双向反射模型反演沙地表粗糙度研究

由于沙地通常处在半干旱地区,在风蚀作用下表面结构特征会有所改变,同时,沙地表面粗糙度与组成成分的时间与空间变化也是研究风蚀模型所必须的输入信息。作为一种非接触的探测手段,遥感技术有助于实现对沙地表面粗糙程度在时空尺度上的研究。为了利用反射特性描述沙地表面结构特征,以人为模拟的粗糙沙地表面为研究对象,基于野外实测多角度高光谱反射信息,分析了沙地表面粗糙度变化对反射信息分布的影响,并且结合双向反射模型,试图利用模型参数反演粗糙度特征。通过研究发现,如果按照入射方向与沙地表面沙垄方向分类来看,与入射方向平行或者垂直均会对沙地表面反射分布特性有所改变。当沙垄方向与入射光方向垂直时,会使后向散射的反射峰值增加;而沙垄方向与入射光平行时,会使后向散射峰值向主平面两侧扩张。双向反射模型可以模拟沙地表面的反射特性,根据模型参数的变化也可以表示出沙地表面的粗糙度变化特性。这表明双向反射信息可以用于量化沙地表面结构特征,而且有助于了解结构特征对沙地光学特性的影响,也为研究颗粒介质固有光学特性以及反演沙地表面结构特征提供依据。     

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。     

受风灾影响后的农作物冠层反射信息测量与分析

受到台风“布拉万”的影响,吉林中部地区大范围处于灌浆期的玉米倒伏。为了确定倒伏后玉米冠层对反射信息的影响,从不同角度对其高光谱反射信息进行了测量与分析;与此同时,对偏振反射信息也进行了测量,将反射与偏振信息结合起来分析了受风灾影响后农作物冠层反射特征的变化。结果表明,风灾过后倒伏玉米的反射信息在可见光波段降低,而在近红外波段范围增大,与正常直立生长的玉米反射信息比较,具有非常明显的各项异性特征;同时,倒伏玉米的反射光中包含丰富的偏振信息,利用偏振信息可以为区分倒伏区域提供依据。这为利用遥感技术确定受灾范围与计算损失产量提供了依据。     

涂层表面偏振双向反射分布函数的多参量混合模型

为了表征不同涂层表面的偏振光学散射特性,在基于微面元理论的偏振双向反射分布函数模型的基础上,针对不同涂层样品提出了一种适用范围更广的多参量偏振双向反射分布函数模型.采用遗传算法对实验数据进行模型参量拟和.实验结果表明,对几种不同的涂层样品,这种多参量模型的模拟计算结果与测量结果均能较好吻合,可以为后续的目标偏振特征提取与识别工作提供参考.     

涂层表面偏振双向反射分布函数的模型研究

为了表征复杂涂层表面的光学散射特性,基于微面元理论的偏振双向反射分布函数模型,利用遗传算法从实验数据中反演出模型的关键参量。采用C 语言对偏振双向反射分布函数模型进行了数值模拟,分析了模型参量对偏振双向反射分布函数的影响。数值模拟结果与实验数据的对比表明,该模型算法有较高的模拟精度,可以为后续的目标特征提取与识别工作提供参考。     

实际加工表面红外激光散射特性的实验研究

为了研究激光在实际加工表面的散射特性,利用分辨率为10 nW的激光功率计PM100D,波长为1550 nm的激光器和精密转台,自行设计并搭建了半球空间中目标表面散射特性的测量系统. 以典型的刨床加工的若干标准粗糙度比较样块为被测目标,在1550 nm红外激光以不同方位照射下,测量了微观具有V形槽结构的不同粗糙度的样块表面的散射功率分布. 实验结果转换成双向反射分布函数后,对比分析了入射光方位、入射角和表面粗糙度对此类典型表面散射特性的影响,并分析了特殊散射场形成的原因. 结果表明,表面纹理、入射角以及粗糙度均对目标表面的散射特性有规律性影响,这一结果对于具有规律性加工纹理表面的散射特性的研究和建模有一定的参考价值,对激光技术在实际加工表面的应用研究提供了一定的基础. 关键词： 散射特性 双向反射分布函数 红外激光 实际加工表面     

基于传输线模型的高阻表面反射相位分析

采用传输线模型对高阻表面表面阻抗进行建模,准确计算垂直入射条件下高阻表面的反射相位.在垂直入射条件下,过孔的影响可以忽略,将高阻表面等效为具有容性的贴片阵与具有感性的介质层的并联,利用传输线原理求得高阻表面的反射系数,再得到其反射相位.计算了不同参数的高阻表面反射相位,传输线模型计算反射相位与数值方法计算结果符合较好.制作了不同参数的高阻表面并测量其反射相位,实验结果表明传输线模型计算反射相位结果与测量结果基本符合,证明了传输线模型的正确性. 关键词： 高阻表面 反射相位 传输线模型     

