CN107505289A - 一种基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法 - Google Patents

一种基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，包括以下步骤：S1：高精度地形沙盘模型的制作及逼真度检查；S2：地形沙盘模型的多角度观测；S3：地形沙盘模型的BRF提取；S4：BRF数据的分析及使用。本发明的有益效果在于，提供一种基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，可实现多角度、近同时相、较大尺度下地表方向性反射率的测量。

Description

一种基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法
技术领域
本发明涉及遥感的真实性检验领域，特别是涉及一种基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法。
背景技术
双向性反射分布函数(BRDF)常被用来描述非朗伯表面的方向性反射特性。1977年，Nicodemus曾给出它的定义：
其中，单位为1/sr(球面度-1)。dEs(Ωs)表示在一个微分面积元dA上，由于Ωs这个微分立体角内辐射亮度Ls(Ωs)的增量所引致的dA上辐照度的增量。dLv(Ωv)则是由于增量dEs(Ωs)引起的Ωv方向上辐亮度的增量。双向性反射因子(BRF)是指相同条件下，观测地物与理想朗伯体反射的辐射通量之比，在数值上等于BRDF乘以π，是一个无量纲量。BRDF和BRF不仅包含了地表的生物、物理信息，可以用于反演如LAI、FPAR等植被参量，同时能够对不同角度下的卫星观测数据进行角度订正，具有重要研究意义。
目前，基于卫星数据的模型反演是快速获取空间大尺度BRDF信息的主要途径。首先，卫星通过多角度传感器获取几个方向的地表反射率。例如，通过MODIS的多角度观测获取方向性反射率。但由于它基于宽视场角和多时相数据的组合，未能考虑不同时间条件下地表和大气状况的差异。近年来随着同步多角度观测技术的发展，出现如ATSR-2、POLDER和MISR等具有多角度、近同时相、窄波段数据的传感器，可以更准确地获取多角度的方向性反射率数据。
然而，卫星获取地表反射率信息仍有很多不确定性，对其结果进行真实性验证具有重要意义，它是遥感模型精度评价和改进的主要依据。就平坦地表而言，人们提出两种方法用于真实性检验：地面测量法和计算机模拟法。
地面测量法主要依赖多角度观测系统获取不同方向的地表反射率。目前，国内外学者已经研制出多种观测装置，主要分为两类：一是固定目标模式，即在半球空间内转动传感器，使其从一个特定距离对目标进行观测，不同角度观测的对象近似相同；二是固定平台模式，即传感器在一个静止的平台上向不同角度进行观测，不同角度观测的是不同对象，因此要求地表具有良好的均质性。这些装置被广泛用于平地、空间小尺度BRDF的获取。
计算机模拟法是借助计算机图形学方法产生三维真实植被结构，采取辐射度法或蒙特卡洛光线追踪等方法模拟植被结构内部的吸收、反射和透射过程，可以准确地描述三维场景结构及植被冠层反射辐射分布特性，因此，计算机模拟结果也经常作为BRDF数据获取的一种有效途径。然而计算机模拟模型的计算过程较为复杂、速度慢，无法批量模拟BRDF。
对于复杂地形区，卫星BRDF数据进行验证对，传统的地面多角度测量装置由于装卸困难难以适用，计算机模拟复杂性比平地更高，不适用于大范围验证。因此，本发明旨在提出一种借助高精度地形沙盘获取山地方向性反射率的方法。作为微缩景观模型的代表之一，沙盘将大尺度的地表按一定比例尺微缩于案几之上，可在一定条件下重构山区粗象元内的光照分布、相互遮蔽情况，从而能够模拟方向性反射率受地形起伏的影响。近年来，随着实体沙盘制作工艺的提高和电子沙盘技术的发展，基于沙盘的定量化研究逐渐涉及各领域。因此，多角度测量系统和地形沙盘模型的结合为山地方向性反射率测量提供了新的思路。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，可实现多角度、近同时相、较大尺度下地表方向性反射率的测量。
本发明提供了一种基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，包括以下步骤：
S1：高精度地形沙盘模型的制作及逼真度检查；
S2：地形沙盘模型的多角度观测；
S3：地形沙盘模型的BRF提取；
S4：BRF数据的分析及使用。
进一步的，所述步骤S1中所述高精度地形沙盘模型的制作及逼真度检查具体包括以下步骤：
