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。     

一种实用型粗糙面六参数双向反射分布函数模型

通过对五参数半经验双向反射分布函数(BRDF)模型进行修改,并吸收其它模型的优点,提出了一个六参数BRDF模型,该模型形式更简单,拟合效果更好,并且模型满足了能量守恒和互易性,使该模型更趋于实用化。利用模拟退火算法对多种不同样片的BRDF进行了拟合建模,获得了相应模型的参数值和偏差,结果证明了该模型的正确性,尤其适合对散射特性较弱样片BRDF的拟合建模。对于散射特性较弱的样片,与常用的五参数模型进行了比较,该模型的漫反射部分拟合效果更好,总体精度还略有提高。最后,为了更直观地表示目标样片的BRDF,分别给出了各个角度BRDF的三维拟合图。     

基于遗传LM算法的涂层目标光谱偏振BRDF建模分析

通过比较测量方法测量得到绿漆涂层木板探测目标在400～720 nm的光谱偏振二向反射分布函数值,从获得的户外试验测量数据入手,分析与探测角、波长之间的关系,通过有限探测条件得到的光谱偏振二向反射分布函数值(BRDF)建立光谱偏振BRDF模型,来描述探测目标的偏振二向反射特性。其中利用基于小面元的模型建立光谱偏振BRDF模型,利用遗传算法和Levenberg-Marquardt(LM)算法相结合的优化算法来获得非线性模型参数。仿真实验结果表明采用的遗传LM优化算法具有较好的性能,能较快较准确得到非线性的模型参数。真实实验数据证明了基于小面元模型的正确性,表明光谱偏振二向反射分布函数建模方法结果的可靠性。最后与绿漆涂层铁板目标的模型反演参数进行比较得出：2种不同材质、相同颜色涂层的目标,具有较为接近的折射率,其较小差别可以理解为由涂层的厚度、均匀程度的不同导致,而非不同的材质所引起。     

基于多角度偏振相机的城市典型地物双向反射特性研究

基于高空间分辨率多角度偏振相机(directional polarimetric camera,DPC)获取的中国珠江三角地区典型地表多角度航空数据,在航空尺度上反演得到城市区域四种典型地物的三种半经验双向反射率(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)模型的参数,并对模型精度进行分析.结果表明,三种半经验BRDF模型对多角度反射率数据都有较好的拟合能力,其中,Ross-Li模型对森林类型的拟合误差最小,Ross-Roujean模型对裸土类型的拟合误差最小,RPV模型对城市和灌木类型的拟合误差最小.在此基础上,重点分析了四种城市典型地物高空间分辨率的双向反射特性,研究发现,不同地物的反射率存在差别,但整体趋势都随着散射角的变大而变大.城市区域典型地物类型双向反射特性的研究,将为基于遥感数据探测地表和大气物理光学参数提供理论支持.     

基于深度神经网络的空间目标常用材质BRDF模型

由于双向反射分布函数(BRDF)经验模型与半经验模型对材质散射特性描述时存在局限性,导致其拟合结果与实测数据的误差较大。针对此问题,基于深度神经网络(DNN)构建了一种适用于具有不同散射特性空间目标材质的BRDF模型。建立的深度神经网络模型基于TensorFlow实现,包含4个隐含层,并采用AdaDelta梯度下降法进行优化,结合Dropout方法进行正则。随机抽取材质测量数据的一部分作为训练样本,最终得到BRDF与入射天顶角、反射天顶角以及观测方位角的映射关系模型。大量的实验结果表明,建立的深度神经网络模型具有良好的材质特性描述能力,且对于相同材质,模型的拟合误差小于经验模型。     

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.     

