基于随机表面微面元理论的二向反射分布函数几何衰减因子修正

现有几何光学方法的二向反射分布函数BRDF(bidirectional reflection distribution function)模型在计算阴影遮蔽效应时普遍应用Blinn几何衰减效应假设,其等倾角V形槽近似得出的分段折线形式的几何衰减因子导致BRDF曲线存在较大的误差.基于倾斜角随机高斯分布的微面元理论提出了一种新的几何衰减模型,得出了积分形式的几何衰减因子表达式,数值模拟比较了Blinn几何衰减因子与修正后的积分型衰减因子以及对应的BRDF模型曲线.结果表明:提出的几何衰减因子在物理合理性以及模拟精度方面都有明显提升,使BRDF模型曲线与已有BRDF数据之间的标准误差由0.0636减小到0.0084.

基于前向散射核函数拟合冰雪反射光谱各向异性

对地表反射光谱的各向异性进行建模和拟合,是遥感对地观测的重要研究内容。传统的线性核驱动模型拟合方法使用的核函数是基于植被覆盖地表辐射传输模型导出的,因此难以准确地描述冰雪覆盖地表前向散射强的特征。提出一种在线性核驱动模型中增加前向散射核函数的拟合方法,并采用地面多角度观测架测量的冰雪反射光谱对该方法的有效性进行了验证。验证结果表明该方法能够较好地拟合冰雪反射光谱的各向异性(R2=0.997 5,RMSE=0.022 6),准确地反映冰雪前向散射较强的特征。通过对提出的方法与经验函数法、传统线性核驱动模型拟合方进行比较,可以发现线性核驱动模型方法明显优于经验函数拟合法,其中增加前向散射核函数能够显著提高对冰雪覆盖地表二向反射因子的拟合精度,并在各波段都有稳定的拟合效果。

核驱动BRDF模型RossThick-LiSparseR与RossThick-LiTransitN的分析

RossThick-LiSparseR模型和RossThick-LiTransitN模型是两种具有代表性的核驱动模型,可以较好地描述地表的方向反射特性.以大豆地、果园、草地、阔叶林和玉米地五种地物为研究对象,采用变分正则化方法,反演得到了红色波段及近红外波段最优的双向反射分布函数(BRDF)模型参数.对比反演结果,分析了两种模型在不同条件下的优势.结果表明,在红色波段和近红外波段,RossThick-LiSparseR,模型的数据拟合能力比较强,反演结果更接近真实值,且稳定性高;两种模型在反演黑空反照率上有相同的优势.

基于图像的三维高光物体双向反射分布函数测量

提出了基于图像的三维高光物体双向反射分布函数测量方法。其主要思想是首先使用高光检测算法自动把图像中的点归为两类:纯漫反射点和需要分离反射属性的点;然后使用高光分离算法计算第二类点的高光分量与漫反射分量;最后用分离结果分别恢复反射模型中的高光参数与漫反射参数。在三维高光物体上进行了实验,并与直接使用测量数据恢复模型参数的方法进行对比,结果表明该方法能够更好地对三维高光物体的BRDF进行测量。

三种植被冠层二向反射分布函数模型的比较

随着定量遥感技术的发展,描述森林冠层二向反射分布函数(BRDF)的机理模型越来越多。该研究采用3种植被冠层BRDF模型——DART模型、4SCALE模型和MGEOSAIL模型,模拟了不同郁闭度样地在红光、近红外波段各个观测角度下的场景反射率,并比较分析了不同BRDF模型的适用性和局限性。结果表明:MGEOSAIL模型只适于模拟样地郁闭度较小、林木个体较大条件下的场景反射率,且热点效果不十分明显;DART模型和4SCALE模型适于任何郁闭度条件下的场景反射率的模拟,并且精度较高;4SCALE模型模拟的场景反射率介于DART模型模拟的1次散射与5次散射之间。这3种模型在模拟近红外波段的场景反射率时,均存在"碗边"效应。

ART模型不同角度下反演雪粒径参数分析

【目的】渐近辐射传输模型是可见光短波红外谱段一种典型的积雪二向反射率计算模型,该模型通过反演有效雪粒径以及表征雪污染特性的中间参量来模拟二向反射。但目前不同角度下雪的二向反射观测值存在差异,进而可能影响雪参数反演结果与在此基础上的二向反射计算值。基于此,本研究将开展不同角度下的雪粒径反演结果对比分析。【方法】基于POLDER多角度数据集开展ART模型分析。【结果】不同角度下有效雪粒径的反演结果具有较大差异,其差异性在27%~56%之间。【结论】有效雪粒径反演偏离较大的值主要集中在相对方位角主平面60°范围和观测天顶角大于50°的观测范围内,在应用单角度卫星数据时,建议剔除这部分角度下的反射率数据。