S11、获取研究区高精度DEM，计算缩放比例，确定与实际地表状况相符的材料反射率，制作能体现研究区地形、地貌及基本地表特征的地形沙盘模型；
S12、检查沙盘模型的DEM是否能够较好地反映研究区真实地表起伏状况，检查沙盘表面的反射率曲线是否能够最大程度地模拟山区地表反射特性。
进一步的，所述步骤S2中所述地形沙盘模型的多角度观测包括以下步骤：
S21、首先，针对沙盘模型制作多角度、多光谱、实时可控的观测装置。；
S22、其次，确定观测方案，包括观测角度的确定、观测条件的要求及观测人员的安排；
S23、实施观测方案，记录观测环境参数，确定观测视场范围，利用多角度装置对沙盘模型进行观测。
进一步的，所述步骤S23中所述环境参数包括观测地点、观测时间以及观测天气状况。
进一步的，所述步骤S3中所述地形沙盘模型的BRF提取具体包括以下步骤：
S31：基于摄影测量原理，利用多角度观测照片重建沙盘三维点云；
S32：在点云上选择感兴趣区，记录角点坐标并将其投影至照片拍摄方向；
S33：在各照片中绘制相应的感兴趣区，计算感兴趣区内不同波段的DN均值；
S34：测量参考板反射率；
S35：选取与沙盘照片拍摄时间相近的参考板照片，绘制感兴趣区，计算DN均值；
S36：计算方向性反射率，根据下面的公式计算某一波段下沙盘的方向性反射率：
其中：表示一定入射和观测角度下某一波段的沙盘DN值，表示对应的参考板DN值，Rref(λ)表示对应波段下的参考板反射率。
进一步的，所述步骤S4中所述BRF数据的分析及使用具体为：利用基于地形沙盘模型获取的BRF数据检验遥感模型反演得到相应角度的BRF数据，验证、评价山地模型。
本发明具有以下优点和有益效果：本发明提供一种基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，其包括以下步骤：S1：高精度地形沙盘模型的制作及逼真度检查；S2：地形沙盘模型的多角度观测；S3：地形沙盘模型的BRF提取；S4：BRF数据的分析及使用，可实现多角度、近同时相、较大尺度下地表方向性反射率的测量；本发明中的地形沙盘可以逼真、可控地模拟地表起伏状况及光谱反射特性，实现将大尺度空间中的山区地表微缩于案几之上；借助这样的微缩，可抓住山区地表的地形和光谱这两个主要特征，并能以较低的时间、金钱和人力成本对复杂地形区开展实时可控的等效测量。此外，借助地面多角度观测系统搭载不同传感器载荷，能够对复杂地形区进行快速的近同时相的多角度、多光谱、多参数的测量，降低了因太阳方位改变带来的误差，可以有效地控制测量环境变化所带来的观测不确定性。本发明的另一优点是具有很好的扩展性，可根据不同地理位置制作不同规格尺寸的沙盘，避免了传统地面测量需要人员实际到不同山区进行观测的困难。综上，本发明通过对地形沙盘的多角度观测，实现方向性反射率的提取与计算，为大尺度复杂地形区BRDF地面真值的获取提供可能，对复杂地形区的遥感建模、反演、验证及时空扩展研究具有积极意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中制作的沙盘模型的示意图；
图2为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中沙盘模型的逼真度检验中沙盘DEM的示意图；
图3为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中使用的多角度观测系统的示意图；
图4为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中沙盘的观测示意图；
图5为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中参考模板的观测示意图；
图6为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中基于多角度照片生成的沙盘点云示意图；
图7为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中感兴趣区角点坐标记录示意图；
图8为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中投影至观测方向的感兴趣区示意图；
图9为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中沙盘感兴趣区主平面方向BRDF曲线示意图；
图10为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中沙盘感兴趣区垂直主平面方向BRDF曲线示意图；
图11-图13为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中沙盘感兴趣区BRDF极坐标图的示意图；