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。     

植被双向反射分布函数的模型及其发展

介绍了双向反射分布函数(BRDF)的概念和反映植被特性的归一化植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI)、差值植被指数(DVI)等一些重要指数参数。评述了近年发展起来的植被BRDF模型的构建方法,例如统计反演方法,MODIS植被指数合成法和集合卡曼滤波法(EnKF)。分析了目标表面BRDF数据的获取方法和改进的驱动核算法。对BRDF模型的发展趋势进行了展望。     

基于BRDF数据的金属漆颜料制品的色貌预测评估北大核心CSCD

通过双目观察与匹配心理物理学实验,对金属漆颜料制品在两种几何条件下进行了视觉评价,随后将金属漆颜料制品的视觉平均数据分别与基于双向反射分布函数(BRDF)数据和基于PR715分光辐射计测量结果的色貌模型预测结果进行最小二乘法线性拟合。实验结果表明,在不同几何条件下,BRDF数据均可以用来对金属漆颜料制品进行色貌预测;对于三属性预测而言,在明度和彩度方面,基于BRDF数据的色貌模型预测精度不如基于PR715分光辐射计数据的色貌模型预测精度,而在色调角方面,基于BRDF数据的色貌模型预测精度则高于基于PR715分光辐射计数据的色貌模型预测精度。     

基于散射光谱加和性的金属漆颜料制品的光谱双向反射分布函数重建研究

金属漆颜料制品的光谱双向反射分布函数(BRDF)与其组成成分有关,快速准确重建出成分相近的金属漆颜料制品的光谱BRDF数据,对指导金属漆颜料制品的光谱BRDF建模,减少其光谱BRDF数据采集的人力物力成本具有重要意义。基于散射光谱加和性原理,提出了一种使用少数金属漆颜料制品的光谱BRDF数据重建出具有不同成分比例金属漆颜料制品的光谱BRDF数据的方法。该方法将金属漆颜料制品的光谱BRDF视为其各组成部分光谱BRDF的线性组合,通过求解线性方程组得出各组成部分的光谱BRDF,然后通过赋予各组成部分光谱BRDF不同的权重,采用加权求和方法重构出成分比例不同的金属漆颜料制品的光谱BRDF数据。实验中,以潘通金属色系列色卡中亮黄色系列的6个不同组成比例色卡为研究对象,使用比较测量方法测量得到了其在45°入射角度下,380～760 nm波长范围的半球反射空间的光谱双向反射分布函数(BRDF)值。然后选择其中两个色卡求解出该系色卡的基础成分的光谱BRDF数据,再通过赋予其基础成分的光谱BRDF数据不同的权重,重建出其他四个成分比例不同的色卡的光谱BRDF数据。实验结果表明,在45°入射角度和半球反...     

Remote sensing of surface reflective properties: Role of regularization and a priori knowledge

Linear kernel-driven bidirectional reflectance distribution function (BRDF) models have been used for mapping albedo with single field-of-view satellite measurements such as Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). Due to limited samplings and poor angular configurations available from these satellite remotely sensed data, BRDF models inversion is often plagued by numerical instability. In order to overcome the ill-posedness of the BRDF model inversion and robustly estimate terrestrial surface albedo, a regularization technique is employed for the cases where the number of observations is insufficient, or the angular distribution is poor. Emphasis is also placed on the combination of a priori knowledge with the regularized inversion. Numerical performances and case study results with ground measurements and MODIS observations suggest that the method is sound and robust for ill-posed BRDF inverse problems. The method presented in this study is promising for land surface reflective parameters retrieval even for regions where only sparse observations are available.     

双向反射分布函数模型参量的优化及计算

从涂层材料双向反射分布函数的参量理论出发，通过参量迭代和优化，建立了几种典型漆层样片双向反射分布函数的参量模型，其参量优化计算结果和实验测量结果吻合得很好，该方法描述的粗糙表面双向反射分布函数的形式简洁，更适于工程应用。     

Adaptive regularized filtering for BRDF model inversion and land surface albedo retrieval based on spectrum cutoff technique

