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。     

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。     

基于大气中性点的地-气分离方法空基验证探究

偏振遥感是遥感领域的一个新兴对地观测手段,地物反射的偏振效应是偏振遥感进行观测的基础。然而,地物反射具有偏振效应,大气粒子的反射与散射也具有偏振效应,并且大气的偏振效应往往大大强于地物偏振效应。当用偏振遥感器对地表目标进行观测时,大气的强偏振效应会干扰甚至覆盖地物的偏振信息。因此,如何最大限度地消除大气的偏振效应对地物偏振效应的影响是偏振遥感的一个关键性问题。大气中性点是大气中偏振度趋近为零的区域。利用大气中性点进行地-气分离理论的核心思想是将探测器放置于中性点区域进行对地观测,以减弱大气偏振对地物偏振的影响。基于国内首次大气中性点偏振遥感航空飞行实验,通过处理和分析实验所得影像数据,分别得到了中性点位置和非中性点位置影像偏振度分布,发现中性点位置偏振度集中分布区域要明显小于非中性点位置,验证了利用大气中性点进行地-气分离理论的合理性和可行性,提出了利用中性点进行偏振遥感实验所需要的条件,并初步分析出,波长较长的波段更适合于偏振遥感观测。     

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。     

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...     

湿度影响下的气溶胶粒子的偏振特性

气溶胶散射特性对大气辐射和气候研究具有重要意义。为研究气溶胶在不同相对湿度下的散射特性,根据Mie散射理论建立了湿度偏振模型,在0.55μm的可见光下,分析比较了3种气溶胶的单粒子和粒子群在不同相对湿度下的偏振特性。结果表明,相对湿度变化对气溶胶偏振度有规律性的影响,尤其在120°～150°的后向散射角区域,3种粒子偏振度都随相对湿度的增大而增大,说明了部分后向散射角上散射光偏振度能有效反映气溶胶粒子随相对湿度变化的信息。     

伪装涂层材料的二向偏振散射研究

目标的偏振散射特征研究是偏振遥感应用的基础。在不同的条件下测量了伪装涂层的偏振参数,研究了入射角、观测方位角对涂层偏振散射特征的影响。研究发现,伪装涂层的面散射会产生较大的偏振度,而体散射具有消偏振效应;深色涂层因为面散射起主要作用而具有较大的偏振度;涂层散射光的偏振度与入射角成正比,在观测方位角接近镜面反射方向时最大,随着方位角的增加而迅速减小;草地的偏振度很小,与伪装涂层形成鲜明对比。利用偏振遥感可以有效地识别草地背景中的伪装目标,偏振测量在遥感和目标识别方面具有重要意义。     

基于偏振信息的遥感图像大气散射校正

大气散射严重影响了航空遥感图像的质量。为了提高航空遥感图像的识别能力,提出一种基于偏振信息的航空遥感图像大气散射校正方法。大气散射具有显著的偏振特性,而对于垂直探测的地物辐射信号偏振度非常低,该方法正是利用大气散射偏振特性与地物目标偏振特性的差别,从图像中提取地物目标辐射信息,从而提高遥感图像的质量。通过机载多波段偏振CCD相机获取航空偏振遥感图像数据,并采用一组443 nm波段的航空偏振图像数据进行图像大气散射校正实验,实验结果表明该方法能有效地进行航空遥感图像的大气散射校正,从而提高了航空遥感图像的识别能力。     

微粗糙基底上多层涂层光散射偏振建模与特性研究

为满足多层涂层目标的偏振探测需求,基于一阶矢量扰动理论,结合偏振传输矩阵,建立微粗糙基底上多层涂层的光散射偏振双向反射分布函数模型,研究多因素影响下两种典型涂层目标,单层减反射涂层和多层高反射涂层的光散射偏振特性,结果表明单层减反射涂层目标的偏振度受观测位置影响,峰值左侧的偏振度较之裸基底增大,右侧反之,探测不同观测角下的偏振度可区分无涂层和涂层目标。不同观测角和入射波长下,多层高反射涂层目标的偏振度与涂层层数和涂层光学厚度显著相关,层数增加,多层涂层在镜反射附近具有去偏作用。仿真结果符合测量数据,验证了多涂层目标散射偏振模型的正确性与合理性,为实现多涂层目标偏振探测和反射隐身技术提供理论依据。     

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。     

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.     

