野外便携式方向反射比测量系统及其应用

为满足风云系列静止气象卫星可见光近红外通道在大观测天顶角(>45°)下进行场地定标的需求,设计了一套方向地表反射比测量杆(DREMP)并据此搭建了野外便携式方向反射比测量系统。系统由DREMP和光谱辐射亮度计、参考板3部分组成,可在2h内完成野外10km×10km范围内多于10个采样点的测量。使用野外便携式方向反射比测量系统在2009年中国遥感卫星辐射校正场敦煌场定标试验中完成了2天(8月28日和8月29日)22个采样点的测量,使用测量结果对AMBRALSBRDF模型准确性进行了检验,并对模型计算的卫星过境时刻方向反射比进行了修正。结果证明了AMBRALSBRDF模型的准确性在2.5%以内;显示了使用野外便携式方向反射比测量系统可使定标算法的精度和稳定性得到提高。

二向反射和方向半球反射光谱差异及其对小麦叶片叶绿素含量反演的影响

二向反射率因子(bidirectional reflectance factor,BRF)和方向半球反射率因子(directional-hemispherical reflectance factor,DHRF)是反射光谱的两种形式,但在生化参数监测过程中,多数研究忽略了BRF和DHRF光谱的差异及其对叶片叶绿素含量(leaf chlorophyll content,LCC)反演的影响。本研究以不同品种、密度及氮素处理的小麦田间小区试验为基础,在叶片尺度获取了BRF和DHRF光谱,并计算相应的植被指数和小波系数,建立了基于植被指数和小波系数的LCC监测模型,定量分析BRF和DHRF光谱、植被指数和小波系数的差异及其对LCC反演的影响。结果表明,1)BRF和DHRF随LCC变化趋势一致,但两种光谱存在显著差异,且BRF光谱值高于DHRF光谱值;2)在一定程度上,应用植被指数和小波系数均可消除BRF和DHRF光谱差异的影响,其中归一化红边植被指数(normalized differential red edge vegetation index,NDRE)和红边叶绿素指数(red edge chlorophyll index,C_(Ired-edge))可以消除BRF和DHRF光谱差异的影响(R^(2)=0.930),但小波系数的性能要优于植被指数(R^(2)=0.995);3)基于DHRF光谱的植被指数和小波系数对LCC的估测能力优于BRF光谱,所有植被指数中NDRE反演效果最好(DHRF:R^(2)=0.957;BRF:R^(2)=0.938;All:R^(2)=0.892),第4尺度765 nm处的小波系数WF(4,675)反演LCC的效果优于NDRE(DHRF:R^(2)=0.985;BRF:R^(2)=0.971;All:R^(2)=0.973),且WF(4,675)消除BRF和DHRF光谱差异对LCC反演的影响能力强于NDRE(WF(4,675):R^(2)=0.973;NDRE:R^(2)=0.892)。综上所述,BRF和DHRF光谱存在差异,且这种差异不能直接忽略。研究明确了BRF和DHRF光谱的差异,为构建基于BRF和DHRF光谱的统一模型及提升冠层尺度LCC精确反演提供理论基础。

高光谱激光雷达植被叶片方向反射特性及对叶绿素反演的影响

不同于传统被动光学传感器,高光谱激光雷达发射主动式全波段高斯脉冲激光,和植被叶片表面相互作用后,不同波段后向散射强度返回至接收器并被记录下来。以往的高光谱激光雷达植被叶片反射特性研究只聚焦于零度角入射的情况,对多入射角方向反射光谱特性以及方向反射特性对叶片叶绿素含量估算带来的误差尚未进行过深入研究。利用实验室研发的32波段高光谱激光雷达获取了不同入射角下的植被叶片反射光谱,对高信噪比波段下植被叶片的复杂方向反射特性进行了深入分析,随后选择光谱指数研究了高光谱激光雷达测量条件下植被方向反射特性对叶绿素含量反演的影响。结果表明,(1)高光谱激光雷达植被叶片回波强度随入射角增大逐渐降低,但二向反射率因子并不逐渐减小,在可见光和近红外波段,二向反射率因子随入射角增大分别呈现出两种不同形状特征,可见光波段反射率因子最大值出现在0°~10°,近红外波段最大值出现在60°,反射率因子最小值均出现在45°处,最大和最小反射率因子间可差0.1左右,可见光和近红外波段10°~60°内二向反射率因子均呈现先减小后增大的趋势;(2)通过对不同入射角下光谱指数与叶绿素含量的回归分析发现,方向反射特性对反演精度有非常大的影响,R^(2)和RMSE并不随着入射角增大统一呈现同步增大或同步减小的趋势,具体地,R^(2)随入射角的变化趋势是先减小,再增大,再减小,50°左右时最小,增大发生在60°, RMSE则反之。对于不同光谱指数,R^(2)随入射角增大变化可达4倍,波动范围为0.14~0.63, RMSE最大变化为1.5倍左右,在0.5~0.8 mg·g^(-1)内波动。R^(2)和RMSE的重大变化揭示了高光谱激光雷达植被叶片方向反射特性对叶绿素含量反演的重要影响。

