基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标方法

提出了一种基于场地地表高光谱双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法,摆脱了对卫星过境时刻同步观测的依赖,提高了遥感器在轨绝对辐射定标的效率与频次.利用无人机测量系统对敦煌辐射校正场进行了地表方向特性测量,基于半经验核驱动模型反演了敦煌场地的高光谱双向反射分布函数模型参数.用地表双向反射分布函数模型直接计算的卫星观测方向的地表高光谱反射率数据替代卫星过境时刻场地的地表同步测量数据,结合中分辨率成像光谱仪大气产品数据,实现了对Landsat-8卫星的陆地成像仪(OLI)在可见光至近红外波段的高频次绝对辐射定标.Landsat-8/OLI第1～6波段的卫星观测表观辐亮度值与模型计算表观辐亮度值的相对偏差均小于5%,标准差小于2%.基于无人机场地双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法的定标结果与卫星观测结果具有较高的一致性和稳定性.     

基于地面与低空无人机联合观测场地BRDF建模方法

双向反射分布函数（BRDF）是星载遥感器进行场地替代定标中的重要参量,随着技术的进步,低空自旋翼无人机已经成为了获取场地BRDF的便捷高效手段,通过现场测量准不变定标场的无人机多角度观测光谱数据,建立更加准确的BRDF模型还能进一步挖掘潜力。提出一种基于地-空双光谱仪联合观测加漫射板观测并消除漫射光影响的BRDF建模方法。使用无人机搭载光谱仪进行场地光谱的低空测量,获取半球空间内多角度下的场地光谱数据,同时开展地基光谱仪联合同步测量漫射参考板,连续记录照明光场的变化以及漫射光照明下的场地光谱数据。联合空地双光谱仪对目标和参考板实测的辐亮度数据,结合太阳及观察角度之间的几何观测,计算场地的多角度反射率。基于Ross-Li核驱动半经验模型对多角度反射率数据进行拟合,采用最小二乘法对模型系数进行拟合,以得到最优的场地BRDF模型,并对模型进行漫射光校正。实验证明,经漫射光校正后的BRDF模型各波段的相对偏差均值都在5%以内,相对偏差标准差在3%以内,有效消除了场地BRDF建模在漫射光照射下的干扰,提高了BRDF建模的准确性。     

目标表面可见光谱BRDF的实验测量及优化建模

介绍了一种用双向反射分布函数测定仪进行目标双向反射分布函数测量的方法。运用该测量系统在可见光谱区域对样片进行了实验测量,然后对BRDF实验数据进行谱积分预处理,结合BRDF五参数半经验统计模型,利用遗传模拟退火算法,获取样片的BRDF模型参数,并获得了三维空间的BRDF分布。结果表明,获得的可见光谱BRDF模型能准确反映材料的光散射特性,符合工程要求。     

敦煌辐射校正场春季BRDF特性分析

风云四号A星在轨替代定标试验于2017年4月下旬在敦煌辐射校正场正式开展,为满足地表反射率在遥感器视角方向上的校正需求,利用便携式定点测量装置对敦煌戈壁地表进行了方向特性测量.定性分析了敦煌场地春季的方向特性,并基于Ross Thick-Li SparseR核驱动模型反演了相应的双向反射分布函数模型参数,构建了场地方向特性定量描述模型.对模型的计算值与实测数据进行线性回归分析,得到2017年4月26日、27日和28日的修正决定系数分别在0.75、0.83和0.85左右,验证了该模型对实测数据具有良好的拟合优度.利用模型计算太阳方位面上的各向异性因子并与中分辨率成像光谱仪双向反射分布函数模型参数产品的历史数据进行对比发现,当观测天顶角小于40°时,二者相对偏差在波段2和波段4均小于1.56%,波段5小于3.12%.这说明构建的模型能较好地描述敦煌场地方向特性,验证了试验数据的可靠性.     