离散植被冠层的解析混合BRDF模型——MGeoSAIL

根据适合于垂直单角度观测的GeoSAIL模型,改进得到适合于各种角度观测的MGeoSAIL模型。它是几何光学模型和辐射传输模型的结合。具备两种模型的优点使MGeoSAIL模型更具准确性和实用性。其中几何光学模型用来计算场景内不同情况下阴影和光照成分的比例,辐射传输模型(SAIL)考虑冠层内的辐射传输计算得到树冠的反射率和投射率,将其权重加和生成场景反射率。模拟结果表明该模型简单实用,在可见光与近红外波段均能反映出"热点"效应,在近红外波段能描述出"碗边"效应,且更适合于低密度、大个体、不连续稀疏林分冠层的BRDF模拟。

背景偏振光谱二向反射分布函数建模分析

通过分析偏振二向反射分布函数(BRDF)与实验探测角、波长间的关系,提出偏振度分量的多项式模型来定量化描述偏振度分量;强度分量采用现有的半经验模型,在可见光范围内(400～720nm)实现偏振光谱BRDF建模,并将模型输出的结果和实验测量值进行分析比较。结果表明,对于土壤等各向性质较为均匀的背景,采用本文模型能较好地达到精度要求,因而可以将有限实验观测条件下测量得到的少数偏振光谱BRDF扩展到2π空间范围内,得到任意入射及观测条件下的偏振光谱BRDF值,且具有简单、计算量小等优点。

多角度遥感中BRDF模型研究的现状与展望

地表的二向性反射特性是多角度遥感中所要解决的基本问题。本文综述了多角度遥感中二向性反射模型在理论研究和实际应用中的现状与新进展,同时分析了各个模型的优缺点和应用范围,为模型选取提供了依据,其中重点介绍了核驱动模型。并讨论了多角度遥感的未来发展方向。

MODIS二向反射模型方差函数的研究与应用

地表二向性反射分布函数(BRDF)是表征地物反射随太阳和观测方向变化的物理量。在统计意义上,BRDF表示均值统计量,BRVF(Bidirectional Reflectance Variance Function)表示方差统计量,它们对研究地表各向异性反射特征有着重要意义。本文首先采用误差传播理论,推导出基于MODIS BRDF模型的BRVF表达形式。研究结果表明,BRVF的空间分布模式主要由几何光学核Kgeo和体散射核Kvol的一次项和二次项权重和决定。然后利用EOS地面验证核心站点(EOS Land Validation Core Sites)的MODIS BRDF产品,对BRVF空间分布模式随地表类型、光谱波段和观测角度范围进行验证。验证结果表明,基于MODIS BRDF产品的验证与理论推导有较好的一致性。BRVF空间分布模式和地表类型有关,通常在热点处有一个峰值。在大观测天顶角(>60°)下,BRVF随着角度的增大而增大。BRVF在近红外波段整体上大于红波段,表明其波段依赖性。最后,将上述理论成果初步应用于69组地表测量数据的模拟中。模拟结果表明,当大角度缺少观测数据时,模型外延所引起的方向反射方差显著增大,对地表反照率的反演精度和不确定性有较大影响。其中,红波段的白天空反照率的相对误差最大可达38.26%。本研究对利用小角度观测数据进行地表反照率反演的不确定性分析有指导意义;对大角度观测数据缺失情况下,先验知识在地表反照率的反演应用可提供有意义的理论支撑。

