CN109932341A - 野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法，包括在野外环境的不同观测几何条件下采用成像探测系统测量待测典型目标和标准板的自然光照射反射辐射强度；同时基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标和标准板的天空漫射光反射辐射强度；再根据自然光照射反射辐射强度和天空漫射光反射辐射强度对应获得待测典型目标和标准板的太阳直射光反射辐射强度；再根据比较测量法计算获得待测典型目标的双向反射比，根据所述双向反射比与双向反射分布函数模型之间的关系，获得待测典型目标的BRDF值。本发明能够有效降低天空漫射光对典型目标BRDF值测量所产生的影响，从而提高不同气候条件下典型目标的BRDF测量精度。

Description

野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法

技术领域

本发明涉及双向反射分布函数测量技术领域，尤其涉及一种野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法。

背景技术

光波与物质相互作用过程中产生的反射辐射现象，揭示了物质自身的固有属性。这种属性通常采用双向反射分布函数(BidirectionalReflectance DistributionFunction,BRDF)来表征，其定义为物体表面出射辐照度与入射辐照度之间的比值，表示不同入射条件下物体表面在任意观测角度的反射特性。双向反射分布函数是描述目标表面光空间反射特性的重要物理量，在地物遥感、目标散射特性、环境监测等领域有着广泛的应用。

从理论上来说，使用BRDF指标对某种目标进行描述时，需要测量目标在任意入射和观测几何条件下的反射信息，这需要通过大量的实测工作来获取大量的实测数据，显然无法满足实际工程要求。因此，需要能够基于有限的实测数据，结合相应的BRDF模型预测目标在任意条件下的BRDF值。目前，主流的BRDF模型基于微面元理论的半经验BRDF模型产生，所述半经验BRDF模型与目标材质的折射率、消光系数、表面粗糙度等参数有关。

在野外环境下对典型目标的方向反射特性进行测量时，来自2π空间内不同方向的大气散射光会使测量结果产生一定的误差。传统方法中扣除大气散射光影响的方法称为双遮挡法，该方法分别测量目标与标准板在未遮挡时和使用遮光板挡住太阳直射光时的反射辐射亮度，将两种光照条件下的测量结果对应相减，能够得到目标和标准板在太阳光直接照射时的反射辐射亮度；再据此结合比较测量法，可以得到典型目标的BRDF值。所述传统方法的优点在于晴朗天气条件下的测量精度较高，操作较为简便，但是需要两倍的测量工作量，测量周期较长；并且在多云、气溶胶浓度较高等散射较强的天气条件下，测量得到的典型目标BRDF值误差较大。

因此，针对以上不足，需要提供一种新的双向反射分布函数测量方法，能够减小测量工作量，并提高散射较强天气条件下的典型目标BRDF测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中典型目标BRDF的测量工作量大，并且在散射较强天气条件下的测量误差较大的缺陷，提供一种野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法，包括：

在野外环境的不同观测几何条件下采用成像探测系统测量待测典型目标自然光照射反射辐射强度和标准板自然光照射反射辐射强度；

同时基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度；

由所述待测典型目标自然光照射反射辐射强度和待测典型目标天空漫射光反射辐射强度计算获得待测典型目标太阳直射光反射辐射强度；由所述标准板自然光照射反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度计算获得标准板太阳直射光反射辐射强度；

再根据比较测量法计算获得待测典型目标的双向反射比，根据所述双向反射比与双向反射分布函数模型之间的关系，获得待测典型目标的BRDF值。

在根据本发明所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法中，所述待测典型目标自然光照射反射辐射强度L_tar为：

式中表示待测典型目标太阳直射光反射辐射强度，表示待测典型目标天空漫射光反射辐射强度，f表示待测典型目标的双向反射分布函数模型，E_sun表示太阳直射光辐射强度，L^diff表示天空漫射光辐射强度，θ_i表示入射天顶角，φ_i表示入射方位角；

所述标准板自然光照射反射辐射强度L_ref为：

式中表示标准板太阳直射光反射辐射强度，表示标准板天空漫射光反射辐射强度，ρ表示标准板方向半球反射率。

在根据本发明所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法中，所述基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度包括：

根据待测典型目标的测量时间及测量位置经纬度，结合太阳高度角计算公式，求解测量过程中对应的变化的太阳高度角。

在根据本发明所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法中，所述基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度还包括：

采用太阳辐射计同步采集待测典型目标测量过程中的大气透过率、地面辐照度，结合待测典型目标所处环境的气象条件和气溶胶类型，选定气溶胶粒子、大气模式及测量波长范围，确定大气辐射传输模型的大气参数。

在根据本发明所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法中，所述基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度还包括：

所述大气辐射传输模型包括MODTRAN辐射传输模型，将计算获得的太阳高度角和所述大气参数输入至MODTRAN辐射传输模型，从输出结果中获得全天空范围内天空漫射光辐射强度分布。