基于拟线性局部加权法的煤样光谱散射校正

利用近红外光谱分析技术的诸多优势,可实现煤质多项指标的快速分析。煤样光谱数据的采集易受到噪声散射的干扰,在建模分析前常用多元散射校正方法对其予以恢复去噪。而传统的多元散射校正方法存在以线性表达式描述非线性关系的局限性,以及盲目追随“理想”光谱而导致的失真问题,为此提出基于拟线性局部加权法的煤样光谱散射校正。该法先选取二次曲线、三次曲线和增长曲线等三种拟线性函数,代替原线性函数;再分别引入均值核函数、高斯核函数、Epanechnikov核函数、二次权重核函数及三次权重核函数等五种核函数,在原评估函数中构造局部加权函数,利用局部加权函数精确表述各波长点处的依赖关系;最后,分析不同模式下校正光谱的准确性,确定拟线性函数与核函数的最佳组合。为验证方法的适用性,对0.2,1和3 mm等三种粒度等级下的煤样光谱数据进行散射校正。结果表明：改进多元散射校正方法在消除光谱中散射干扰的同时,放大了特征谱峰信息,校正光谱与煤样各项指标的相关性得到了显著增强,有效地提高了煤质近红外光谱分析模型的预测精度和稳定性。     

土壤砷含量高光谱估算模型研究

以实验室内测取的土壤反射光谱为研究对象,利用PLSR方法建立反射光谱与土壤As含量之间的模型,通过交叉验证、估算检验建模精度,探讨利用反射光谱估算士壤As含量的可行性.通过比较不同光谱预处理方法、不同光谱分辨率和不同OM含量条件下建模、验证和估算结果.表明,MSC方法可以有效去除散射的影响而取得较好的结果(估算R2=0...     

考虑地表反射类型的气溶胶散射偏振特性

采用逐次阶散射法求解矢量辐射传输方程来研究气溶胶在不同地表反射模型下的散射偏振特性.首先,选取单一地表反射模型和耦合地表反射模型两种地表反射模型.然后,根据地表反射模型计算得到相应的地表反射率,进而采用逐次阶散射法对矢量辐射传输方程进行求解,得到散射光的Stokes矢量.最后,由Stokes矢量计算得出散射光的偏振度.仿真结果表明,两种地表反射模型下气溶胶单次散射的散射辐射强度和线偏振度均相等;耦合地表反射模型的总散射辐射强度和线偏振度总是大于单一地表反射模型;单一地表反射模型的气溶胶单次散射相对总散射的贡献总是大于耦合地表反射模型.研究结果对气溶胶光学特性的反演具有一定意义.     

大气散射对地表双向反射分布函数反演的影响与修正

准确地获取地表双向反射特性是遥感辐射定标和卫星全链路成像仿真的重要基础。在野外条件下通常使用实测的双向反射因子(BRF)反演得到双向反射分布函数(BRDF)。仿真分析显示,大气能见度分别为23km和15km时,同一地表的BRF方向性系数相差19%。野外条件下实测的BRF因受大气散射的影响而不能准确表征地表方向反射特性。通过同步测量2π空间内的大气散射,提出一种BRDF反演方法。该方法将BRF实测值与测量模型计算值之间的残差作为反演的代价函数,以消除大气散射的影响,可反演地表真实的BRDF模型特征参数。结果证明方向反射特性是地物的固有属性,不随测量环境辐射的变化而变化。     

通道式辐射计自动观测数据的反射率光谱拓展方法

为了适应光谱特性、观测角度不同的卫星载荷定标需求,提出了一种考虑地表双向反射分布函数特性(BRDF)的通道式辐射计光谱反射率拓展方法。利用国家高分辨遥感综合定标场的星地观测数据,对提出的自动观测数据光谱拓展方法进行验证。结果表明,通道反射率光谱拓展结果与地物光谱仪实测值相比平均相对差异为2.67%;而与Sentinel-2A/B卫星实际观测结果相比,各波段差异均在10%以内。进一步开展了不确定性分析,利用提出的光谱拓展方法获得的地表光谱反射率不确定度为3.34%,基于该方法的Sentinel-2A/B蓝、绿、红、近红外波段辐射定标总不确定度分别为3.35%,3.77%,4.10%,4.29%。     