基于Roujean和Ross-Li模型算法的不同户外光照南疆冬枣BRDF特性研究

不同光照下,如何消除或减小反演数据差异,提高检测精度,是目前南疆冬枣户外检测中遇到的一大难题,因此通过用高光谱相机获得的南疆冬枣二向反射分布函数(BRDF)测量值,采用最小二乘法拟合Roujean模型和Ross-Li模型的参数,最后对比Roujean模型和Ross-Li模型反演的结果,提出何种天气何段波长用何种模型反演效果最好的建议,实验结果表明:(1)多云天气,反演南疆冬枣线偏振度(Dolp)时,Ross-Li模型的R^( 2)是0.9748,Roujean模型的R^( 2)是0.9699;反演南疆冬枣强度分量时,Ross-Li模型的R^( 2)是0.9723,Roujean模型的R^( 2)是0.9749。阴天反演南疆冬枣Dolp时,Ross-Li模型的R^( 2)是0.9651,Roujean模型的R^( 2)是0.9778;反演南疆冬枣强度分量时,Ross-Li模型的R^( 2)是0.9420,Roujean模型的R^( 2)是0.9688。晴天反演南疆冬枣Dolp时,Ross-Li模型的R^( 2)是0.9655,Roujean模型的R^( 2)是0.9262;反演南疆冬枣强度分量时,Ross-Li模型的R^( 2)是0.9285,Roujean模型的R^( 2)是0.8331。整体反演的最佳方案是多云天气下的南疆冬枣Dolp用Ross-Li模型反演,强度分量用Roujean模型反演;晴天南疆冬枣Dolp和强度分量均用Ross-Li模型反演;阴天南疆冬枣Dolp和强度分量均用Roujean模型反演。(2)多波段反演的最佳方案是:多云天气下,反演南疆冬枣强度分量时,波长为1000~1100 nm范围,需用Ross-Li模型,波长为1450~1600 nm范围,需用Roujean模型,其余波段处两种模型均可;反演南疆冬枣Dolp时,在波长为1300 nm附近,需用Ross-Li模型,其余波段处两种模型均可。阴天反演南疆冬枣强度分量时,在1000~1350 nm范围,需用Roujean模型,在1600 nm附近,需用Ross-Li模型,其余波段处两种模型均可;反演南疆冬枣Dolp时,在1000~1350 nm范围,需用Roujean模型,在1600 nm附近,需用Ross-Li模型。晴天反演南疆冬枣强度分量时,波长为1000~1350和1600 nm附近,需用Ross-Li模型,其余波段处则无特殊要求;反演南疆冬枣Dolp时,在1000 nm附近,需用Roujean模型,在1600 nm附近,需用Ross-Li模型。探索出消除或减小反演数据差异的方法,为南疆冬枣户外检测提高精度奠定基础。

用几何光学模型对方向变化和直方图建模(英文)

森林和林地的图象二向性反射函数是一个统计函数，较之小尺度的树冠，它更多地用于大尺度的均匀覆盖的地块。用航空象片和高空间分辨率扫描仪数据作的图象热点影响研究在小尺度下显示出很大方差，而且，太阳和观测角度的交互变化进一步增加了这种反射各向异性变化的方差并有规律地继续呈现在分辨率低的图象中，这被称作ＢＲＶＦ或二向性反射方差函数。近年来，作为一种解释结构的手段，高分辨率图象的方向性方差和直方图结构越来越受到重视，这方面的数据也越来越多。这项工作是利用图象方差来解释结构问题（Ｓｔｒａｈｌｅｒ和李小文倡导）的一种延伸，并在过去１５年中由众多人员作了大量工作。在树冠尺度下，森林的直方图和二向反射方差函数可以计算出来，这里利用了近似迭代函数来处理这些数据并和数值积分模拟进行了对比，结果显示可对二向性反射方差函数的测量和引入直方图的各向异性进行准确建模。

基于光谱双向反射分布函数的纤维物证鉴别

根据Locard的交换理论,纤维证据可以帮助重建犯罪事件。通常,纤维物证的鉴定采用的是化学成分分析方法,但该方法会破坏物证的完整性。本文基于光谱双向反射分布函数(BRDF)理论,建立了相关测试和分析方法,以解决纤维物证留存的长效性。针对三组纤维样品(每组包含6种同色不同材质的纤维样品)建立分析案例的方法,采用一阶微分和差分法提取光谱特征,分析光谱BRDF数据;依据光谱曲线提取拟合函数和残差系数,进行差异化比较;然后在物理机制上通过建立Davis模型模拟光谱BRDF曲线,实现了案例中的物证与可疑结果的有效判定。实验结果为纤维物证特征的鉴别提供了一种有效且无损的探测技术和分析方法,对刑侦分析和嫌疑人定罪具有重要意义。

基于环境二号卫星宽视场图像的BRDF校正

自然地物基本都是非朗伯体,地表反射具有方向性。由于地表方向反射特性的影响,不同观测角度下宽视场相机接收到的地表反射率不同,需要进行双向反射分布函数(BRDF)校正。基于地物分类的同类像元匹配,利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)的地表反射率产品进行BRDF模型核参数反演,实现环境二号卫星宽视场图像的BRDF校正,并使用戈壁和农田两类地物地面实测BRDF数据集,验证不同BRDF核驱动模型的核参数反演结果和BRDF校正结果。结果表明:针对戈壁和农田两种地物类型,与RossThick Maignan-LiSparseR模型相比,RossThick-LiSparseR模型与实测结果的拟合相关性更高;与只进行大气校正的结果相比,经BRDF校正后环境减灾二号01组A、B(HJ-2A/B)卫星宽视场相机的反射率与实测反射率更加接近,有效减弱BRDF效应的影响,为进一步开展定量遥感研究提供数据质量保障。

