DE19711127C2

DE19711127C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilung

Info

Publication number: DE19711127C2
Application number: DE19711127A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Roeser; Maria Von Schoenermark; Marco Radke
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: EP0966694A1; WO1998040765A1; DE19711127A1; JP2002500754A; EP0966694B1; DE59809972D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilung.

Mittels der bidirektionalen Reflektanzverteilungsfunktion (BRDF) können z. B. Rückschlüsse auf den Gesundheitszustand von Waldgebieten und anderen Bodenflächen gezogen oder andere klimarelevante Aerosolparameter abgelei tet werden.

Die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion ist abhängig von der Wellen länge des untersuchten Lichts und der Strahldichten der einfallenden unreflek tierten Strahlung. Diese wiederum sind abhängig von Azimut- und Zenitwinkel des Sonnenstandes bzw. dem Beobachtungsazimut- und dem Beobachtungs zenitwinkel.

Zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilungsfunktion werden Da ten von Satelliten (Z. B. NOAA 6/7) genutzt oder Messungen mit Spektro- bzw. Radiometern vorgenommen. Ein solches Spektralphotometer ist z. B. aus dem Prospekt "SP1A" der Firma Dr. Schulz & Partner bekannt, mittels dessen die Globalstrahlung gemessen wird. Dabei wird das Spektralphotometer an einer Drehvorrichtung befestigt, die das Schwenken des Spektralphotometers um zwei Achsen in alle Richtungen erlaubt. Um aus der gemessenen Strahldichte den Reflektanzfaktor zu ermitteln, wird meistens die Strahldichte über einer Referenzfläche ("Weißscheibe") bestimmt. Dies ist vorzugsweise eine Spek tralonplatte mit einem genau definierten Reflexionsvermögen, daß unabhängig von der Richtung der ein- und ausfallenden Strahlung sein soll. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist deren mangelnde Auflösung. Bei Messung in einer Filterstellung und Schrittweiten von 1° in Azimut- und Zenitrichtung benö tigt die Vorrichtung 18 Stunden Zeit für eine Messung, da alle zwei Sekunden gefahren und gemessen werden kann. Bei einer Schrittweite von 5° in Azimut- und Zenitrichtung kann alle drei Sekunden eine Messung durchgeführt werden. Damit dauert die Meßreihe eine Stunde und fünf Minuten. Da die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion vom Azimut- und Zenitwinkel des Sonnenstandes abhängig ist, muß die Vermessung sehr zügig durchgeführt werden, um einen nahezu konstanten Sonnenstand sicherzustellen. Um dies bei der Vermessung des gesamten Halbraumes zu gewährleisten, muß bei dem bekannten Verfah ren entweder der Öffnungswinkel (Field of View) und/oder die Schrittweite für die Azimut- und Zenitwinkel relativ groß gewählt werden. In der Regel benutzt man einen Öffnungswinkel und eine Schrittweite von 5° bis 15° und mißt dann in entsprechend vielen Einstellungen, die teilweise manuell vorgenommen wer den, den gesamten unteren Halbraum. Im Ergebnis liegt eine bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion mit einer Auflösung von 5° bis zu 15° Winkel schrittweite vor. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung ist die man gelnde Genauigkeit der ermittelten Referenz, da die Konstanz des Reflexions vermögens nicht vollständig gewährleistet ist, sowohl an den verschiedenen Punkten der Spektralonplatte als auch bezogen auf die Abhängigkeit von der Blickrichtung.