基于野外测量研究植被冠层偏振光谱反射特性

植被冠层反射太阳光会产生部分偏振光,这为偏振遥感探测提供了信息源。利用地基平台开展野外偏振测量是非常重要的研究,它不仅能获取植被冠层本质的偏振反射特性,而且还可以与机载或者星载平台数据进行匹配;虽然研究者们已经通过机载或者星载偏振探测器获取了大量植被冠层的偏振反射信息,但是关于地面植被冠层偏振反射分布特性的研究却很少。因此,为了详细研究植被冠层的偏振反射特性,基于野外多角度高光谱偏振测量与偏振反射物理机制,分析了植被冠层偏振光谱特性及其偏振反射分布特性;随后,反演了两种偏振模型的参数,将测量值与模拟值进行对比分析。研究结果发现,植被冠层的偏振反射具有明显的各项异性特征,而且与波长之间存在微弱的关系;同时,偏振模型可以很好地模拟植被冠层的偏振反射信息,可以作为研究植被冠层的理论依据。该研究测量的偏振反射信息与模型计算值之间呈现良好的吻合性,既描述了植被冠层偏振反射分布特性,又证明模型的有效性和测量结果的准确性。对植被冠层偏振特性的详细研究,不仅有助于完整地解释植被冠层与电磁波之间的辐射响应特征,而且对于偏振遥感对地观测以及地表偏振信息对大气偏振信息的研究也具有重要科学价值。     

具有不同涂层的样品表面双向反射分布函数的三维测量

利用半球空间双向反射分布函数测量装置,采用样本比值法,实验测量了不同材质及涂层表面对激光束在整个半球空间内的双向反射分布函数.分析了漫反射板与无涂层铝板（裸板）表面,以及不同涂层和不同入射角下同一涂层对入射光的反射光强的空间分布,得出了所测几种样品在特定波长激光照射下的表面反射与散射特性.     

粗糙目标样片光谱双向反射分布函数的实验测量及其建模

实验测量了紫红色和白色涂漆板在400～780 nm内的光谱双向反射分布函数(光谱BRDF),分析了光谱双向反射分布函数随波长及散射角的变化趋势与目标样片光学特性的关系.应用改进的粒子群算法,结合双向反射分布函数五参量模型,获得了测量光谱范围内各波长(间隔1 nm)对应的共381组五参量值.利用五参量模型计算了目标样片的光谱双向反射分布函数及其方向半球反射率(DHR),并与实验测量数据相比较,两者吻合良好,表明目标光谱双向反射分布函数建模方法与结果的可行性和可靠性.目标样片的光谱双向反射分布函数可以用来研究目标的光谱散射特性,对目标的探测、跟踪、识别和特征提取等具有重要的应用价值.     

甘肃河西地区荒漠化土地光谱特征研究

甘肃河西走廊土地荒漠化严重影响了当地居民的生产生活环境,高光谱遥感技术是荒漠化土地退化程度、土地类型识别、遥感反演等的重要研究手段,以河西地区荒漠化土地为研究对象,分析其光谱特征与植被退化程度、植物类型、季节变化等的关系,探讨河西地区荒漠化土地的光谱特征。主要结果有：(1）当植被覆盖度小于20%,同一类型不同退化阶段的植被光谱对沙地光谱的影响很小,沙地光谱反射率与裸地接近,尤其当植被盖度小于10%时,沙地与裸地的光谱曲线几乎重合,仅从植被景观很难反映出土地的沙化程度。(2）不同的植被类型对沙地光谱的反射率有一定的影响,以白刺为建群种的沙地光谱反射率较高,其次为梭梭沙地,多枝柽柳沙地相对较低,植被不同演替阶段下指示性植物的沙地光谱可以反映土地的沙化过程。(3）在植物生长季,沙地光谱反射率受土壤、植物含水量及植物物候期的影响,8月-10月高于其他月份,7月最低,沙地光谱波形曲线的季节变化规律可以反映出沙地土壤含水量的变化。研究结果对荒漠化土地遥感监测中土地沙化程度判定、季节信息提取、植被覆盖度估算等提供研究基础。     