海面对激光的方向反射率分布研究

利用随机面元模型,对海面的激光方向反射率分布进行了理论分析,并对多种典型条件下海面对激光的方向反射率分布进行了数值模拟.结果表明,海面的总反射率较低,约为1%～6%,但在入射角超过40°后,总反射率快速增大.激光入射角为30°、海面风速为1～14m/s时,激光的方向反射率都比较大(0.1～0.48sr范围内).

一维光子晶体全方向反射带的研究

设计了由SiO2和Te构成的一维光子晶体结构,对该结构的全向反射带特性进行分析。找到了TE和TM模的全向反射带范围,TE模的反射带在785 nm到1258 nm内变化,TM模的反射带在785 nm到1099 nm范围内变化。讨论了晶格常数,晶格周期对该全向反射带的影响。结果表明,TE模的全向反射带始终比TM模的宽。晶格常数增大,TE和TM模的全向反射带均向归一化频率较高(对应长波)的方向移动。晶体周期增大,TM模的全向反射带会变窄,而TE模的全向反射带变化不大。此外还发现,参数变化对TM模的反射带的影响明显大于对TE模的影响。

GIS支持下的像元地面方向反射几何参数计算

像元地面方向反射几何参数的计算在地物BRDF的遥感反演研究和多角度遥感数字图像的处理中有重要意义。对卫片像元地理位置和地面坡度、坡向以及高度的变化对像元与太阳、像元与卫星的相对几何取向和相互位置的影响进行了讨论。并完成了由任意卫片像元地面太阳入射方位角、入射角、反射方位角 (卫星视方位角 )、反射角 (视角 )

近红外宽带全方向反射镜的设计

研究了一维光子晶体的全方向反射镜。用传输矩阵法分析了影响全反镜全方向反射带带宽和位置的因素。利用带隙展宽理论,构建异质结构光子晶体,设计得到了近红外宽带全反射镜。比较发现,Te/SiO2构成的一维异质结构全向带反射特性优于TiO2/SiO2构成的一维异质结构,该反射镜TE偏振波的全方向反射带分布在近红外波段1001-2999 nm范围内,TM偏振波的全向反射带分布在1001-2323 nm波段范围内,获得的反射率高于98%,而薄膜层数只需要20层。

室外目标方向反射多角度测量系统

室外测量地面目标的方向反射特性要求测量时间短、定位准确、测量点足够多、测量范围内无阴影。根据实际测量特点,研制了室外方向反射多角度测量系统,主要包括测量架机构、驱动系统、控制系统。测量架由方位圆轨道与天顶弧半圆轨道组成,半径2 m,天顶弧在伺服电机驱动下沿方位圆轨道0～360°范围内运动,探测器小车平台在电机驱动下沿天顶弧-75°～75°范围内运动。PLC(可编程控制器)、触摸屏组成控制系统,通过触摸屏输入参数实现全自动运动控制。方位角间隔30°,天顶角间隔15°,完成半球空间自动测量(共66个位置点,每位置点停3 s),耗时10 min。

典型煤的近红外反射光谱特征的方向性研究

高光谱遥感是煤矿区探测的有效方法,对于煤炭资源调查、矿区环境监测等具有重要意义,其中煤、矸石、植被、水体等被遥测物各个方向的反射光谱特征是煤矿高光谱遥感的基础,为此有必要针对典型煤的方向反射光谱特征进行研究。从我国不同矿区收集了无烟煤、烟煤、褐煤三大类煤中的4种典型煤样,4种煤样按煤阶由高到低顺序包括无烟煤一号、贫煤、气煤、褐煤二号,在实验室利用方向反射测量球坐标实验装置测定了每种煤样半球空间各反射方向的近红外波段(1000~2500 nm)反射光谱曲线。通过对反射光谱曲线波形分析,发现同一种煤不同反射方向的近红外反射光谱波形基本相似,但在整体反射率大小和局部波形特征上具有差异性,光谱曲线整体反射率越大,吸收谷越明显。随反射角增大,4种煤在前向反射方向(180°探测方位角)反射光谱曲线均整体上升,在后向反射方向(0°探测方位角)反射光谱曲线高度变化相对较小。在每种煤半球空间各反射方向的反射光谱曲线中,选取了1400,1700,1900,2200和2300 nm 5个特征波长,通过分析此5个特征波长处的反射率空间分布极坐标云图,发现4种煤在5个特征波长点处均具有一定的双向反射特征,均表现出较明显的前向反射热点特征和相对较弱的后向反射热点特征,无烟煤一号后向反射热点特征比贫煤、气煤、褐煤二号更明显,贫煤、气煤、褐煤二号随煤阶降低后向反射热点特征逐渐增强。每种煤前、后向反射方向的反射光谱中,通过对5个特征波长处反射率与反射角进行相关性分析,发现前向反射特征波长反射率与反射角近似呈线性函数关系,后向反射特征波长反射率与反射角近似呈高斯函数关系,且高斯函数拟合曲线波峰随煤阶降低向较大反射角度移动。该研究为矿区煤炭高光谱遥感最优探测几何的选择提供了依据,也为矿区煤炭资源精准探测提供了参考。