Aus den Fachartikeln "Irons, J. R. et al.: Multiple-Angle Observations of Reflec tance Anisotropy from an Airborne Linear Sensor; IEEE Transactions on Geo science and Remote Sensing, Vol. GE-25, No. 3, May 1987, S. 372-383" und "Ranson, K. J. et al.: Multispectral Bidirectional Reflectance of Northern Forest Canopies with the Advanced Solid-State Array Spectroradiometer (ASAS); Re mote Sens. Environ. 47, 1994, S. 276-289" ist jeweils die Verwendung einer CCD-Zeilen-Kamera zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilung bekannt. Dabei wird die CCD-Zeilenkamera während der Messung horizontal geschwenkt, so daß sich sieben diskrete Blickwinkel der CCD-Zeilen-Kamera auf die auszumessende Oberfläche einstellen.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilung zu schaffen, mit der eine verbesserte Auflösung der bidirektionalen Reflektanzver teilungsfunktion erreichbar ist.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Pa tentansprüche 1 und 3. Durch die Ausgestaltung der optischen Detektorein richtung als CCD-Zeilen-Kamera kann jeweils simultan, entsprechend dem Öffnungswinkel der Kamera, ein Segment der abzutastenden Oberfläche aus gemessen werden und eine horizontale Verstellung der Detektoreinrichtung zur Erfassung einzelner Meßpunkte ist entbehrlich. Dadurch kann die Ausmessung der Oberfläche um den Faktor 2000 schneller erfolgen, so daß die Fehler auf grund einer Sonnenstandsänderung vernachlässigbar sind. Die Zeitdauer für eine Meßreihe einschließlich Polarisationsmessung beträgt ca. 65 Sekunden bei einer Auflösung von bis zu 0,5°. Solche weltwinkligen CCD-Zeilen-Kameras sind seit langem aus der Luft- und Raumfahrttechnik bekannt. Eine beispielhaf te Beschreibung einer derartigen Kamera ist dem Fachartikel "Weitwinkel-Ste reokamera WAOSS-Konzept und Arbeitsweise, Sandau et al.; bild & ton, 9/10, 1992, S. 224 ff. entnehmbar, auf den hier bezüglich der Ausbildung der Kamera ausdrücklich Bezug genommen wird. Zur vollständigen Erfassung der bidirek tionalen Reflektanzverteilung ist der CCD-Zeilen-Kamera eine Drehvorrichtung zugeordnet, die um eine vertikale Achse um 360° und um die horizontale Achse um 180° schwenkbar ist. Dabei wird durch die vertikale Drehbewegung der Drehvorrichtung die gesamte Oberfläche erfaßt, wohingegen über die Drehung um die horizontale Achse um 180° und anschließender Drehung um die vertika le Achse eine Referenzgröße für die einfallende Strahlung bestimmbar ist. Da durch existiert eine gute Korrelation zwischen den Messdaten und der Refe renzgröße. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur Erfassung und Unterdrückung der durch die Eigenpolarisation der CCD- Zeilen-Kamera verursachten Meßfehler kann mindestens eine weitere Refe renzmessung durchgeführt werden, bei der bestimmte Punkte der Oberfläche in einer unterschiedlichen CCD-Zeilen-Position vermessen werden. Da die Ei genpolarisation der CCD-Zeilen-Kamera bekannt ist, kann mittels der beiden Meßdaten der Meßfehler herausgerechnet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbei spieles näher erläutert. Die Figur zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung bei Erfassung der Meßdaten,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung bei Erfassung der Referenz und

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung bei Erfassung einer weiteren Referenz zur Kompensation der Meßfehler auf grund der Eigenpolarisation der CCD-Zeilen-Kamera.

Die Vorrichtung zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilung um faßt eine CCD-Zeilen-Kamera 1 und eine Drehvorrichtung 2, auf der die CCD- Zeilen-Kamera 1 montiert ist. Mittels der Drehvorrichtung 2 ist die CCD-Zeilen- Kamera 1 sowohl um eine vertikale Achse 3 als auch um eine horizontale Ach se 4 schwenkbar. Zur Erfassung der jeweiligen Strahlungsdichte einer zu unter suchenden Oberfläche 5 wird die CCD-Zeilen-Kamera 1 derart ausgerichtet, daß ein Ende der CCD-Zeile senkrecht auf die Oberfläche 5 blickt und dadurch einen imaginären Kreismittelpunkt 6 der Oberfläche 5 definiert. Das entgegen gesetzte Ende der CCD-Zeile ist somit auf einen Punkt 7 off-nadir gerichtet. Bei einem Öffnungswinkel von 80° steht somit die optische Achse der CCD-Zeilen- Kamera 1 zur Oberfläche 5 in einem Winkel von 40°. Mittels einer simultanen Aufnahme wird dabei das gestrichelt dargestellte Segment aufgenommen. An schließend wird die CCD-Zeilen-Kamera 1 um einen bestimmten Winkel um die vertikale Achse 3 gedreht und ein weiteres Segment aufgenommen. Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis die CCD-Zeilen-Kamera 1 um 360° ge dreht wurde und somit einen Kreis 8 der Oberfläche 5 vermessen hat. Die schrittweise vertikale Drehung kann dabei entweder manuell oder automatisch mittels einer geeigneten programmierbaren Steuerung erfolgen.

Zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanz muß die erfaßte Strahlungs dichte mit einer der einfallenden Strahlung entsprechenden Referenzgröße verglichen werden. Dazu wird gemäß Fig. 2 die CCD-Zeilen-Kamera 1 um die horizontale Achse 4 um 180° gedreht und die einfallende Strahlungsdichte wie der segmentweise erfaßt. Dadurch ist für jeden Punkt der Oberfläche 5 sowohl die einfallende als auch die reflektierte Strahlungsdichte bekannt, so daß dar aus die resultierende bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion der Ober fläche 5 ableitbar ist.