不同核函数支持向量机和可见-近红外光谱的多种植被叶片生化组分估算

氮、磷、钾元素是植物有机质的重要生化组分,准确估算其含量对监测管理植被的新陈代谢和健康状况具有重要意义。可见-近红外光谱结合多种建模方法已被用于植被生化参数的监测,其中支持向量机回归方法被证明能够较好拟合反射光谱和植被生化参数之间的非线性关系,而选取适当的核函数是其成功的关键。以宜兴地区水稻、玉米、芝麻、大豆、茶叶、草地、乔木和灌木等八种植被叶片样本为研究对象,分析比较基于径向基核函数、多项式核函数和S形核函数的支持向量回归模型估算叶片氮、磷、钾元素含量的能力。利用一阶微分变换、标准正态变量变换和反对数变换对叶片可见-近红外光谱进行预处理,运用bootstrapping法生成1 000组校正集和验证集,分别建立基于三种核函数的支持向量回归估算模型,以决定系数（R2）和相对分析误差（RPD）的均值作为评价指标。结果显示,结合一阶微分和反对数变换光谱,采用径向基核函数模型对氮、钾元素估算精度最高（氮：平均R2=0.64,平均RPD=1.67;钾：平均R2=0.56,平均RPD=1.48）,结合一阶微分变换光谱,采用径向基核函数模型对磷元素估算精度最高（磷：平均R2=0.68,平均RPD=1.73）。研究表明,结合不同预处理的可见-近红外光谱,基于径向基核函数的支持向量回归模型具有较好的估算多种植被叶片生化组分含量的潜力。     

Spectral reflectance characteristics of different snow and snow-covered land surface objects and mixed spectrum fitting

The field spectroradiometer was used to measure spectra of different snow and snow-covered land surface objects in Beijing area.The result showed that for a pure snow spectrum,the snow reflectance peaks appeared from visible to 800 nm band locations;there was an obvious absorption valley of snow spectrum near 1 030 nm wavelength.Compared with fresh snow,the reflection peaks of the old snow and melting snow showed different degrees of decline in the ranges of 300～1 300,1 700～1 800 and 2 200～2 300 nm,the lowe...     

A new approach to the retrieval of surface properties from earthshine measurements

Instruments such as the MODIS and MISR radiometers on EOS AM-1, and POLDER on ADEOS have been deployed for the remote sensing retrieval of surface properties. Typically, retrieval algorithms use linear combinations of semi-empirical bidirectional reflectance distribution function (BRDF) kernels to model surface reflectance. The retrieval proceeds in two steps; first, an atmospheric correction relates surface BRDF to top-of-atmosphere (TOA) reflectances, then regression is used to establish the linear coefficients used in the kernel combination. BRDF kernels may also depend on a number of physical or empirical non-linear parameters (e.g. ocean wind speed for a specular BRDF); such parameters are usually assumed known. A major source of error in this retrieval comes from lack of knowledge of planetary boundary layer (PBL) aerosol properties.In this paper, we present a different approach to surface property retrieval. For the radiative transfer simulations, we use the discrete ordinate LIDORT model, which has the capability to generate simultaneous fields of radiances and weighting functions in a multiply scattering multi-layer atmosphere. Surface-atmosphere coupling due to multiple scattering and reflection effects is treated in full; the use of an atmospheric correction is not required. Further, it is shown that sensitivities of TOA reflectances to both linear and non-linear surface BRDF parameters may be established directly by explicit analytic differentiation of the discrete ordinate radiative transfer equations. Surface properties may thus be retrieved directly and conveniently from satellite measurements using standard non-linear fitting methods. In the fitting for BRDF parameters, lower-boundary aerosol properties can either be retrieved as auxiliary parameters, or they can be regarded as forward model parameter errors. We present examples of simulated radiances and surface/aerosol weighting functions for combinations of multi-angle measurements at several different wavelengths, and we perform some examples of self-consistent non-linear fitting to demonstrate feasibility for this kind of surface property retrieval.     

