CN103942431B - 一种面向遥感地物的双向反射率分布的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种面向遥感地物的双向反射率分布的建模方法。本发明采用照度计与三维云台组合构成测量装置，在固定的太阳天顶角情况下，通过云台的转动模拟观测角变化，获得不同观测角下的地物照度；然后以接收器方位角为0度时的测量数据为标准，计算其余方位下的反射率与标准数据的比值，完成相对反射率的计算；之后用最小二乘法参数拟合的方法得到双向反射率分布模型中的待定参数。本发明加入了天顶角的三次方，使形态更为丰富，同时加入传感器方位角的平移量，通过拟合可以得出合适的平移参数，使得模型最大值的位置根据太阳天顶角的变化而变化，其反射率分布更符合实际情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向遥感地物的双向反射率分布的建模方法。
背景技术
遥感成像尤其是多时相遥感成像总要受一些因素的影响，如太阳天顶角、传感器观测角、地面物体因季节变化、土地用途的改变、大气的吸收与散射效应等。为了减弱或消除这些因素的影响，需要对遥感地物的反射率建立模型，双向反射率分布模型（BRDF）是描述这一特性的有用工具。按照是否有物理依据及所依据的物理原理的不同，BRDF可以分为三类：辐射传输模型、几何光学模型、经验/半经验模型。
（1）辐射传输模型
辐射传输模型是基于电磁场理论，根据所研究表面的基本特征设置边界条件，通过求解方程得到的模型。在这种模型下将地面物体抽象为粗糙表面，这种表面在太阳直射导致的平行光和空气散射导致的杂散光等的照射下所产生的散射波就构成它在遥感成像中的BRDF表现。表面的散射特性是由它的几何和电介质特性决定的。鉴于实际问题的复杂性，只有当粗糙表面参数、电介质和电磁波的频率符合某些条件时才会得到令人满意的解。
典型的辐射传输计算方法有三种：高频近似法、积分方程法、以及严格的经典解法。比较常见的几何绕射法，物理光学法，等效电磁流法，物理绕射法等都属于高频近似方法范畴。这些方法的理论基础都是电磁场三色理论。并行使用高频和低频的近似方法在上世纪六十到七十年代被开发，当时研究者们在尝试解决随机粗糙物体表面的波散射问题时使用。基于物理光学方程或是基尔霍夫方程，得到的高频近似解比较符合后向散射发生在光波以小角度入射时的情况。针对入射角度较大的情况，采用微扰法的一阶解得到的低频近似解可以非常好地与实际状况相符。
针对地球表面各种地貌地形（包括但不限于海水、冰、森林、沙漠等）的波散射的研究中都可以充分利用积分方程法来得到适合大幅度的粗糙尺度范围的后向散射系数。不仅如此，积分方程法的散射公式还利用对单次散射模式的修正提出了针对随机粗糙表面介质的光波散射不可缺少的高权重组成部分——多重散射。此后，严格的电磁场理论被众多专家深入探索并希望从中得到预测后向增强现象的方法。例如：在交叉极化的后向散射中，散射波与粗糙表面的相关性是引起后向增强效应的主要原因之一，这现象在粗糙表面介质的光波散射中非常常见。
通过严格的电磁场理论所得到的模型固然有很高的可靠度，但过程十分麻烦，并且每一种模型的适用范围很窄，人们更多的时候所需要的是有普遍适用性并与实验数据有较高吻合度的模型，而不是一味追求高精度，因此到了二十世纪末，研究者们开始努力寻找简单而有效的模型来模拟高频范围的光波散射，这其中激光散射模型取得了较大的成功。这种模型以积分方程模型为基本框架，但对原模型当中的遮蔽函数进行了改进，能够成功模拟大粗糙表面。
上述模型公式虽然可以在其应用范围内可以很好的模拟实际情况，但其应用范围却十分有限。首先，实际物体的表面是十分复杂的，难以进行数学上的表述，也就极大的增加了根据电磁场理论求解方程的难度；此外，实际应用中尤其是在遥感成像的应用中不可能到所观测的地域测量相关长度、表面均方高度等物理参数。为摆脱以上因素的制约，人们在上述模型的基础上发展了其他计算目标表面反射系数的方法来方便实际工程的应用。
（2）几何光学模型
在几何光学模型中，实际物体的粗糙表面根据自身的统计特性被抽象为由许多数学上可描述的小面元构成的拼接体。构成物体表面的小面元与地物的表面正切并且遵守菲涅尔反射定律，它们的统计结果就构成了随机粗糙表面的光散射特性。与表面的菲涅尔反射函数、遮蔽函数以及小面元的分布函数有关的镜反射项以及服从朗伯散射定律的漫反射项两者线性组合得到的数学公式即为几何光学模型。针对具有某种特性的表面进行抽象和概括，得出一系列关于这一类表面的基本假设，基于这些假设可以得到相应的BRDF模型。
（3）经验/半经验模型
物理模型的确能得到精确的结果，并且有很强的理论依据，但是实际物体的表面的复杂性是难以估量的并且有很多的中间结构表面，并不是都能够与模型所基于的一系列假设相符合，因此物理模型能够应用的范围有限。于是经验模型被人们发明出来以解决上述问题。