Polarization preservation in diffusive scattering from in vivo turbid biological media: effects of tissue optical absorption in the exact backscattering direction

There is considerable recent interest in using polarized light to investigate turbid biological media. Although tissue multiple scattering randomizes incident polarization states, there are circumstances when appreciable degree of polarization can be observed in diffusive scattering. In this study, we use polarization modulation and synchronous detection to examine in the exact backscattering direction the polarization properties of diffusely reflected visible light from hands of human volunteers of varying pigmentation levels. The surviving polarization fraction increases with increasing pigmentation, likely due to preferential loss of highly scattered, long-pathlength photons; this mechanism lowers the average pathlength traversed by the detected light and hence increases the measured polarization preservation. This behavior is contrasted with the overall diffuse reflectance intensity, whose magnitude decreases with increasing absorption. These experiments demonstrate the important influences of medium optical properties on the polarization characteristics of multiply scattered light, which must be further investigated to enable quantitative polarization evaluation of turbid media such as biological tissues.     

低空遥感平台下可见光与多光谱传感器在水稻纹枯病病害评估中的效果对比研究

高效无损地评估农作物病害等级,对于实际农业生产和研究都具有重要意义。研究探讨了基于低空无人机遥感平台进行水稻纹枯病病害等级评估的可行性,分析可见光与多光谱传感器的光谱响应差异及其对感病水稻光谱反射率获取的影响,并定量对比两种传感器的病害监测效果。实验研究区由67个不同品种的水稻小区组成,每块小区均分为相接的纹枯病接种区和侵染区。以大疆精灵Phantom 3 Advanced小型消费级无人机作为搭载平台,分别搭载该无人机系统自带的可见光传感器和MicasenseRedEdgeTM多光谱传感器获取遥感影像。同时,通过植保专家现场调查的方式识别病害等级,并利用Trimble公司的手持式NDVI测量仪获取实测NDVI值。基于影像拼接、波段叠合、辐射校正后的预处理结果,对可见光图像的接种区和侵染区共134个小区计算七种可见光植被指数,即NDI（normalized difference index）, ExG（excess green）, ExR（excess red）, ExG-ExR,B*,G*,R*,多光谱图像除上述可见光指数外再计算NDVI（normalized difference vegetation index）, RVI（ratio vegetation index）和NDWI（normalized difference water Index）三种多光谱植被指数。将计算得到的图像植被指数与地面实测NDVI进行相关性分析,以选取两种传感器的最优图像植被指数建立水稻纹枯病病害等级反演模型。相关性分析结果表明,基于多光谱传感器计算的图像NDVI与实测NDVI拟合度最高,接种区R2为0.914,RMSE为0.024,侵染区R2为0.863,RMSE为0.024。对于可见光传感器,NDI与实测NDVI的相关性最好,接种区R2为0.875,RMSE为0.011,侵染区R2为0.703,RMSE为0.014。比较两种传感器两种区域的同一图像植被指数与实测NDVI的一致性,除B*外,NDI,ExR,ExG-ExR,G*,ExG,R*与实测NDVI基本属于高度相关,在病害严重的接种区,两种传感器对水稻纹枯病的监测效果相近,但在病害相对较轻的侵染区,多光谱传感器的监测更为精确灵敏。基于多光谱图像NDVI建立的病害等级反演模型,R2达到0.624,RMSE为0.801,预测精度达到90.04%,模型效果良好。而基于可见光图像NDI建立的反演模型,R2为0.580,RMSE为0.847,预测精度为89.45%,效果稍差。对比分析可见光与多光谱传感器的光谱响应曲线,可见光传感器可获取可见光范围的红、绿、蓝三个波段,波段范围互相重叠,多光谱传感器包含五个成像单元,可独立获取从可见光到近红外的五个窄波光谱波段,提供更加准确的光谱信息。比较传感器获取的接种区和侵染区水稻平均反射率曲线得出,多光谱传感器不仅在可见光波段反映了较可见光传感器更强的差异,在红边和近红外波段差异则更加明显,这说明专业窄波段传感器在病害监测方面较宽波段消费级传感器更有优势。综上所述,基于可见光与多光谱传感器的低空无人机遥感平台进行水稻纹枯病病害等级评估是可行的,多光谱传感器精确灵敏,可用于纹枯病的早期监测,可见光传感器效果稍差但经济易于推广。研究结果为病虫害防治提供决策支持,有助于推动实现精准农业,保障粮食安全。     

