双向反射分布函数的绝对测量方法

在光谱光度计的校准中，需要在特定的入射和接收的几何条件下进行。在一些情况，校准的几何条件和光谱区受到了限制，因此有必要建立一种可适用于任意几何条件下和更宽光谱区的校准方法。本文介绍了一种校准光谱双向反射的方法，可适用于各种入射和接收的几何条件。从４００～２５００ｎｍ的光谱范围内，确定烧结的聚四氟乙烯标准样品的绝对双向反射系数，参考标准是通过国家计量院传递的方向—半球反射系数。测量用的双向反射分布函数（ＢＲＤＦ）测定仪可以全自动地测量几乎所有可能的几何条件下的绝对双向反射系数     

Model of bidirectional reflectance distribution function for metallic materials

Based on the three-component assumption that the reflection is divided into specular reflection,directional diffuse reflection,and ideal diffuse reflection,a bidirectional reflectance distribution function(BRDF) model of metallic materials is presented.Compared with the two-component assumption that the reflection is composed of specular reflection and diffuse reflection,the three-component assumption divides the diffuse reflection into directional diffuse and ideal diffuse reflection.This model effectively resolves the problem that constant diffuse reflection leads to considerable error for metallic materials.Simulation and measurement results validate that this three-component BRDF model can improve the modeling accuracy significantly and describe the reflection properties in the hemisphere space precisely for the metallic materials.     

Degree of polarization based on the three-component pBRDF model for metallic materials

An expression of degree of polarization(DOP) for metallic material is presented based on the three-component polarized bidirectional reflectance distribution function(p BRDF) model with considering specular reflection, directional diffuse reflection and ideal diffuse reflection. The three-component p BRDF model with a detailed reflection assumption is validated by comparing simulations with measurements. The DOP expression presented in this paper is related to surface roughness, which makes it more reasonable in physics. Test results for two metallic samples show that the DOP based on the three-component p BRDF model accords well with the measurement and the error of existing DOP expression is significantly reduced by introducing the diffuse reflection. It indicates that our DOP expression describes the polarized reflection properties of metallic surfaces more accurately.     

单叶片偏振BRDF建模及参数反演

利用长春光机所研制的多角度观测装置测量了玉米嫩叶、玉米成熟叶和一品红叶表面的二向偏振反射率分布,发现叶片表面反射具有明显的非朗伯性。通过借鉴Cook-Torrance光照模型的形式,将不同偏振态的菲涅尔因子耦合到模型中,推导得到用于叶片表面偏振的二向性反射分布函数模型(pBRDF-polari-metric bidirectional reflectance distribution function)。将建立的pBRDF模型与实测数据拟合,利用遗传算法进行参数反演,获得叶片漫反射率、等效折射率和表面粗糙度。通过实测值和模拟值的比较,发现该pBRDF模型可以用于叶片表面方向偏振反射特性的模拟。同时,该模型还有助于对植物叶片生理生态特性的定量分析。     

苹果树叶片叶绿素含量高光谱估测模型研究

叶片叶绿素含量是评估果树长势和产量的重要参数,实现快速、无损、精确的叶绿素含量估测具有重要意义。本研究以山东农业大学苹果园为试验区,采用高光谱分析技术探索苹果树叶片叶绿素含量的估测方法。通过分析叶片高光谱曲线特征,对原始光谱分别进行一阶微分、红边位置以及叶面叶绿素指数(LCI)变换,分别将其与叶绿素含量进行相关分析及回归分析,建立叶绿素含量估测模型并进行检验,从中筛选出精度最高的模型。结果显示,以LCI为变量的估测模型以及以一阶微分521和523nm组合为变量的估测模型拟合精度最高,决定系数R2分别为0.845和0.839,均方根误差RMSE分别为2.961和2.719,相对误差RE%分别为4.71%和4.70%。因此LCI及一阶微分是估测苹果树叶片叶绿素含量的重要指标。该模型对指导苹果树栽培生产具有积极意义。     

苹果盛果期冠层高光谱与其组分特征的定量模型研究

从分析苹果树盛果期冠层高光谱入手,结合同一时间的数码照片,在Erdas,ViewSpec Pro,DPS和LIBSVM等软件的支持下,采用相关分析、线性回归、逐步回归、基于BP人工神经网络分析、支持向量机回归方法,探析高光谱反射率及其转换数据与冠层组分指数间的关系。结果表明,冠层反射率受地表反光膜的影响显著;原始反射率与果叶比的相关性最好,611~680 nm为反映两者关系的特征波段;在特征波段内,依据原始反射率和果叶比所建立的4种模型都可满足预测需要,但基于BP人工神经网络模型和支持向量机回归模型整体上优于一元线性回归模型和多元线性回归模型,尤以支持向量机回归模型精度最高。研究结果可为后续的苹果遥感估产工作提供理论支持。     