在根据本发明所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法中，根据所述测量波长范围确定双向反射分布函数模型的参数，所述参数包括：表面粗糙度、折射率及消光系数；将标准板的双向反射分布函数模型表示为方向半球反射率与π的比值；再结合全天空范围内天空漫射光辐射强度分布，获得待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度。

在根据本发明所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法中，所述双向反射分布函数模型包括五参量BRDF模型。

在根据本发明所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法中，所述待测典型目标包括典型涂层目标；所述标准板包括聚四氟乙烯板。

实施本发明的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法，具有以下有益效果：本发明方法将比较测量法与大气辐射传输模型相结合，来获得待测典型目标的BRDF值；它能够有效降低天空漫射光对典型目标BRDF值测量所产生的影响，从而提高不同气候条件下典型目标的BRDF测量精度，为空间目标探测、环境监测及定量遥感领域提供了一种新途径。

本发明方法能够有效扣除大气散射对典型目标BRDF测量结果的影响，使目标BRDF的测量不再受漫总比、能见度等严格气象条件的限制；本发明与传统测量中双遮档法相比，测量效率可提高1倍，并且整个测量过程中无需遮挡板的遮挡测量，减少了遮挡板的制作过程，提高了可操作性；由于不再依赖遮挡测量过程，有效地减少了天空漫射光对测量精度的影响，从而拓宽了典型目标BRDF测量的适应天气范围。

附图说明

图1为根据本发明的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法的示例性数据处理流程图；

图2为根据本发明的具体实施例的测量方位示意图；图中A表示待测典型目标，B表示成像探测系统。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

具体实施方式一、本发明提供了一种野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法，给合图1所示，包括：

在野外环境的不同观测几何条件下采用成像探测系统测量待测典型目标自然光照射反射辐射强度和标准板自然光照射反射辐射强度；

同时基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度；

由所述待测典型目标自然光照射反射辐射强度和待测典型目标天空漫射光反射辐射强度计算获得待测典型目标太阳直射光反射辐射强度；由所述标准板自然光照射反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度计算获得标准板太阳直射光反射辐射强度；

再根据比较测量法计算获得待测典型目标的双向反射比，根据所述双向反射比与双向反射分布函数模型之间的关系，获得待测典型目标的BRDF值。

本实施方式通过测量的方式获得测量待测典型目标和标准板的自然光照射反射辐射强度，所述自然光照射反射辐射强度包括由太阳直射光和天空漫射光共同产生的反射辐射强度；再通过计算的方式获得由天空漫射光产生的待测典型目标和标准板的反射辐射强度，将二者相减，获得相应条件下待测典型目标和标准板由太阳直射光产生的反射辐射强度。所述观测几何条件包括待测典型目标在半球空间内需要测量的角度；所述标准板与待测典型目标的测量条件相同。

作为示例，所述成像探测系统包括多光谱成像探测系统。

进一步，结合图1和图2所示，所述观测几何条件包括观测天顶角和观测方位角。

在野外实际测量中，需要预先设置测量的多个位置，所述位置用观测天顶角和观测方位角确定。例如，可预先设置多个观测方位角，对应于每个观测方位角，依次进行多个预设观测天顶角的测量。获得多组测量数据，可用于检验本发明方法的有效性。

结合图2所示，为观测天顶角和观测方位角设定的具体实例，它表示测量太阳主平面内不同观测天顶角下的方向反射特性，其中太阳主平面是指太阳、待测典型目标A及成像探测系统B在同一平面内，观测天顶角范围为0°至60°，以10°为间隔。沿圆周方向的四个角度可以是预先设置的四个观测方位角。

进一步，所述待测典型目标自然光照射反射辐射强度L_tar为：

式中表示待测典型目标太阳直射光反射辐射强度，表示待测典型目标天空漫射光反射辐射强度，f表示待测典型目标的双向反射分布函数模型，E_sun表示太阳直射光辐射强度，L^diff表示天空漫射光辐射强度，θ_i表示入射天顶角，φ_i表示入射方位角；

所述标准板自然光照射反射辐射强度L_ref为：

式中表示标准板太阳直射光反射辐射强度，表示标准板天空漫射光反射辐射强度，ρ表示标准板方向半球反射率，通常情况下，ρ值近似为1。

再进一步，结合图1所示，所述基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度包括：

根据待测典型目标的测量时间及测量位置经纬度，结合太阳高度角计算公式，求解测量过程中对应的变化的太阳高度角。

所述测量时间包括测量日期及测量时刻；本实施方式求解获得测量过程中太阳高度角的变化情况，作为后续计算的基础。

再进一步，所述太阳高度角θ_s的计算公式为：

式中表示测量位置纬度，η表示太阳赤纬角，t表示时间。所述太阳赤纬角η为赤道平面与太阳和地球中心连线的夹角；所述时间t可以转换为角度，1小时等于15°；

再进一步，结合图1所示，所述基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度还包括：

采用太阳辐射计同步采集待测典型目标测量过程中的大气透过率、地面辐照度，结合待测典型目标所处环境的气象条件和气溶胶类型，选定气溶胶粒子、大气模式及测量波长范围，确定大气辐射传输模型的大气参数。