不同粒度条件下矿物光谱变化分析

矿物粒度是影响矿物光谱特征的一个重要因素,探索不同粒度下矿物光谱曲线的变化情况以及相同粒度下不同矿物的光谱差异,不仅是高光谱矿物遥感信息识别的关键,也为研究矿物随着粒度变化而产生的光谱差异提供理论基础。利用地物光谱仪对采集的六种矿物进行观测,获取了不同粒度下的反射率光谱曲线,同时生成一阶微分光谱曲线,进而分析了不同粒度下各种矿物的光谱变化特征,对比了相同粒度下不同矿物的光谱差异,探索高光谱遥感识别矿物的可能波段。结果表明：各种矿物的光谱曲线均会随着粒度的改变而产生较大的差异,但变化规律不尽相同,紫苏辉石的整条光谱曲线都会随着粒度的增加而下降,叶蛇纹石、赤铁矿、高岭石、绿泥石的光谱曲线在特定的波长范围内随着粒度的增加而下降,橄榄石的光谱与粒度大小不存在直接的相关性;相同粒度下,不同矿物的光谱反射率在大部分波段范围内差异较大,为实现矿物高精度识别提供了可能;叶蛇纹石、高岭石、绿泥石具有较多的宽度较窄、强度较小的吸收峰,而赤铁矿、橄榄石、紫苏辉石的光谱曲线相对平滑,吸收和反射峰的数量较少。本研究旨在为矿物光谱库的构建以及矿物的高光谱技术识别提供基础数据和理论支撑。     

地表双向反射对天基矢量辐射探测的影响分析

矢量辐射传输方程定量描述了辐射在地表-大气耦合介质中的传输过程,是定量遥感的基础.在处理辐射和离散介质相互作用时,如何处理多次散射、辐射偏振效应和耦合地表模型是研究的重点,直接影响定量化遥感反演的精度.文中基于逐次散射近似法求解了矢量辐射传输方程,求解过程中耦合典型地表的非偏双向反射（BRDF）模型和偏振双面反射（BPDF）模型.采用相对误差因子定量分析了地表双向反射效应和大气偏振效应对天基矢量辐射的影响.为进一步研究地表-大气耦合介质系统的偏振特性及地表大气参数的定量遥感反演提供理论支持. 关键词： 矢量辐射传输方程 逐次散射近似 定量遥感 偏振遥感     

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.     

基于近地遥感系统的小麦玉米冠层RVI和NDVI获取影响因素分析

以大型喷灌机为平台的近地遥感技术可有效观测作物的生长状态,对田间生产管理和作物水肥需求特性等研究具有十分重要的意义。由于在遥感观测过程中,作物冠层具有二向反射特性,因此不同观测方式会影响遥感观测结果。通过自行搭建的近地遥感系统模拟大型喷灌机平台的实地观测条件,使用双通道光谱传感器获取小麦与玉米冠层的光谱反射率信息,引入变异系数CV对由冠层二向反射特性引起的信息数据变幅进行量化,并采用影响因素权重W分析各观测参数对数据变幅的影响程度。通过获取2019年冬小麦返青期至灌浆期、夏玉米V7-V14生育期的冠层近红外波段（810 nm）和红光波段（650 nm）的反射率数据,分析多种观测因素对比值植被指数（RVI）数据和植被归一化指数（NDVI）数据的影响。结果表明,观测高度（0.5~2.5 m）、观测频率（2~60次·min-1）和移动速度（0~4 m·min-1）与观测结果无显著相关关系（p＞0.05）,观测时刻（8:00-18:00）、观测天顶角（-60°~60°）和观测方位角（0°~180°）与观测结果相关关系极为显著（p＜0.01）;小麦和玉米的冠层RVI、NDVI数据获取结果主要取决于冠层覆盖程度,在相同叶面积指数（LAI）情况下观测结果也会因观测时刻、观测方位角和观测天顶角的差异而受到不同程度的影响;冠层光谱反射率信息二向反射特性明显,小麦冠层RVI和NDVI变异系数分别为15%~50%和2%~50%,玉米冠层RVI和NDVI变异系数分别为10%~33%和18%~39%;进行观测时,应尽量选择在太阳天顶角较稳定的12:00-14:00时段,并尽量缩短观测时长,还应选择固定的观测角度,注意阴影效应与热点效应的影响;此外,在小麦返青至拔节期、抽穗至扬花期获取RVI和NDVI时,还应分别注意观测天顶角、观测时刻对测量精度的干扰。研究结果可为快速获取高精度的小麦、玉米冠层光谱反射率数据提供技术支撑。     