基于漫反射光谱的组织光学参数测量系统与方法研究

在体组织光学参数测量是生物医学光子学研究重点,不仅为人体成分无创检测、光学成像、光动力疗法等研究提供基础,并且可以快速获取人体光学参数变化,为临床诊断提供依据。研究了利用单一源探距离漫反射光谱在体测量光学参数的测量系统与反构方法。漫反射光谱测量系统由宽谱光源、高分辨光纤光谱仪及光纤探头组成,结构简单,测量方便,可准确快速测量样品漫反射光谱。在光纤探头几何形状基础上,研究了光纤收集及系统传递函数,在此基础上对反构算法进行了校正。光学参数反构算法中正向模型基于Monte Carlo以及神经网络方法,适用光学参数范围大,计算速度快;逆向算法采用主成分分析与非线性建模拟合相结合的方法,可抑制测量噪声影响。在测量系统及反构算法基础上,进行了组织仿体光学参数测量实验,结果表明,利用单一源探距离下漫反射谱,可以较为准确获取吸收系数以及约化散射系数,均方根误差分别达到4.58%以及7.92%。为保证系统测量准确性,测量波长范围应覆盖样品中所含吸收物质吸收峰范围。所研究的在体组织光学参数测量方法为人体成分无创检测及测量条件变化获取提供了基础。     

不同粒径沙地表面双向反射特性研究

由于自然环境遭到人为因素的破坏,我国沙地面积正在逐步扩大,确定沙地的性质与面积已经成为改善环境的重要的指示性信息.遥感技术以其特有的优势可以为沙地监测提供科学有效的信息.本文以不同粒径沙地表面为研究对象,测量其双向反射信息,分析粒径大小对沙地表面反射特性的影响;基于现有的模型对不同粒径大小沙地表面的反射信息进行计算,与实测信息进行对比.研究结果表明,粒径大小对沙地表面反射的反射分布特性有明显的影响;通过对比测量的反射信息与模型计算的反射信息发现,利用双向反射模型可以准确地计算出不同粒径沙地表面的反射信息.本研究不仅确定了粒径大小对反射信息的影响,也为遥感技术估算沙地表面粒径大小以及研究地表固有光学特性提供参考.     

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     

Application of transcutaneous diffuse reflectance spectroscopy in the measurement of blood glucose concentration

In this paper, the propagation characteristics of near-infrared (NIR) light in the palm tissue are analyzed,and the principle and feasibility of using transcutaneous diffuse reflectance spectroscopy for non-invasive blood glucose detection are presented. An optical probe suitable for measuring the diffuse reflectance spectrum of human palm and a non-invasive blood glucose detection system using NIR spectroscopy are designed. Based on this system, oral glucose tolerance tests are performed to measure the blood glucose concentrations of two young healthy volunteers. The partial least square calibration model is then constructed by all individual experimental data. The final result shows that correlation coefficients of the two experiments between the predicted blood glucose concentrations and the reference blood glucose concentrations are 0.9870 and 0.9854, respectively. The root mean square errors of prediction of full cross validation are 0.54 and 0.52 mmol/1, respectively.     

太湖水面多角度遥感反射率光谱测量与方向特性分析

水体光场不是各向同性的,其方向性分布规律的研究对于水质参数遥感反演建模具有十分重要的意义。大洋水体光场的二向性研究已经相对比较成熟,而内陆水体光场的二向性分布规律研究仍存在许多问题。水面原位多角度光谱测量数据是分析水体光场二向性的重要依据,但是目前国际上还缺少相关测量设备。设计并制作了一种能够在野外原位测量水面光场二向性的多角度水面光谱测量杆,它可以配合光谱仪测量多个角度的水面遥感反射率光谱。利用该设备在太湖开展了一次水面多角度光谱测量实验,利用该实验获取的数据分析了太湖水面遥感反射率光谱的方向性分布规律, 进而给出了能够降低方向性影响的水质参数遥感反演建模策略。     

银薄膜对光学基底表面粗糙度及光散射的影响

为了研究金属银薄膜与光学基底表面粗糙度和光散射的关系,提出了通过对光学薄膜矢量散射公式积分来获得界面粗糙度完全相关模型和完全非相关模型下其表面的总反射散射的方法.理论计算了光学基底上两种模型在不同厚度银膜下的总反射散射和双向反射分布函数.结果表明,当沉积在光学基底上的银薄膜的厚度大于80 nm后,两种模型下计算的银薄膜的表面总反射散射都等于基底的总积分散射,银薄膜能较好地复现出基底的粗糙度轮廓.实验研究表明为了复现基底的粗糙度,银薄膜的最佳厚度应在80~160 nm之间.     

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。     

Modeling visible and near-infrared snow surface reflectance-simulation and validation

Retrieving snow surface reflectance is difficult in optical remote sensing.Hence,this letter evaluates five surface reflectance models,including the Ross-Li,Roujean,Walthall,modified Rahman and Staylor models,in terms of their capacities to capture snow reflectance signatures using ground measurements in Antarctica.The biases of all the models are less than 0.0003 in both visible and near-infrared regions.Moreover,with the exception of the Staylor model,all models have root-mean-square errors of around 0.02,indicating that they can simulate the reflectance magnitude well.The R2 performances of the Ross-Li and Roujean models are higher than those of the others,indicating that these two models can capture the angle distribution of snow surface reflectance better.     