基于航天与航空多角度观测提取二向性反射系数与方向半球反射信息(英文)

ＭＩＳＲ计划于１９９８年搭载ＥＯＳ的ＡＭ１平台发射升空。目前我们利用仿真数据和现在已有的机载ＡＳＡＳ多角度数据来测试分析ＭＩＳＲ数据所需要的算法。ＭＩＳＲ数据的处理可以分为３个主要的顺序执行的阶段。第一阶段的作用是提取景上空的必要的大气特性。第一阶段处理的结果可以被第二阶段用来一个象素一个象素地从景中提取表面光谱ＨＤＲＦ。最后，在第三阶段中，第二阶段获得的ＨＲＤＦ被用来对一个３参数ＢＲＦ模型进行线性化，以便提取对应的ＢＲＦ。我们给出了基于仿真ＭＩＳＲ数据的提取算法的结果。

渤海平整海冰多角度反射光谱特征

近些年来,遥感技术在渤海海冰的监测中发挥了举足轻重的作用。海冰的反射特征是利用光学遥感监测海冰的基础。在晴空条件下,对盛冰期渤海辽东湾东部3种典型的平整海冰的半球-方向反射率因子(hemispherical directional reflectance factor,HDRF)进行了测量,并计算了相应的各向异性因子(anisotropy factor,ANIF),结果表明,只有在太阳光入射主平面内的前向反射方向附近,半球-方向反射率因子与各向异性因子才会迅速增加,而在其他方向上两者的变化不明显。平整海冰的厚度和内部结构等因素会影响HDRF和ANIF随波长变化的特征,在350～1 350nm波段,厚度较小且表面光滑的平整海冰的HDRF值相对较小,而厚度较大的平整海冰的HDRF值相对较大。在350～950nm波段,厚度较小且表面光滑的平整海冰ANIF相对较大,而厚度较大的平整海冰的ANIF值相对较小。以上结果充分说明海冰对太阳光入射辐射的反射是冰-气界面的反射与冰体内部的散射的综合结果。

针对SAIL冠层模型的土壤背景反射率修正

提出一种基于SAIL模型的地表反射率修正方案,有效减小地形起伏的影响。通过引入太阳直射光的方向-方向反射与大气散射的半球-方向反射,遵循光路可逆原理对地表反射率进行几何修正,同时考虑地表自身热辐射对入瞳辐射的影响从而修正地表反射率,发展适用于SAIL模型的地表反射率修正模型。利用长常高速部分路段的实测植被理化参数及光谱信息对地形修正后的SAIL模型模拟精度进行对比分析,结果表明地形修正后SAIL模型有效提高SAIL模型模拟的植被冠层光谱精度,修正后SAIL模型可为后续南方地区定量遥感的应用提供更精确的数据支持。

波浪反射系数谱的特征分析

应用斜向不规则波反射系数的改进两点法(MTPM),用模型试验研究了混凝土护面堤和块石护面堤波浪反射系数的频率谱和方向谱,结果表明,分析的反射系数随入射波频率的增加、结构坡度的减小和入射角的加大而减小.给出了波浪反射系数频率谱及其随Iribarren数变化的规律,提出了反射系数三维谱的经验公式,由此可定量地描述斜向不规则波的反射系数随无量纲特征参数Iribarren数和入射波角度的变化规律.

近背向散射测量系统中漫反射板的特性研究

通过分析激光聚变中近背向散射光的收集方式,提出了采用漫反射板收集近背向散射光的方法。通过对漫反射板的应用场景分析,提出了需要研究的漫反射板特性,并搭建了漫反射板特性测量装置。测量并分析了漫反射板的方向半球反射比、双向反射分布函数、面均匀性、真空特性和紫外特性。分析结果表明:F4目标板具有接近于0.99的高反射率,光谱平坦性,近似余弦分布的双向反射分布函数,较高的面均匀性,以及较小的紫外真空影响。因此,F4目标板满足激光惯性约束聚变中近背向散射光的测量需求,采用漫反射板收集近背向散射光的方法可行。

用航空POLDER测量仪获取的方向性信息增强对北方森林冠层的识别(英文)