所述太阳辐射计可以选用CE318型太阳辐射计，该辐射计能够输出气溶胶光学厚度和地面接收到的太阳直接辐射照度，利用该仪器同步采集测量过程中的大气透过率、地面辐照度；结合测量地点当时的气象条件和气溶胶类型，可以选用城市型气溶胶，中纬度大气模式；待测典型目标海拔高度0m，测量波长范围可选择为可见近红外波段，作为辐射传输模型的大气输入参数。

再进一步，结合图1所示，所述基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度还包括：

所述大气辐射传输模型包括MODTRAN辐射传输模型，将计算获得的太阳高度角和所述大气参数输入至MODTRAN辐射传输模型，从输出结果中获得全天空范围内天空漫射光辐射强度分布，即全天空范围内的L^diff分布。

再进一步，结合图1所示，根据所述测量波长范围确定双向反射分布函数模型的参数，所述参数包括：表面粗糙度、折射率及消光系数；标准板的双向反射分布函数模型可以表示为方向半球反射率与π的比值；再结合全天空范围内天空漫射光辐射强度分布，获得待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度。

所述双向反射分布函数模型的选取原则包括：能够描述待测典型目标的表面反射特性。

将采用成像探测系统测量获得的待测典型目标自然光照射反射辐射强度和标准板自然光照射反射辐射强度与获得的所述待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度对应相减，即得到待测典型目标和标准板仅在太阳光直接照射时的反射辐射强度。

再进一步，给合图1所示，所述双向反射分布函数模型包括五参量BRDF模型。

作为示例，所述待测典型目标包括典型涂层目标；所述双向反射分布函数模型f可以选用西安电子科技大学吴振森教授提出的五参量BRDF模型。

作为示例，所述标准板包括聚四氟乙烯板。

综上所述，本发明将比较测量法与辐射传输模型相结合实现对大气散射光的扣除，提高了散射较强天气条件下的典型目标BRDF测量精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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精神和范围。

Claims (8)

1.一种野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法，其特征在于包括：

在野外环境的不同观测几何条件下采用成像探测系统测量待测典型目标自然光照射反射辐射强度和标准板自然光照射反射辐射强度；

同时基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度；

由所述待测典型目标自然光照射反射辐射强度和待测典型目标天空漫射光反射辐射强度计算获得待测典型目标太阳直射光反射辐射强度；由所述标准板自然光照射反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度计算获得标准板太阳直射光反射辐射强度；

再根据比较测量法计算获得待测典型目标的双向反射比，根据所述双向反射比与双向反射分布函数模型之间的关系，获得待测典型目标的BRDF值。

2.根据权利要求1所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法，其特征在于：

所述待测典型目标自然光照射反射辐射强度L_tar为：

式中表示待测典型目标太阳直射光反射辐射强度，表示待测典型目标天空漫射光反射辐射强度，f表示待测典型目标的双向反射分布函数模型，E_sun表示太阳直射光辐射强度，L^diff表示天空漫射光辐射强度，θ_i表示入射天顶角，φ_i表示入射方位角；

所述标准板自然光照射反射辐射强度L_ref为：

式中表示标准板太阳直射光反射辐射强度，表示标准板天空漫射光反射辐射强度，ρ表示标准板方向半球反射率。

3.根据权利要求1或2所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法，其特征在于：

所述基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度包括：

根据待测典型目标的测量时间及测量位置经纬度，结合太阳高度角计算公式，求解测量过程中对应的变化的太阳高度角。

4.根据权利要求3所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法，其特征在于：

所述基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度还包括：

采用太阳辐射计同步采集待测典型目标测量过程中的大气透过率、地面辐照度，结合待测典型目标所处环境的气象条件和气溶胶类型，选定气溶胶粒子、大气模式及测量波长范围，确定大气辐射传输模型的大气参数。

5.根据权利要求4所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法，其特征在于：

所述基于大气辐射传输模型计算野外环境的待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度还包括：

所述大气辐射传输模型包括MODTRAN辐射传输模型，将计算获得的太阳高度角和所述大气参数输入至MODTRAN辐射传输模型，从输出结果中获得全天空范围内天空漫射光辐射强度分布。

6.根据权利要求5所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法，其特征在于：

根据所述测量波长范围确定双向反射分布函数模型的参数，所述参数包括：表面粗糙度、折射率及消光系数；将标准板的双向反射分布函数模型表示为方向半球反射率与π的比值；再结合全天空范围内天空漫射光辐射强度分布，获得待测典型目标天空漫射光反射辐射强度和标准板天空漫射光反射辐射强度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法，其特征在于：所述双向反射分布函数模型包括五参量BRDF模型。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法，其特征在于：

所述待测典型目标包括典型涂层目标；所述标准板包括聚四氟乙烯板。