A regularized inversion method is presented to invert the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) model for albedo calculations. It is known as discrete ill-posed inverse problem. Essential issues that must be considered include solution existence, solution uniqueness, instability of the solution process, and geophysical meanings of solution. In order to robustly estimate BRDF models parameters, a spectrum cutoff technique is employed to suppress spurious oscillations due to poor angular distribution, sparse sample size, or both. We studied difficulties in estimating BRDF parameters and analyzed the cause of the instability in the solution, and then presented a novel algorithm. The proposed RSC (Regularized Spectrum Cutoff) method is based on improving the spectrum of the BRDF kernel matrix and can always find suitable BRDF parameters for sparse satellite observations. The algorithm is compared with the MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) full retrieval (FR) algorithm, and it is tested to be suitable for the case of sufficient observations. Numerical experiments with POLDER (Polarization and Directionality of the Earth's Reflectances) BRDF datasets and MODIS images suggest that the developed spectrum cutoff method is adaptive and robust, and it is valuable for retrieving land surface BRDF and albedo.     

空间目标表面材料光谱双向反射分布函数测量与建模

介绍了双向反射分布函数（BRDF）的绝对测量原理和方法,选用光谱分辨率为3 nm的光谱辐射度计及精度为001°的三维转角系统,搭建了BRDF自动测量平台,对空间目标表面包覆材料在400—2500 nm的光谱BRDF进行了测量.结果表明,BRDF曲线极大值所对应的散射角度一般在镜反射方向左右,其余BRDF值随散射角变化很平缓,从中间向两边逐渐变小,近似成余弦分布.测量误差为495%.应用模拟退火算法,结合BRDF五参量统计模型,获得了测量光谱范围内各波长对应的共2101组五参量值,通过对比参量计算结果和 关键词： 双向反射分布函数 绝对测量 误差分析 参量模型     

Establishment and experimental verification of infrared BRDF model in rough surface

Because of the thermal radiation from materials, the influence of spontaneous radiation on infrared-material—BRDF could not be neglected. In this paper, the spatial distribution characteristics of the material spontaneous radiation energy are analyzed. Then a full infrared BRDF semi-physical model in rough surface is developed by incorporating the characteristic parameters of the material spontaneous radiation into the five-parameter BRDF model. Finally, the model is verified using experimental data. Experimental results demonstrate that the proposed model error is less than 1%. The semi-physical model is more suitable for describing real physical process, and can be applied to analyze stray radiation of infrared optical system and target infrared characteristics.     

取向比对椭球气溶胶粒子散射特性的影响

利用T矩阵和离散坐标法研究了取向比对椭球粒子散射特性的影响, 计算了小尺度范围内椭球粒子的散射特征参量, 包括消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率、散射相矩阵及双向反射函数(BRDF). 结果表明, 椭球粒子的散射特性与取向比密切相关, 粒子取向比会影响散射参量的振荡频率和振幅, 与球形粒子散射参量的相对差异也呈周期振荡趋势. 研究还发现, 某些特殊粒子尺寸的散射参量与粒子取向比基本无关. 在多次散射条件下, 分析不同取向比粒子群的BRDF随反射角和光学厚度的变化特性. 结果显示: 不同取向比粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致, 球形粒子群比非球形粒子群的BRDF曲线波动振幅更大; 球形-非球形粒子的BRDF相对差异随光学厚度和取向比的增大而减小, 随入射角的增大而增大.     

遮光罩内壁蜂窝结构单元的双向反射特性

内壁蜂窝结构是决定遮光罩杂散光抑制性能的主要因素,掌握其各向异性辐射传输特性对遮光罩的杂散光分析和优化设计具有重要意义.针对蜂窝结构单元,建立辐射传输模型,导出了表面双向反射分布函数的离散表达式;通过蒙特卡罗法模拟蜂窝结构单元的辐射传输过程,分析了几何参量和涂层反射率对等效面反射特性的影响;根据模拟所得双向反射分布函数数据库,建立了用于遮光罩杂散光分析的蜂窝结构等效面的反射特性概率模型.分析结果表明,蜂窝结构对杂散光呈现很强的后向散射特征,等效面的反射特性概率模型与直接模拟结果符合很好,可用于遮光罩杂散光分析和设计.