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。     

基于偏振反射模型和随机森林回归的叶片氮含量反演

叶片氮含量极大程度上影响植被生物化学过程,有重要的研究意义。利用机载高光谱数据反演叶片氮含量在农业遥感领域有广泛应用,但其反演精度不能完全满足精细农业的需要,有一定提升空间。叶片氮含量遥感反演精度受机理误差和算法误差的影响,机理误差主要来源于叶片表面反射。传感器探测到的反射辐射既包含叶片内部多次散射,又包含叶片表面镜面反射部分,只有前者是携带叶片内部生化组分（如氮含量）信息的,由于后者是入射光在叶表蜡质层发生的直接反射,因此该部分并不携带叶片内部信息。根据菲涅尔定律,叶表镜面反射是部分偏振的,而内部散射是非偏振的,因而通过偏振反射建模可部分去除叶表镜面反射影响,以消除机理误差。算法误差主要来源于不同氮含量反演算法对于高光谱数据挖掘能力的差别。比较了偏最小二乘法、主成分回归、支持向量机、K-近邻算法和随机森林回归在高光谱叶片氮含量反演中的表现,在调整算法参数之后,选择使用随机森林回归算法以减少高光谱反演算法误差。以常绿针叶林、落叶阔叶林和针阔混交林为研究对象,利用多角度偏振卫星POLDER/PARASOL的多光谱数据库构建二向偏振反射模型,用以模拟和分析研究区森林的偏振反射率;从HySpex传感器系统获取的机载高光谱数据中去除偏振反射率带来的光谱机理误差,以实现叶片氮含量的精确反演。以均方根误差为主要指标评估精度变化可获得以下结论：在高光谱叶片氮含量反演中,消除偏振反射率带来的机理误差后,各算法反演精度均有提升,平均提升了4.244%。其中,随机森林回归可以最大程度减小反演算法误差（可决系数达到0.803,均方根误差达到0.252）,且对光谱偏振信息最为敏感,去除偏振后精度提高了13.103%。相比于广泛使用的偏最小二乘算法,去除光谱机理误差并减小反演算法误差后,叶片氮含量反演精度整体提高了32.440%。该研究实现了基于机载高光谱数据的叶片氮含量精确反演,证明了在叶片氮含量反演中去除偏振反射率的必要性,体现了在高光谱氮含量反演中随机森林算法的应用潜力。     

基于色散偏振度的乳化油光谱检测系统研究

以色散偏振光谱检测技术为背景,着重研究了乳化油颗粒的偏振光学特性及米散射物理模型,构建了色散偏振度光谱检测系统。在400～700nm波长范围内,分别对四种样品进行了301个波段的光谱反射率采集。结合贝塞尔函数和汉克尔函数,推导出了入射光波长与散射光偏振振幅矢量的关系,提取了一个新的特征参数：色散偏振度(DODP)。在暗室条件下,对乳化油样品ND18和ND75进行测量,利用色散偏振公式计算出了样品在各测量波长处的偏振度值,验证了基于DODP值检测乳化油的可行性。研究发现,虽然米散射的解是由单个球体的衍射推导而来,但是只要它们的直径和组成相同,且彼此之间的距离比波长大,也同样可以用于任意数量的球的衍射。在这种情况下,被不同球体散射的光之间没有相干的相位关系,总散射能量等于被一个球体散射的能量乘以它们的整数。当观测平面与入射波电矢量振动方向之间的夹角φ=0或者φ=π/2时,散射光分量E⁽(s))_θ或者E⁽(s))_φ消失。由于ND18的粒径比ND75的粒径小,所以ND18的前向散射波瓣较大,前向散射与后向散...     

水体背景对湿地水生植物冠层光谱影响研究

水生植被是湿地生态系统的核心,也是影响湿地生态系统功能的最主要因素。近年来,卫星遥感技术在湿地植被资源调查、分类和保护等领域中已得到广泛的应用。由于水生植被独特的生长环境,其冠层光谱会受到水体背景要素包括大气—水界面、水中浮游生物以及泥沙含量、透明度、水体深度、底质和其他光学活性成分的影响,因此遥感技术应用于湿地水生植被冠层光谱研究时,需考虑到水生植被不同于陆生植被的生长环境,这一点在以往的相关研究中并没有得到应有的重视。以典型的挺水植物鸢尾(Iris tectorum Maxim)为研究对象,模拟湿地水生植被的生长环境,使用地物光谱仪测定了鸢尾植被冠层在不同水深梯度背景下的光谱反射率(400~2 400 nm)。实验结果表明,背景水深与鸢尾冠层反射率之间存在着显著的负相关性,其中可见光波段绝对相关系数在0.9以上,近红外波段的绝对相关系数在0.8以上。在可见光和近红外波段,随着背景水深的增加,鸢尾冠层反射率下降均比较明显。最后分别依据可见光和近红外区域相关性最高的波段(505,717,1 075和2 383 nm)建立了背景水深与冠层反射率之间的线性方程,并得出了相关参数。