不同类型土壤的二向反射光谱特性及模拟

在对不同类型土壤进行室内光谱二向反射率测定的基础上,分析了可见光波段及TM4近红外波段土壤二向反射率随观测角度变化规律,得出以下结论：在不同的观测方位角,土壤二向反射率都随着观测天顶角的增加而增加,土壤的二向反射率在垂直主平面方向是对称的;反射率在后向散射方向达到最高,在前向散射方向最低。并利用基于辐射传输理论的Hapke二向反射模型对不同类型土壤在可见光波段及Landsat TM4近红外波段的二向反射率进行了模拟,得到了很好的结果;其在模拟可见光波段时的RMSE值分别为0.003,0.002,0.004,相关系数分别达到0.995,0.998及0.998;在模拟TM4近红外波段时的RMSE值分别为0.004,0.006,0.005,相关系数分别达到0.997,0.996及0.998,这表明通过逐波段的模拟可以获取整条二向反射光谱曲线。     

黑松冠层反射光谱方向特征分析

松萎蔫病是松属树种的一种毁灭性病害，小范围甚至单木水平的森林病虫害的早期诊断对森林资源保护与可持续发展尤为重要。以感染松萎蔫病的黑松为研究对象，通过采集不同感病时期的黑松冠层的多角度光谱数据，分析不同特征波段的方向反射特征，总结不同感病程度黑松的冠层特征波段反射率的变化规律。结果显示：(1）在俯视观测时，在主平面方向的后向散射方向的反射率大于前向散射方向的反射率，并且在后向散射方向，四个波段的四个感病时期约在40°的观测天顶角出现热点效应；无论在主平面还是主垂面，蓝光波段（450 nm）与近红外波段（810 nm）的黑松冠层0°天顶角反射率呈现出感病初期＞健康＞感病中期＞感病末期的变化规律，红光波段（680 nm）和绿光波段（560 nm）的黑松冠层0°天顶角反射率呈现出健康≈感病初期＞感病中期≈感病末期的变化规律。在所有方位角，冠层反射率随着观测天顶角的增加而增大。(2）在仰视观测时，在主平面方向的后向散射方向的反射率小于前向散射方向的反射率，并且在方位角为0°时，4个波段反射率都是较大的；无论在主平面还是主垂面，蓝光波段（450 nm）绿光波段（560 nm）和红光波段（680 nm）的冠层反射率的大小呈现出感病初期＞健康>感病末期>感病中期的变化规律，近红外波段（810 nm）冠层反射率的大小呈现出感病初期＞健康>感病中期>感病末期的变化规律；在所有方位角，冠层反射率随着观测仰角的增加而减小。(3）黑松冠层反射光谱在俯视和仰视观测时，各个特征波段的二向性反射率的各向异性最强的是主平面，最弱的是主垂面，且主垂面的前向和后向反射率会呈现对称性，即“镜面反射”；各个特征波段在感病末期，黑松冠层反射率随观测天顶角的变化幅度较大，其他几个时期反射率随观测天顶角的变化幅度不明显。研究结果显示的树冠的不同角度的波段反射方向性特征为以后不同尺度的无人机监测的准确性与可靠性奠定基础，也为发展近地面便携式森林病虫害实时监测系统打下了基础。     

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.     

基于AirMSPI多光谱多角度传感器的地物偏振特性研究

偏振是电磁波的重要特性,利用偏振信息研究地物的状态和性质被证明是一种有效的手段。地物属性研究是地球观测中重要的课题,偏振技术作为一种新兴手段,逐渐得到国内外遥感界的关注。目前,国际上普遍缺乏使用广、精度高的偏振传感器。AirMSPI(Airborne Multiangle Spectro Polarimetric Imager)作为新型机载偏振传感器,能够获取多波段多角度的偏振数据,空间分辨率可达10 m。选取2013年美国Tracy地区的航飞数据,分析了线偏振度(degree of linear polarization,DOLP)与偏振二向反射因子(polarized bidirectional reflectance factor,pBRF)在470,660和865 nm三个波段、九个探测天顶角的变化规律。研究发现,地物前向散射方向包含大量偏振光,其在入射主平面附近表现出强烈的非朗伯体效应。同时,DOLP与pBRF和入射天顶角及探测天顶角的相对位置有关。DOLP在入射及探测天顶角90°夹角附近最大,pBRF随着探测天顶角的增大而增大。受大气影响,蓝光波段的DOLP及pBRF数值相对较高,但红光及近红外波段可有效减弱大气分子偏振散射效应,包含更多地物偏振细节。水体、人工建筑、居民区、裸土和绿地偏振特性迥异,偏振图像中地物甄别度高。且由于分子多次散射的退偏作用,传感器接收到的地物辐射中,线偏振度与反射比具有高度负相关性,相关系数普遍大于-0.8。因此,AirMSPI能够提供高质量偏振数据,作为地面、星载偏振数据的有力验证,为大气及地物参数反演提供重要支持。     