Effect of ice crystal shape and effective size on snow bidirectional reflectance

We tested the applicability of three rigorous radiative transfer computational approaches, namely, the discrete ordinates radiative transfer (DISORT) method, the adding–doubling approach, and an efficient computational technique based on Ambartsumian's nonlinear integral equation for computing the bidirectional reflectance of a semi-infinite layer. It was found that each of these three models, in a combination with the truncation of the forward peak of the bulk scattering phase functions of ice particles, can be used to simulate the bidirectional reflectance of a semi-infinite snow layer with appropriate accuracy. Furthermore, we investigate the sensitivity of the bidirectional reflectance of a homogeneous and optically infinite snow layer to ice crystal habit and effective particle size. It is shown that the bidirectional reflectance is not sensitive to the particle effective size in the visible spectrum. The sensitivity of the bidirectional reflectance in the near-infrared spectrum to the particle effective size increases with the increase of the incident wavelength. The sensitivity of the bidirectional reflectance to the effective particle size and shape is attributed fundamentally to the sensitivity of the single-scattering properties to particle size and shape. For a specific ice crystal habit, the truncated phase function used in the radiative transfer computations is not sensitive to particle effective size. Thus, the single-scattering albedo is primarily responsible for the sensitivity of the bidirectional reflectance to particle size, particularly, at a near-infrared wavelength.     

积雪性质与积雪表面双向偏振反射之间关系研究

积雪性质的变化会影响积雪的反射,从而遥感技术中可以利用反射信息的变化来确定积雪性质。由于反射过程中会产生偏振信息,在研究可见光近红外波段(350～2 500 nm)不同粒径大小积雪表面多角度反射特性的基础上,同时分析了粒径以及由干雪变成湿雪对积雪表面偏振反射特性的影响。通过野外测量结果表明,粒径大小对积雪表面偏振反射的影响在近红外波段1 500 nm附近比较明显,表现为在前向散射方向,随着粒径的增加对应的偏振度变大;这是由于在该波段附近,积雪对光的吸收很强,随着粒径的增加,吸收会变大,探测器获取的光大部分为单次散射光,而单次散射光是引起偏振信息的主要来源;在研究过程中发现从干雪变成湿雪这一过程会使偏振信息增加,这是由于湿雪表面水膜的存在,将相邻的雪粒粘连在一起,相当于使积雪粒径变大,但是这种影响主要体现在近红外波段。综上所述,将多角度偏振信息与反射信息结合可以为反演积雪性质提供可靠的方法与理论基础。     

北极海冰的光谱特征分析

北极海冰对全球气候变化有着举足轻重的作用,它的快速变化及其影响是国内外关注的焦点。采用ASD FieldSpec 3便携式地物光谱仪,在2010年中国第4次北极科学考察的长期冰站观测期间对不同类型的海冰进行了野外光谱测量,系统分析了光谱特征。结果表明积雪覆盖海冰的光谱反射率最高,裸露海冰其次,表层消融的海冰(有融池)最低。厚雪、薄雪、湿雪、雪晶的光谱曲线峰谷特征明显,基本都随波长的增加反射率降低。天然海冰、白冰、蓝冰的反射率随波长的变化基本一致,反射率居于中等,灰冰的反射率远低于天然海冰、白冰和蓝冰。分析北极海冰的波谱特性,探索北极海冰的定量遥感研究,进而分析其对全球变暖的响应,具有重要的科学意义。     

Laser beam cleanup using improved model-based wavefront sensorless adaptive optics

An improved model-based wavefront sensorless adaptive optics algorithm is proposed for laser beam cleanup.Deformable mirror(DM) eigenmodes are used to replace traditional Lukosz modes in order to avoid DM fitting errors. The traditional method is based on a sophisticated calibration process and solving linear equations. In our method, coefficients of DM eigenmodes are estimated by adding bidirectional modal biases into the system and then solving parabolic equations. The calibration process is omitted in our method, which makes it more feasible.From simulation and experimental results, the corrective accuracy of the improved method is higher than the traditional one.     

