要时自动构建，然后模拟 | 日常使用 |
scene.build() |
提前构建；场景未变化时不重复构建 | 单独统计构建耗时；动态更新实例前 |
scene.rebuild() |
无条件重新读取几何并重建 | 在 LESS 之外修改了同一路径下的 OBJ 或 DEM 文件 |
修改光照、属性或传感器不需要重建：
scene.illumination = less.Illumination(
source=less.Sun(zenith=50, azimuth=200), atmosphere=less.NoAtmosphere())
tree.set_property("leaves", less.Prospect(cab=20))
rgb_autumn = scene.simulate(less.OpticalImager(
less.Orthographic(image_size=128), bands=[650, 550, 450], quality=32))
通过 scene.add()、scene.terrain = ... 等方式改变几何后，下一次 simulate() 会自动重新构建。
模拟结果¶
simulate() 返回一个结果对象。常用的操作有：
print(rgb.data.shape) # NumPy 数组：(行, 列, 波段)
rgb.save("forest_rgb.png") # 保存为图片
rgb.save("forest_rgb.tif") # 保存原始数值
brf = rgb.to_brf() # 辐亮度换算为反射率因子
| 模拟对象 | 结果 | 主要内容 |
|---|---|---|
OpticalImager |
影像 | 各波段辐亮度，可换算为反射率因子 |
ThermalImager |
影像 | 热辐亮度，可换算为亮温 |
BRFSensor |
多角度反射率 | 各方向、各波段的反射率因子 |
LiDARSurvey |
点云或波形 | 坐标、强度、回波序号或波形 |
EnergyBalanceProcess |
能量平衡结果 | 温度、净辐射、感热、潜热 |