ＰＯＬＤＥＲ（地球反射极化和方向）仪器在ＢＯＲＥＡＳ实验中曾搭载ＮＡＳＡ的一架Ｃ１３０飞机飞行。在ＢＯＲＥＡＳ的南部地区，ＰＯＬＤＥＲ获取了各种实验场地上的ＢＲＤＦ测量值。森林覆盖地区的大的热点特征，以及十个地区上的镜面反射分量得到了描述。该文通过ＰＯＬＤＥＲ的测量数据，对向常规的光谱特征中加入通过遥感获得的方向性特征后，对各种森林覆盖的分类和区分能力的提高给出了定量化的解。当将方向信息加入常规光谱信息后，采用无监督分类时，类间耦合矩阵的各项显著减小（减小倍数为２－５倍）。这一事实证明了用遥感方向特征可以增强对ＢＯＲＥＡＬ森林覆盖的区分能力。

基于光电子晶体的高效太阳能电池反射器的研究

薄膜太阳能电池的出现大大降低了太阳能电池的生产成本,但其光电转化效率明显低于传统太阳能电池。这是由于薄膜太阳能电池过薄的吸收层严重降低了电池对长波长入射光的捕获效率。为了提高薄膜太阳能电池对长波长入射光的捕获效率,可在电池吸收层背部增加一个反射器。该文从一维光子晶体的结构特点出发,在证明一维光子晶体中具有光子禁带的基础上,通过获取的数值,模拟计算出了一维光子晶体禁带的随周期数、折射率比值等。同时,提出了一种新型的展宽全方向反射带的方法,并且设计了一个由三个基本一维光子晶体合成的一维结构,得到了较大的全方向反射带。

敦煌辐射校正场春季BRDF特性分析

风云四号A星在轨替代定标试验于2017年4月下旬在敦煌辐射校正场正式开展,为满足地表反射率在遥感器视角方向上的校正需求,利用便携式定点测量装置对敦煌戈壁地表进行了方向特性测量.定性分析了敦煌场地春季的方向特性,并基于Ross Thick-Li SparseR核驱动模型反演了相应的双向反射分布函数模型参数,构建了场地方向特性定量描述模型.对模型的计算值与实测数据进行线性回归分析,得到2017年4月26日、27日和28日的修正决定系数分别在0.75、0.83和0.85左右,验证了该模型对实测数据具有良好的拟合优度.利用模型计算太阳方位面上的各向异性因子并与中分辨率成像光谱仪双向反射分布函数模型参数产品的历史数据进行对比发现,当观测天顶角小于40°时,二者相对偏差在波段2和波段4均小于1.56%,波段5小于3.12%.这说明构建的模型能较好地描述敦煌场地方向特性,验证了试验数据的可靠性.

利用BRDF原型和单方向反射率数据估算地表反照率

地表反照率是影响地表能量收支平衡的决定性参数之一,精确反演地表反照率需要考虑地表各向异性反射特征。本文尝试以双向反射分布函数BRDF原型为地表各向异性反射的先验知识,通过单方向反射率反演地表反照率。首先根据地面实测及MODIS多角度反射率数据对反演方法进行分析和精度评价,然后借助MODIS BRDF产品统计出研究区的主导BRDF原型,并联合环境一号卫星(HJ-1)单方向反射率数据反演30 m地表反照率,最终将结果与地表实测数据进行比较。结果表明:BRDF原型对BRDF的变化进行了约束,且能够适用于几十米尺度的遥感数据反照率的反演;不同级别的各向异性反射特征的分布是不均一的,借助于主导BRDF原型能够使大部分样本的地表反照率满足精度要求;利用研究区MODIS BRDF产品统计得到的主导BRDF原型为先验知识,通过HJ-1数据反演得到的地表反照率与地表实测反照率有较高的一致性,而朗伯假定条件下的反照率高于实测结果。本文算法简单高效,可为产生全国范围的中高分辨卫星反照率产品提供有价值的算法参考。

基于HJ-1 CCD数据的地表反照率反演

波段设置的有限性以及有限的观测角度限制了HJ-1 CCD数据在地表反照率反演方面的应用。该文利用高质量的POLDER-BRDF(双向反射分布函数)数据集分别在植被、裸土、冰雪地物覆盖下模拟了不同观测几何条件下CCD 4个波段的地表方向反射率的短波波段地表黑空反照率(直入扇出反照率)和白空反照率(扇入扇出反照率);基于太阳和传感器观测几何原理对模拟数据进行分格网最小二乘回归分析,构建了基于CCD 4个波段地表方向反射率和短波波段地表反照率估算模型;选取黑河高质量的HJ-1 CCD数据开展了短波波段地表黑、白空反照率的反演实验,并利用实测的地表反照率数据对模型的精度进行了评价。结果表明,在满足验证条件的23组数据中,有21组数据的绝对误差在0.03以内。