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.     

空间相机常用金属材料表面的BRDF特性

为保证空间相机热设计中表面辐射换热计算准确可靠,基于两种金属材料的光学常数,结合Monte Carlo射线跟踪法应用几何光学近似对其粗糙表面的双向反射分布函数(BRDF)进行了研究。分析了不同入射光波长、不同入射角度及不同表面粗糙度对金属铝和钛材料粗糙表面的BRDF的影响。结果表明,金属铝和钛材料粗糙表面的BRDF分布具有明显的镜反射特征,入射平面内的BRDF峰值随入射光波长增加而增大,在本文研究的波长范围内,钛表面的BRDF随入射光波长增大的增幅最高达到41.0%,远高于铝表面的8.7%。当表面粗糙度较大时,光子在粗糙表面内会经历多次散射,粗糙表面内多次散射光子数比例随着表面粗糙度的增大而增加,并且随着入射角度的增大具有增加的趋势。     

花岗岩表面双向反射分布函数实验研究

本文介绍了双向反射分布函数(BRDF)的概念及测量方法。首先对典型建筑材料中的某种花岗岩表面进行了表面粗糙度的测量,并在现有条件内通过转动样片和探测器,实现了空间BRDF的测量,测量波段分别为0.6328 μm和1.34 μm,分析了表面粗糙度对BRDF的影响。     

基于双旋延迟器结构的偏振BRDF测量系统的设计

偏振双向反射分布函数（BRDF）不仅可以表示物体散射光辐强度的空间分布情况,还包含了丰富的偏振信息。与标量BRDF相比,偏振BRDF可以更加精确地、全面地表示物体表面的光散射情况。设计了基于双旋延迟器结构的偏振BRDF测量系统,通过同步旋转波片调制入射光和散射光的偏振态,得到一系列变化的光强值,再由光强的Fourier分解系数计算获得样品的偏振BRDF值。系统内设计了一对正交反射镜,用以减小系统中器件后向散射光的影响。通过铝板偏振BRDF的测量,说明了该系统具有较高的准确性。     

可变温条件下材料表面的双向反射分布函数测量

基于双向反射分布函数单一参考测量法的测量原理,研制了一套测量温度最高可达500℃的双向反射分布函数测量系统。系统利用转角装置来实现不同角度位置的变换,用加热炉对试样进行加热,采用模糊PID控制器进行温度的控制。在25℃～500℃的温度范围内,对铜表面的双向反射分布函数进行了测量实验,光源采用可见光波长0.6328μm,功率约8mW的He-Ne激光器,选用Si1336-5BK光电探测器。实验表明：随着试样表面温度的升高,铜表面的BRDF测量值发生了改变;在温度上升或下降到同一温度时,铜表面的BRDF测量值不同。最后,对实验现象的形成机理进行了深入分析。上述实验结论对材料表面空间反射特性的研究具有重要意义。     

植物BRDF研究及应用进展

植物叶片是植物光合作用的重要器官,直接体现了植物生长及营养状况。植物叶片反射、透射的内部理化信息模型间接反映了植物生长过程中物质、能量交换信息,是植物生长过程精细化管理的前提和基础。植物叶片空间光学特性对基于遥感的作物营养状况诊断、虚拟植物光线传输模拟、计算机图形学场景渲染等领域具有重大意义。双向反射分布函数(BRDF)主要研究物体表面反射光的空间分布特性和光谱特性,通过对作物叶片光学特性的获取和测定,准确、高效地表征作物生长参数,并进行定量分析,在植被遥感、农业等领域的研究与应用中有着极大的优势。为了更好地把BRDF技术应用于农业遥感、数字农业等领域中,将针对BRDF测量装置、模型发展和分类及其在植物遥感检测中的应用等环节展开叙述。最后结合综述内容,分析了BRDF技术在农业遥感领域的局限,并对其应用前景进行了展望。     

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。     

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。     

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。     

光学镜面洁净度对激光传输特性的影响(英文)

光学系统性能的优劣与光学镜表面的散射情况息息相关.根据米氏理论并利用MATLAB软件,对可见光(0.632 8μm)、近红外光(1.053μm)和热红外光(10.6μm)三种激光在干净、基本洁净(洁净度200)、轻度污染(洁净度500)及重度污染(洁净度750)四种光学镜面洁净度下镜面的双向反射分布函数进行了模拟计算.结果表明:光学镜面的表面粗糙度和表面洁净度影响镜面的双向反射分布函数.进而对光学系统的性能会产生显著的影响,且波长越短,双向反射分布函数越大,散射越复杂.这为光学工程中光学镜面的污染评估和镜面清洁提供有益帮助.