基于核驱动模型参数反演的作物株型遥感识别

传统的单一方向遥感只能得到地面目标一个方向的辐射量,缺乏足够信息来同时推断像元的波谱和空间结构。多角度的反射光谱对于植被结构特征的估算及类型鉴别比垂直光谱具有明显的优越性。将多角度观测数据和核驱动模型结合,构建了基于核参数各向同性核所占比例(f_iso),几何光学核所占比例(f_geo)和体散射核所占比例(f_vol)的植被结构参数敏感指数(SPEI)来进行作物株型的遥感识别,并将SPEI与结构散射指数(SSI)和归一化差异参数指数(NDFI)等对紧凑型品种京411和披散型品种中优9507的实测多角度冠层方向反射率数据进行了核参数的反演,不同指数对作物株型结构表现出的敏感性依次为：SPEI＞SSI＞NDFI。SPEI较以往学者构建的指数对不同株型品种遥感识别具有更好的敏感性,该方法可以在其他作物上拓展应用,具有很好的理论基础和应用前景。     

基于几何标记模型参数反演的作物株形敏感性分析

传统的利用冠层反射光谱和光谱指数进行叶面积指数反演时,株形(利用平均叶倾角ALA等指标来表征)对叶面积指数的反演精度存在较大的影响,使得利用遥感手段进行作物长势监测和肥水调控决策时,株形因素不容忽略,以免造成遥感监测精度不高。研究首先利用模拟作物冠层反射光谱的PROSAIL模型将影响作物冠层光谱的叶面积指数等其他参数保持不变的情况下,分析了ALA对作物冠层反射光谱的影响;并基于半经验的几何光学模型对作物株形对冠层光谱影响的不同波段受到ALA变化的敏感性进行了定量分析,对于研究如何消除株形影响,提高遥感反演作物长势和叶面积指数的精度和提高作物大面积、快速遥感肥水调控决策水平具有重要意义。     

Determination of Optical Properties of Turbid Media from Spatially Resolved Diffuse Reflectance by Neural Network

A backpropagation (BP) network is applied to the inversion of spatially resolved diffuse reflectance from turbid media and then to determine its optical properties. A standard BP network may be trapped to the local minimum. A BP network with variable momentum and variable leaning rate can reduce this effect. After being trained, this network will produce reduced scattering coefficients and absorption coefficients when the spatially resolved diffuse reflectance are fed to its input.     

Determination of Optical Properties of Turbid Media from Spatially Resolved Diffuse Reflectance by Neural Network

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｏｐｔｉｃａｌｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ[1] ａｒｅｃｏｎｃｅｒｎｅｄｗｉｔｈｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｓｕｃｈａｓａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｓａｎｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｆｒｏｍｓｕｒｆａｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｕｒｂｉｄｍｅｄｉａｉｒｒａｄｉａｔｅｄｂｙｌｉｇｈｔ.Ｔｈｅｒｅａｒｅｌａｒｇｅａｍｏｕｎｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｔ…     

银薄膜对光学基底表面粗糙度及光散射的影响

为了研究金属银薄膜与光学基底表面粗糙度和光散射的关系,提出了通过对光学薄膜矢量散射公式积分来获得界面粗糙度完全相关模型和完全非相关模型下其表面的总反射散射的方法．理论计算了光学基底上两种模型在不同厚度银膜下的总反射散射和双向反射分布函数．结果表明,当沉积在光学基底上的银薄膜的厚度大于80nm后．两种模型下计算的银薄膜的表面总反射散射都等于基底的总积分散射,银薄膜能较好地复现出基底的粗糙度轮廓．实验研究表明为了复现基底的粗糙度,银薄膜的最佳厚度应在80～160nm之间．     

基于叶片反射光谱特征的银杏健康量化评价技术

准确地诊断树木健康状况是城市森林树木管理工作的基础,也是目前生产中急需的技术。通过土壤和植物养分分析诊断树木健康可靠性差,通过形态特征调查诊断树木健康费时、费力,如何快速、准确、无损地诊断树木健康已经成为城市树木健康管理的重要技术瓶颈。以北京市银杏为研究对象,对基于叶片反射光谱特征的树木健康诊断技术进行了研究。通过13个外貌形态特征聚类将树木健康划分成健康木、亚健康木、一般健康木和不健康木4个等级,不同健康等级树木叶片色素含量差异极其显著(p<0.001) ,因叶绿素含量与光谱反射率之间存在相关关系,所以采用叶片反射光谱特征判断树木健康状况是可行的。采用因子分析法,通过15个叶片反射光谱指标构建了能够综合反映叶片反射光谱特征的绿度指数、色素指数、三边指数。不同健康等级间叶片反射光谱指标以及三个反射光谱指数均有极显著差异(p<0.001)。所以,采用三个反射光谱指数构建了银杏健康评价的多元二次模型,经检验模型预测精度达到79%,可以作为银杏树木健康快速诊断。选取的光谱指标较为全面,方法简洁,并通过综合分析,确定了不同健康等级树木核心形态指标以及叶片的绿度指数、色素指数、三边指数等综合得分以及得分范围,为生产中直接使用该方法诊断银杏健康状况提供了标准。