湖冰双向反射特征的现场观测研究

冰面反照率是用来研究寒区水域大气和水体之间能量交换的重要参数,可以通过遥感数据反演得到。但是卫星遥感观测的波长和角度都相对固定,而且视场角有限,因此获得的表面反射率并不等价于反照率,还需要根据下垫面情况进行各向异性校正。冰的前向散射很强,而且光学性质对其物理参数非常敏感,因此不同物理性质的冰在不同方向上的反射率也有很大的差异,给冰面反照率的反演带来了不确定性。为了解决这些问题, 2019年2月在内蒙古乌梁素海湖对五种性质各异的冰进行了光学性质的现场观测,测量类型包括:(Ⅰ)阴天不均匀气泡冰;(Ⅱ)表层有大量泥沙的冰;(Ⅲ)稀疏大气泡冰;(Ⅳ)致密小气泡冰;(Ⅴ)融化冰,并对彼此之间的反照率、双向反射因子(BRDF)以及各向异性反射因子(ARF)光谱特征的差异进行对比分析。结果表明:随着太阳天顶角的增大,除融化冰的反照率出现了下降以外,其余冰面反照率都出现不同程度的增大。冰的双向反射特征呈现出明显的各向异性,在前向散射方向会形成一个反射的峰值点,该点的位置会受冰表情况的影响,而峰值点以外方向上的反射光主要来自冰内体散射,这部分对观测的天顶角不敏感,而对方位角的敏感性在短波段会受到冰内部组分均匀程度的影响,在长波段几乎不受影响。在对冰的BRDF谱线分析时发现,冰的体散射谱线形状和反照率谱线很相似,但是在长波段的减小速度更快,即体散射在短波段能量更加集中,而在前向散射方向接近反射峰值点位置上,能量在长波段更加集中,短波段较少。分析ARF谱线可以发现,冰的体散射对反照率的贡献随波长的增大而减小,而冰表面反射情况相反。更重要的是各测量点的ARF谱线的大小顺序和BRDF谱线的顺序并不相同,说明即使在观测角度一致时,不同冰的反照率反演参数并不相同。     

敦煌辐射校正场反射辐射偏振特性研究

卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量(例如地表反射率、地表辐亮度等)对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性, 场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式, 测量了敦煌场490 nm和670 nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明, 敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关, 490 nm波段偏振度明显大于670 nm波段。490 nm和670 nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内, 前向散射区偏振度大于后向散射区, 并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100 m区域的场地反射辐射局部均匀性, 均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。     

裸露起伏地表的BRDF模型

基于数字高程模型,建立起伏地形的三维网格模型。利用坡角及坡向得到坡面像元的平均法向,通过坐标系转换,计算任一坡面在局部坐标系下对应的太阳入射及观测几何。在可见光及近红外波段,考虑遮蔽效应,建立裸露起伏地表的双向反射分布函数(BRDF)模型,并以沙漠地区为例验证了该模型的正确性。研究了沙漠地区地表起伏程度及太阳天顶角对BRDF的影响,结果表明,在太阳几何一定的情况下,不同起伏地形的BRDF随观测方位角的变化呈不对称分布,且近垂直主平面方向的BRDF比近主平面方向整体偏大;对于同一地形,随着太阳天顶角增大,地表BRDF呈减小趋势。此外,随着波长增加,地表BRDF呈增大趋势。     