渤海海冰反射光谱基本特征的观测研究

针对渤海海冰监测的需要,在分析前人相关研究的基础上, 从洁净平整冰入手, 通过控制实验,在辽东湾鲅鱼圈港内获取不同厚度的洁净平整冰、有积雪覆盖海冰和含有泥沙海冰的样本,开展海冰现场反射光谱观测实验。根据两年的观测数据, 在可观测到的小于30 cm厚度范围内,洁净平整冰的光谱曲线呈现出“一大一小” 的双峰特征,且主反射峰值与海冰厚度有较好的对应关系;有积雪覆盖海冰的主反射峰光谱值要大大高于相同厚度的没有积雪覆盖的洁净平整冰主反射峰光谱值;含有泥沙的海冰的光谱曲线在675～725 nm波长范围内表现为先略有抬升,然后再继续下降的特征,而且其主反射峰值也大大升高。积雪覆盖和泥沙是产生渤海海冰“同厚异谱”或“同谱异厚”现象的重要原因。     

基于实测数据的新疆富蕴季节性积雪光谱分析

使用FieldSpec 3(350～2 500 nm)光谱仪野外测得新疆富蕴地区季节性积雪光谱,与冰对比得出了该地区典型季节性积雪光谱特征,并分析了太阳高度角、 坡度、 雪深、 污染物浓度对积雪光谱的影响。研究结果表明：积雪反射率在可见光波段较高,随波长的增加逐渐减小;随着太阳高度角的增大积雪反射率逐渐降低,且在1 090和1 300 nm对太阳高度角的变化敏感;坡度的存在使积雪反射率大幅上升;在一定深度范围内,积雪反射率随雪深的增加而增大,在400～500和1 250～1 320 nm,反射率对雪深变化敏感;随着污染物的增加,积雪反射率在可见光波段明显下降,且波峰波谷趋于平缓。季节性积雪的光谱测量和分析工作对于积雪参数的监测和反演具有重要意义。     

Modeling of radiation transport in coupled atmosphere-snow-ice-ocean systems

A radiative transfer model for coupled atmosphere-snow-ice-ocean systems (CASIO-DISORT) is used to develop accurate and efficient tools for computing the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) of sea ice for a wide range of situations occurring in nature. These tools include a method to generate sea ice inherent optical properties (IOPs: single-scattering albedo, extinction optical depth, and scattering asymmetry parameter) for any wavelength between 300 and 4000 nm as a function of sea ice physical parameters including real and imaginary parts of the sea ice refractive index, brine pocket concentration and effective brine pocket size, air bubble concentration and effective air bubble size, volume fraction of ice impurities and impurity absorption coefficient, and sea ice thickness. The CASIO-DISORT code was used to compute look-up tables (LUTs) of the Fourier expansion coefficients of the BRDF as a function of angles of illumination and observation, sea ice IOPs, and ocean albedo. By interpolation in the LUTs one efficiently obtains accurate BRDF values. To include snow on the ice we modified DISORT2 to accept Fourier expansion coefficients for the BDRF as input instead of the BRDF itself, thereby reducing the computation time by a factor of about 60. The BRDF computed by CASIO-DISORT or retrieved from the LUTs applies to diffuse light only. To remedy this shortcoming we added a specular Gaussian beam component to the new BRDF tool and verified that it works well for BRDFs for bare and snow-covered sea ice.     

川西北米亚罗地区雪积/雪融光谱测量及光谱分析

山地冰盖和积雪在全球很多地区的水分平衡中发挥着重要的作用,目前大面积山地冰盖和积雪的测量方法主要依靠遥感测量方法.为使用遥感反演某地区山地冰盖和积雪的储存量,了解其光谱特征是快速、准确建立反演算法的基础.以川西北米亚罗地区为研究区,布设了24个测控点,在2007年1月利用ASD便携式地物光谱仪对该地区积雪进行了积雪反射...