Aufgrund des großen Öffnungswinkels und der optischen Bauelemente weist die CCD-Zeilen-Kamera 1 bzw. die Kameraoptik eine gewisse Eigenpolarisa tion auf. Die Eigenpolarisation der Kameraoptik ist im Bereich der optischen Achse nahezu null und nimmt zu beiden Enden der CCD-Zeile hin zu. Bei den bisher bekannten CCD-Zeilen-Kameras 1 kann die Eigenpolarisation an den Rändern bis zu 20% betragen. Die Polarisation des einfallenden, von der Erd oberfläche reflektierten Lichtes kann je nach Untergrund bis zu 30% bei rotem Licht und bis zu 60% bei blauem Licht betragen. Somit kann der mit abnehmen der Wellenlänge größer werdende Meßfehler allein durch die Polarisation bis zu 6% bzw. 12% betragen. Zur Ermittlung und Unterdrückung dieser Meßfehler aufgrund der Eigenpolarisation der CCD-Zeilen-Kameras 1 kann gemäß Fig. 3 eine weitere Referenzmessung vorgenommen werden. Dazu wird z. B. die CCD-Zeilen-Kamera 1 derart ausgerichtet, daß die optische Achse der CCD- Zeilen-Kamera 1 auf den off-nadir Punkt 7 der ersten Messung gerichtet ist, also den Punkte, wo die größte Eigenpolarisation der CCD-Zeilen-Kamera 1 in der vorangegangenen Messung auftrat. Da im Bereich der optischen Achse die Eigenpolarisation null ist, ist der Meßfehler aufgrund von Polarisation für den off-nadir Punkt 7 bei der Referenzmessung null. Mittels eines Vergleichs zwi schen den beiden Meßwerten kann somit auf den Polarisationsgrad der von der Oberfläche 5 reflektierten Strahlung zurückgeschlossen werden. Da die Eigen polarisation und deren Verteilung über die CCD-Zeile eine feste, bestimmbare Gerätegröße ist, kann somit der Meßfehler aufgrund der Polarisation für alle Punkte eines Segmentes und somit der gesamten Oberfläche 5 herausgerech net werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilung, umfassend eine optische Detektoreinrichtung und eine die optische De tektoreinrichtung um eine horizontale Achse schwenkende Drehvorrich tung, wobei die optische Detektoreinrichtung als CCD-Zeilen-Kamera (1) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehvorrichtung (2) derart ausgebildet ist, daß die CCD-Zeilen-Ka mera (1) um eine vertikale Achse (3) um 360° und die horizontale Achse (4) um 180° schwenkbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD- Zeilen-Kamera (1) einen Öffnungswinkel von bis zu 80° aufweist.

3. Verfahren zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine CCD-Zeilen-Kamera (1) auf einer Drehvorrichtung (2) angeord net wird und die CCD-Zeilen-Kamera (1) mittels der Drehvorrichtung (2) um eine vertikale und um eine horizontale Achse schwenkbar ist,
b) simultan die optische Strahldichte eines Segmentes der abzutasten den Oberfläche (5) erfaßt und abgespeichert wird,
c) die CCD-Zeilen-Kamera (1) um die vertikale Achse (3) um einen Win kel gedreht wird und die Erfassung gemäß b) wiederholt wird, bis die CCD-Zeilen-Kamera (1) um 360° um die vertikale Achse (3) gedreht wurde und
d) die erfaßten Daten der optischen Strahldichte mit einer der einfallen den Strahlung entsprechenden Referenzgröße verglichen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermitt lung der Eigenpolarisation mindestens eine Referenzmessung erfolgt, bei der die optische Achse der CCD-Zeilen-Kamera (1) mittels der hori zontalen Achse (4) auf den off-nadir Punkt (7) in der vorangegangenen Ausmessung der Oberfläche (5) verschoben wird und die Verfahrens schritte b) und c) für die gewählte Ausrichtung der optischen Achse wie derholt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermitt lung der Referenzgröße mittels der CCD-Zeilen-Kamera (1) vor und/oder nach der Erfassung der Meßdaten erfolgt, indem die CCD-Zeilen-Kame ra (1) um die horizontale Achse (4) um 180° in Richtung der Strahlungs quelle ausgerichtet und diese gemäß der Verfahrensschritte b) und c) vermessen wird.