图14为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中基于计算机模拟方法的沙盘模拟场景示意图；
图15和图16为本发明实施例提供的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法中可视阴、阳坡图对比示意图(基于照片提取和模型计算的可视阴、阳坡)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1至图16所示：本发明实施例的一种基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，具体包括以下步骤：
一、制作沙盘模型
本发明实施例中的实验是利用大野口研究区的高精度DEM，等比例将其缩放为2米×2米，然后适当放大地形地貌及主要山脉。利用硬脂泡沫板制作山体，雕塑泥塑造山脉细节，仿真山体颜色但不做绿色植被，如图1所示。对沙盘模型进行高密度激光雷达扫描，将激光雷达点云加载进Cloud Compare软件，生成沙盘DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)，检验结果表明它能够较好地反映研究区真实地表起伏状况。对沙盘模型的材质进行光谱测量，根据检测结果与研究区真实地表反射特性的匹配程度调整山体的阴阳效果，如图2所示。
二、对沙盘模型进行多角度观测
1、设计多角度观测系统
本发明实施例中的实验所用的地面多角度观测系统主要由农用三轮车、多角度观测架、多角度观测车控制软件构成。其中，多角度观测架由电源箱、控制器、支架、弧状转臂、连接线、电机组成；利用控制软件，可以方便地实现对多角度观测车的控制、校正、监控及数据的获取与查看。通过多角度观测系统，能够测量几个至几十个方向上的目标二向性反射率，如图3所示。
2、制定观测方案
以方位角从0°到360°、间隔30°，天顶角间隔10°进行沙盘观测，热点方向进行5°加密；对应沙盘的每一个观测方位角，进行一次参考板观测。选择地势平坦、开阔的区域架设多角度观测装置及沙盘模型，避免环境地形起伏及遮挡造成干扰；在天气状况良好且基本一致的条件下进行观测，避免大气状况差异引起误差。实验过程中，多角度观测车操作人员2名、记录及辅助人员3名。
3、实施观测方案
如图4所示，首先，测量及记录观测环境参数：①观测地点。本发明应用的试验区位于承德围场县塞罕坝北京大学生态站门口附近(周围地物：西侧为草地，东侧为湿地，北侧为建筑物，南侧为单木)，利用GPS精确测量沙盘的观测位置为117.0675°E、42.2383°N(2014年)，117.30432°E、42.3987°N(2015年)；②观测时间。实验开展的时间为2014年8月14日、8月15日，2015年8月27、28、29日及9月13日，进一步记录每次观测的准确时刻，根据它和GPS记录的经纬度、海拔高度数据计算太阳位置；③天气状况。观测期间以晴朗天气为主，利用CE318装置进行全天空扫描，获取天空光比例因子，作为判断天气状况一致性的辅助依据。然后，对沙盘模型进行多角度观测：①固定视场范围，视场内沙盘模型占据主要部分；②沙盘多角度照片拍摄。利用多角度观测系统搭载的SONYNEX-5R相机从90个不同的角度进行拍摄，获取了600个方向的沙盘照片、76个时刻的参考板照片(图5)。拍摄时，在相同观测方位保证相机曝光量相同、平均观测时长10分钟、对应至少1次参考板观测，如下表1，目的是减小太阳位置改变、环境亮度和相机进光量差异带来的误差。
表1沙盘及参考板观测数据统计
三、提取沙盘模型的BRF，具体包括以下步骤：
1、将同一太阳方位角、天顶角下拍摄的所有照片加载进photo scan软件，利用多角度照片生成同名相对，基于摄影测量原理重建沙盘三维点云，如图6所示。
2、将沙盘点云文件加载进Cloud Compare软件，记录感兴趣区的4个三维角点坐标，如图7所示。
3、根据照片和点云的坐标系关系，计算投影至沙盘照片拍摄方向的二维角点坐标，绘制由二维角点坐标构成的感兴趣区，如图8所示。
4、对于每张沙盘照片，分别计算感兴趣区内R、G、B三个波段的DN均值；对于相应的参考板照片，选取任意合适的感兴趣区，分别计算R、G、B三个波段的DN均值。
5、测量参考板在R、G、B三个波段下的反射率。
6、根据下列公式
其中：表示一定入射和观测角度下某一波段的沙盘DN值，表示对应的参考板DN值，Rref(λ)表示对应波段下的参考板反射率，计算方向性反射率，绘制主平面(如图9所示)和垂直主平面方向(如图10所示)的BRDF曲线。在图9中，主平面前向的天顶角为正，后向反射率大于前向，体现出热点效应；在图10中，垂直主平面近北侧的天顶角为正，随天顶角增加，BRDF呈增加趋势。若观测平面数目较多，可通过插值绘制BRDF极坐标图，如图11-13所示。