高光谱激光雷达植被叶片方向反射特性及对叶绿素反演的影响

不同于传统被动光学传感器,高光谱激光雷达发射主动式全波段高斯脉冲激光,和植被叶片表面相互作用后,不同波段后向散射强度返回至接收器并被记录下来。以往的高光谱激光雷达植被叶片反射特性研究只聚焦于零度角入射的情况,对多入射角方向反射光谱特性以及方向反射特性对叶片叶绿素含量估算带来的误差尚未进行过深入研究。利用实验室研发的32波段高光谱激光雷达获取了不同入射角下的植被叶片反射光谱,对高信噪比波段下植被叶片的复杂方向反射特性进行了深入分析,随后选择光谱指数研究了高光谱激光雷达测量条件下植被方向反射特性对叶绿素含量反演的影响。结果表明,(1)高光谱激光雷达植被叶片回波强度随入射角增大逐渐降低,但二向反射率因子并不逐渐减小,在可见光和近红外波段,二向反射率因子随入射角增大分别呈现出两种不同形状特征,可见光波段反射率因子最大值出现在0°～10°,近红外波段最大值出现在60°,反射率因子最小值均出现在45°处,最大和最小反射率因子间可差0.1左右,可见光和近红外波段10°～60°内二向反射率因子均呈现先减小后增大的趋势;(2)通过对不同入射角下光谱指数与叶绿素含量的回归分析发现,方向反射特性对反演精度有...     

太阳天顶角对反演高光谱地表反射率影响分析

为了满足星上载荷高频次的在轨定标需求,常使用场地自动化定标技术将多光谱反射率反演为高光谱反射率,所以提升光谱的反演精度对提高自动化定标精度尤为重要。使用布设在敦煌辐射校正场的通道式自动化观测仪器计算从2018年9月至2019年9月的反射率;根据测量过程中太阳天顶角的不同将数据分为6组,并使用双向反射分布函数模型对不同太阳天顶角下的光谱形状进行一致性分析。实验结果表明,双向反射分布函数模型校正不同入射角度是有效的。     

单子叶植物叶片双向反射分布的测量与分析

作物的生物含量与作物的光学特性有直接的关系,而植物叶片的双向反射分布函数(BRDF)又直接影响植物的光学特性。植物叶片的BRDF体现了叶片在各个方向不同的能量反射能力,直接影响植物叶片的光谱检测结果,也是植被冠层宏观光学特征的影响因素之一。对植物叶片的BRDF光学特性及表现出的规律性展开研究和讨论,能够有效提高植物无损检测光谱模型的稳定性和可靠性,提升利用作物光谱模型反演理化特性的准确性和可靠性。首先介绍了植物叶片的BRDF快速获取方法及自主研发的方向性光谱检测仪器,该仪器能够在入射光的方位角和天顶角、接收探头的方位角和天顶角这四个维度进行调整,实现多入射角和反射角的反射光谱数据采集。单子叶植物的叶脉呈纵向分布,因而体现出较为显著的各向异性,玉米和小麦是两种较为典型的单子叶农作物。通过自主研发仪器获取不同波段范围下的玉米和小麦的反射光谱信息,并分析总结其反射分布规律。采用文中所介绍的BRDF计算方法对光谱数据以及白板校正数据进行计算,再结合MATLAB程序对光谱反射数据的图像映射,对反射结果与叶绿素含量和叶片含水量这两个叶片典型理化参数的相关性进行分析,最后探讨了采用ANIX系数对叶片的各向异性进行量化分析的方法。选取小麦在可见光波段以及玉米在近红外波段的数据,结果表明,小麦和玉米在各波段下的fr分布均关于入射天顶角两侧微小空间对称,在相同波段下,不同入射天顶角下的fr值大小基本一致;在相同入射天顶角下,小麦在800 nm波段下的fr值最大,680 nm波段下的fr值最小,这是由于680 nm波长附近是叶绿素强吸收的特征波段,而800 nm附近是叶绿素反射的特征波段,且在相同波段下,叶绿素浓度的升高会导致fr值的增大;在水的强吸收特征波段1 450 nm下,玉米的fr值随着含水量的升高而增长。分析表明,作物的BRDF特性能够有效反映叶片主要生物含量的变化,同时计算所得到的各向异性指数也体现出一致的变化规律,为建立稳定且可靠的作物光谱定量分析模型提供了理论和实践基础。     