基于多角度偏振载荷数据的中国典型地物偏振特性研究

相对于传统的光学遥感, 多角度偏振遥感不仅可以获取辐射强度信息, 而且可以获取偏振强度信息. 基于多角度偏振卫星载荷观测的中国典型地物的偏振反射率数据, 获取了地表偏振双向反射模型——Nadal模型的中国区域模型参数值. 在此基础上, 基于修正的Nadal模型研究了中国区域森林、草地、沙漠三种典型地物的多角度偏振特性. 研究表明: 1)各地物的偏振反射率均随着散射角的增大而减小, 随着太阳天顶角和卫星观测天顶角的增大而增大; 2)森林、草地和沙漠三种典型地表偏振反射率存在明显差别, 森林的偏振反射率最低, 草地的偏振反射率次之, 沙漠的偏振反射率大约为森林的两倍; 3)不同地物之间的偏振反射率差值均随着卫星观测天顶角和太阳天顶角的增大而增大. 研究结果可为基于多角度偏振遥感数据探测地表偏振特性和反演气溶胶参数提供先验知识.     

利用无人机搭载的多光谱相机直接测定地表反射率的新方法

目前,无人机获取的多光谱遥感数据已被广泛应用于农业、林业、环境等领域的定量监测中。然而,现有的将多光谱遥感数据转换为地表反射率的方法,仍然存在一定的缺陷,如需要依赖地面参考板、无法适应光照条件变化、得到的结果不准确等,从而影响了多光谱遥感数据定量化应用的效果。为了解决该问题,提出了一种可以利用无人机搭载的多光谱相机,直接对地表反射率进行测量的新方法。该方法具有非常强的适应能力,即使在环境光照强度变化的条件下,仍然能够得到准确的地表反射率。其中,如何利用倾斜状态下的光强传感器获取准确的太阳辐照度,是需要解决的关键问题。对此,提出了一种利用两个或者更多朝向不同方向的光强传感器,实现太阳直射和散射辐照度测量的新方法。利用此方法即可将相机记录的数字量化（DN）值直接转换为地表反射率。为了验证本方法的实际效果,设计了具体的实验验证方案,对不同日期不同光照条件下获取的无人机遥感数据进行验证。实际测试结果表明：利用该方法,得到黑、灰、白三张参考板的反射率在5个多光谱（蓝、绿、红、红边和近红外）波段中最大的平均绝对误差为3.34%,其对应的标准差为2.11%;三张参考板在所有波段中最大的平均绝对误差为2.94%,其对应的标准差为1.84%。由此可见,在光照强度变化的条件下,利用该方法实现地表反射率的准确测量是可行性的。该方法极大地简化了无人机遥感数据转换为地表反射率的过程。对多光谱无人机的设计,以及无人机遥感数据的定量化应用,都具有重要的参考价值。     

典型煤的近红外反射光谱特征的方向性研究

高光谱遥感是煤矿区探测的有效方法,对于煤炭资源调查、矿区环境监测等具有重要意义,其中煤、矸石、植被、水体等被遥测物各个方向的反射光谱特征是煤矿高光谱遥感的基础,为此有必要针对典型煤的方向反射光谱特征进行研究。从我国不同矿区收集了无烟煤、烟煤、褐煤三大类煤中的4种典型煤样,4种煤样按煤阶由高到低顺序包括无烟煤一号、贫煤、气煤、褐煤二号,在实验室利用方向反射测量球坐标实验装置测定了每种煤样半球空间各反射方向的近红外波段(1 000~2 500 nm)反射光谱曲线。通过对反射光谱曲线波形分析,发现同一种煤不同反射方向的近红外反射光谱波形基本相似,但在整体反射率大小和局部波形特征上具有差异性,光谱曲线整体反射率越大,吸收谷越明显。随反射角增大,4种煤在前向反射方向(180°探测方位角)反射光谱曲线均整体上升,在后向反射方向(0°探测方位角)反射光谱曲线高度变化相对较小。在每种煤半球空间各反射方向的反射光谱曲线中,选取了1 400,1 700,1 900,2 200和2 300 nm 5个特征波长,通过分析此5个特征波长处的反射率空间分布极坐标云图,发现4种煤在5个特征波长点处均具有一定的双向反射特征,均表现出较明显的前向反射热点特征和相对较弱的后向反射热点特征,无烟煤一号后向反射热点特征比贫煤、气煤、褐煤二号更明显,贫煤、气煤、褐煤二号随煤阶降低后向反射热点特征逐渐增强。每种煤前、后向反射方向的反射光谱中,通过对5个特征波长处反射率与反射角进行相关性分析,发现前向反射特征波长反射率与反射角近似呈线性函数关系,后向反射特征波长反射率与反射角近似呈高斯函数关系,且高斯函数拟合曲线波峰随煤阶降低向较大反射角度移动。该研究为矿区煤炭高光谱遥感最优探测几何的选择提供了依据,也为矿区煤炭资源精准探测提供了参考。