经验模型是通过实测的反射实验，得到关于某一种表面大量的数据，利用基本函数构造出的数学模型，并根据实验数据进行拟合进而不断修改基本函数的类型和参数而得到的。经验模型大大扩展了BRDF模型所能描述的范围。例如，五参数模型将地面物体的粗糙表面抽象为由许多小面元组成，其中每个小面元的法线方向在上半球空间，在不考虑衍射现象和微观平面之间的多次反射的情况下微观表面镜面反射的总和构成粗糙表面的光散射，再加上漫反射分量来表示地物近表层的辐射散射，对于大粗糙度表面（如建筑物、路面、沙地等）可以较好地描述；Staylor&Suttles模型根据大量的测量数据总结出线性与非线性相加的函数表达式，一般用于沙漠干旱地区环境以及粗糙但分布均匀的水泥地面的模拟；Walthall模型为天顶角和观测角的二次方形式，具有互易性的特点，广泛用于模拟均匀植被、裸土、沙漠和水泥地面等粗糙表面的反射。虽然经验/半经验模型不是万能的，很多现象不能模拟，但是作为一种简单有效的工具，这种模型无疑是一种大有前途的方法，现在还有很多学者致力于不断完善和发展，本发明建立的模型也属于种经验/半经验模型的范畴。
发明内容
本发明的目的是提供一种双向反射率分布的建模方法，通过实测的照度数据进行反射率转换，并用参数拟合的方法得到双向反射率分布模型方程。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
采用照度计与三维云台组合构成测量装置，在固定的太阳天顶角情况下，通过云台的转动模拟观测角变化，获得不同观测角下的地物照度；然后以接收器方位角为0度时的测量数据为标准，计算其余方位下的反射率与标准数据的比值，完成相对反射率的计算；之后用最小二乘法参数拟合的方法得到双向反射率分布模型中的待定参数，即下式中的p1～p5。
本发明具有的有益的效果是：
通过本发明的方法建立的双向反射率分布模型与常规的经验/半经验模型相比，加入了天顶角的三次方，使形态更为丰富，同时加入传感器方位角的平移量，通过拟合可以得出合适的平移参数，使得模型最大值的位置根据太阳天顶角的变化而变化，其反射率分布更符合实际情况。
附图说明
图1是本发明的测量装置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例采用照度计与三维云台组合构成测量装置，测量装置中用柯尼卡美能达公司生产的T-10M型照度计作为接收仪器，其光谱范围为320至720纳米，精度为±3%。三维云台为808RC4型，俯仰范围-30°～+90°，方位方向旋转范围360°，角度分辨率：5°。
如图1所示，太阳以一定的天顶角θi入射到地面上的待测区域，接收器在一定的方位上接收，这个方位通过两个参数来描述：观测角θr，以及接收器相对于太阳光的方位角接收器接受到的数据为地面上某一区域反射来的光通量Ar，同时使用照度计测得该区域上接收到的太阳光的照度为a0，这一区域面积为S，相对于接收器有较小的空间角。那么该区域向着接收器所在方位的反射率为f
然后以接收器方位角为0度时的反射率为标准，计算其余方位下的反射率与标准数据的比值，完成相对反射率的计算。
之后用最小二乘法参数拟合的方法得到双向反射率分布模型中的待定参数，即下式中的p1～p5。
通过本发明的方法建立的双向反射率分布模型与常规的经验/半经验模型相比，加入了天顶角的三次方，使形态更为丰富，同时加入传感器方位角的平移量，通过拟合可以得出合适的平移参数，使得模型最大值的位置根据太阳天顶角的变化而变化，其反射率分布更符合实际情况。表1给出了几种常规的经验/半经验模型与本发明建立模型的效果对比，通过与实测数据的对比可见，在几种太阳天顶角下，本发明建立的模型反射率分布与实测反射率的根均方差较小，所建立的模型最为精确。
表1各种理论模型与实测数据的均方根差
| 太阳天顶角 | 43度 | 52度 | 61度 | 68度 |
| Staylor&Suttles模型 | 0.0327 | 0.0449 | 0.0537 | 0.0649 |
| Walthall模型 | 0.0539 | 0.0668 | 0.0623 | 0.0712 |
| 五参数模型 | 0.0656 | 0.0622 | 0.0657 | 0.0812 |
| 本发明所建模型 | 0.0450 | 0.0199 | 0.0315 | 0.0206 |
Claims (1)
1.一种面向遥感地物的双向反射率分布的建模方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
第一步，采用照度计与三维云台组合构成测量装置，获得不同观测角下的地物照度；所述的测量装置中，三维云台带动照度计在俯仰方向和方位方向转动模拟观测角变化，获得不同观测角下的地物照度；
第二步，以接收器方位角为0度时的测量数据为标准，计算其余方位下的反射率与标准数据的比值，完成相对反射率的计算；
第三步，用最小二乘法参数拟合的方法得到双向反射率分布模型中的待定参数，从而完成建模；
所述的双向反射率分布模型为：
其中θi表示太阳的天顶角，θr表示观测角，表示太阳光的方位角，p1、p2、p3、p4和p5分别表示待定的参数。
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