水体的多角度偏振波谱特性及其在水色遥感中应用

清洁水体光谱在可见光和近红外波段的反射率比较低,其光谱特征不明显,在光学遥感图像上水体一般都表现为暗色调,造成了利用光谱学手段进行水体遥感识别和水质参数反演的困难。在研究水体的偏振波谱时作者发现,在对水体进行多角度观测时,水体在可见光与近红外波段的偏振度波谱值要远大于其无偏的反射率,表现在图像上即水体的偏振度图像的亮度要远大于其强度图像的亮度,文章对这种现象和规律进行了物理学解释,并利用法国PARASOL多角度偏振卫星遥感图像数据对这个规律进行了验证。该文首次揭示了利用多角度偏振遥感进行水体探测的优势,该方法有效解决了在利用光学遥感进行水体探测时反射率低的难题,大大提高水体的遥感识别能力和水质参数反演精度。     

基于光子晶体异质结的高效太阳能电池反射器研究

设计了一种可用于太阳能电池反射器的二维三角晶格光子晶体异质结结构.采用传输矩阵法对该结构在可见至近红外波长范围入射电磁波的反射率进行了模拟计算,并比较了不同入射方向下反射率的变化.结果表明,光线垂直入射时,该结构光子晶体对近红外波段入射光可实现完全反射|随着偏转角度的增大,在整个可见-近红外波段均显示出极高的反射特性.该结构有望用于制作覆盖整个可见光-近红外波段的高效全方位反射器.     

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。     

基于RSP的植被多角度偏振特性研究

偏振探测能够获取新的反应目标属性的信息。相对于传统遥感观测,多角度偏振信息具有更稳定的相关性和规律性。植被是地表最典型的地物之一,利用光与植被相互作用后表现出的偏振特性可以进行植被相关性质研究。RSP（research scanning polarimeter）是美国研制的星载偏振遥感探测器APS(aerosol polarimetery sensor)的原型样机,提供有九个光谱偏振通道,通过对航空飞行试验获取的扫描偏振数据预处理得到的稳定的多角度、多波段偏振探测信息分析,可以得到植被的光学特性和微物理特性。以植被密集区、植被稀疏区（接近裸地）为研究对象,根据仪器飞行时姿态信息进行配准,对比分析了可见光波段和近红外波段在-30°和65°观测天顶角下的强度反射特性和偏振反射特性。结果表明,植被密集区和植被稀疏区在不同的观测角度均表现出规律的偏振度特性,偏振反射在接近热点区域能量小,相比于常规强度反射在接近热点区域反射能量大,可有效防止因反射能量过强影响探测器的稳定性,根据在可见光波段植被密集区偏振度高于植被稀疏区,在近红外波段植被密集区偏振度低于植被稀疏区的反射特性,说明探测器在研究区域的植被密集区接收的可见光波段信号以单次散射为主而在近红外波段以多次散射为主。     

Design of multi-spectrum BRDF measurement system

A multi-spectrum bidirectional reflectance distribution function (BRDF) measurement system was developed with the adoption of single reference standard measurement method. An arm-adjustable corner device was designed for the BRDF system. Changing the distance to the sample by moving the detector arm made the device applicable to different wavelengths. The system could be used for the spectrum range from visible light (0.6328 μm) to mid-far infrared (10.6 μm), the facular size between 0.8-3 cm.The rotating limit of detector arm was ±180°, the rotation range of sample holding table was 360°, and the angle resolution was 0.036°. A silicon carbide sample was measured using this system with reflectance zenith from -55° to +55°. According to the error analysis, the measurement uncertainty of this device was about 6.42%.     

双向反射率测量中锁相放大器的设计

均匀材料表面除镜反射方向的其他散射方向光辐射强度都较微弱.采用信号参量估计中行的最大似然估计,应用相关检测技术,利用被测信号与背景噪声不相关特性,设计了适于微弱光电信号检测的装置--锁相放大器.对金刚砂反射天顶角-55°～55°范围测量的实验结果与双向反射率(BRDF)模型比较显示,在可见光0.632 8 μm波段,误差为3.43%;近红外1.34 μm波段,误差只有0.01%.该锁相放大器适用于材料表面双向反射率的测量.