四、分析、使用BRF数据，以山地辐射传输模型的验证为例
1、分析BRF数据的合理性。利用基于蒙特卡洛光线追踪的计算机模拟方法计算沙盘BRF(如图14所示)，与相应角度下测量得到的BRF进行对比。
2、利用沙盘数据验证山地辐射传输模型和合理性：
①可视阴、阳坡对比。根据沙盘照片提取可视阴、阳坡，利用模型计算沙盘观测方向的可视阴、阳坡，如图15和图16所示；
②BRF对比。利用模型计算沙盘观测方向的BRF，通过插值绘制BRDF极坐标图，并与基于沙盘观测得到的BRDF极坐标图进行对比。
本发明实施例提供一种基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，其包括以下步骤：S1：高精度地形沙盘模型的制作及逼真度检查；S2：地形沙盘模型的多角度观测；S3：地形沙盘模型的BRF提取；S4：BRF数据的分析及使用，可实现多角度、近同时相、较大尺度下地表方向性反射率的测量；通过上述步骤，本发明中的地形沙盘可以逼真、可控地模拟地表起伏状况及光谱反射特性，实现将大尺度空间中的山区地表微缩于案几之上；借助这样的微缩，可抓住山区地表的地形和光谱这两个主要特征，并能以较低的时间、金钱和人力成本对复杂地形区开展实时可控的等效测量。此外，借助地面多角度观测系统搭载不同传感器载荷，能够对复杂地形区进行快速的近同时相的多角度、多光谱、多参数的测量，降低了因太阳方位改变带来的误差，可以有效地控制测量环境变化所带来的观测不确定性。本发明的另一优点是具有很好的扩展性，可根据不同地理位置制作不同规格尺寸的沙盘，避免了传统地面测量需要人员实际到不同山区进行观测的困难。综上，本发明通过对地形沙盘的多角度观测，实现方向性反射率的提取与计算，为大尺度复杂地形区BRDF地面真值的获取提供可能，对复杂地形区的遥感建模、反演、验证及时空扩展研究具有积极意义。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：高精度地形沙盘模型的制作及逼真度检查；
S2：地形沙盘模型的多角度观测；
S3：地形沙盘模型的BRF提取；
S4：BRF数据的分析及使用。
2.根据权利要求1所述的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，其特征在于，所述步骤S1中所述高精度地形沙盘模型的制作及逼真度检查具体包括以下步骤：
S11、获取研究区高精度DEM，计算缩放比例，确定与实际地表状况相符的材料反射率，制作能体现研究区地形、地貌及基本地表特征的地形沙盘模型；
S12、检查沙盘模型的DEM是否能够较好地反映研究区真实地表起伏状况，检查沙盘表面的反射率曲线是否能够最大程度地模拟山区地表反射特性。
3.根据权利要求1所述的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中所述地形沙盘模型的多角度观测包括以下步骤：
S21、首先，针对沙盘模型制作多角度、多光谱、实时可控的观测装置。；
S22、其次，确定观测方案，包括观测角度的确定、观测条件的要求及观测人员的安排；
S23、实施观测方案，记录观测环境参数，确定观测视场范围，利用多角度装置对沙盘模型进行观测。
4.根据权利要求3所述的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，其特征在于，所述步骤S23中所述环境参数包括观测地点、观测时间以及观测天气状况。
5.根据权利要求1所述的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中所述地形沙盘模型的BRF提取具体包括以下步骤：
S31：基于摄影测量原理，利用多角度观测照片重建沙盘三维点云；
S32：在点云上选择感兴趣区，记录角点坐标并将其投影至照片拍摄方向；
S33：在各照片中绘制相应的感兴趣区，计算感兴趣区内不同波段的DN均值；
S34：测量参考板反射率；
S35：选取与沙盘照片拍摄时间相近的参考板照片，绘制感兴趣区，计算DN均值；
S36：计算方向性反射率，根据下面的公式计算某一波段下沙盘的方向性反射率：
其中：表示一定入射和观测角度下某一波段的沙盘DN值，表示对应的参考板DN值，Rref(λ)表示对应波段下的参考板反射率。
6.根据权利要求1所述的基于地形沙盘的山地方向性反射率的测量方法，其特征在于，所述步骤S4中所述BRF数据的分析及使用具体为：利用基于地形沙盘模型获取的BRF数据检验遥感模型反演得到相应角度的BRF数据，验证、评价山地模型。
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