偏振场景目标探测的建模与仿真

针对用光学遥感技术探测复杂场景下的目标时,真实环境下的目标、背景反射以及大气气溶胶辐射之间具有相当大的互干扰性,本文研究了偏振场景目标的建模与仿真技术。介绍了偏振场景仿真的光学理论与偏振模型基础,对Priest-Germer模型进行了数值仿真与分析。基于Priest-Germer模型,开发了偏振视景目标探测仿真软件,给出仿真软件的设计思想和软件框架。介绍了偏振双向分布反射函数模型,给出其偏振形式的Stokes表达式并进行数值仿真分析。给出了两种目标模型分别赋予两种不同表面材质时在440nm和600nm波长辐照条件下的4组偏振仿真实验及偏振图像的灰度直方图,并进行比较和分析,结果表明:基于Priest-Germer模型的偏振仿真软件对目标、辐照波长、材质具有较高的敏感性,能够提供较好的分辨和识别能力。

基于微观图像的加工表面3维形貌重建算法研究

切削加工表面由于微观不平度及镜面效应的存在,使得照射其上的光线具有多次散射及后向散射的特性,从而影响了以工件表面图像3维重建形貌的精度。提出了一种基于二向反射分布函数的表面重建算法,构造了以Hapke模型表达的金属切削表面重建方程。该算法以重建方程离散化为手段,计算出光源和物体的倾角和偏角,得到光源和物体的梯度值,最后采用全微分方程对物体表面高度进行恢复。通过对实际切削加工表面图像3维形貌重建结果与触针式测量结果的对比表明,重建形貌粗糙度轮廓贴近实测粗糙度轮廓,证明了本文算法的准确、有效性,为加工表面3维形貌的重建提供了新的思路和方法。

方位和品质对南疆果品空间特性光谱影响及反演方法研究

高光谱无损检测技术在果品定量无损检测中应用广泛,以冬枣、红提、香梨三种果品空间特性光谱为研究目标,探索空间特性光谱的影响因素和反演方法,为提高户外果品无损检测精度提供了一种新思路。分别提取三种果品的光谱库并计算空间特性光谱,依次使用马氏距离、浓度残差等预处理方法以及竞争性自适应权重取样算法选取特征波长,将处理后的三种果品空间特性光谱分别与品质(糖度、水分)和方位(探测角、方位角、相位角)建模,建模结果如下:三种果品(按照冬枣、红提、香梨的顺序)与糖分模型的相关系数r分别为:0.8533,0.8227和0.9133;水分模型的相关系数r分别为:0.7413,0.7847和0.8913;探测角模型相关系数r分别为:0.9856,0.9927和0.9747;方位角模型相关系数r分别为:0.9418,0.9105和0.9369;相位角模型相关系数r分别为:0.9609,0.9570和0.9563。可以看出,不同果品方位模型相关性都明显高于品质模型相关性,因此方位因素是影响空间特性光谱的主要原因。使用Roujean模型和Walthall模型分别对不同方位的空间特性光谱进行反演,反演结果如下:使用Roujean模型反演三种果品(按照冬枣、红提、香梨的顺序)空间特性光谱时R^(2)分别为0.9344,0.9281和0.8306;r分别为0.9902,0.9839和0.9691;RMSEP分别为0.0309,0.0487和0.0627;平均模型误差分别为7.27%,11.02%和8.61%。使用Walthall模型描述不同果品空间特性光谱时R^(2)分别为0.9433,0.8597和0.8390;r分别为0.9918,0.9718和0.9702;RMSEP分别为0.0366,0.0661和0.0687;平均模型误差分别为6.19%,15.40%和7.84%。可以看出,Roujean模型可以很好的描述冬枣和红提的空间特性光谱,也可以较好的描述香梨空间特性光谱;Walthall模型可以很好的描述冬枣空间特性光谱,也可以较好的描述红提和香梨空间特性光谱。综上所述,在今后试验中可以使用Roujean模型反演红提和香梨的空间特性光谱,使用Walthall模型反演冬枣的空间特性光谱,进而提高户外果品户外果品无损检测精度。

函数型核加权估计法及其在经济学中的应用

本文基于变系数模型提出了一个新的统计推断方法:函数型核函数加权最小二乘法.该方法将变系数模型中经典的核函数加权最小二乘法和参数模型中的函数型最小二乘法巧妙结合,通过条件特征函数构造损失函数进而定义了函数型核函数最小二乘估计量.该估计量既具有函数型最小二乘法的优势——在扰动项服从厚尾分布时也能够稳健估计参数,又具有非参数核估计的特点——估计量的相合性不依赖于参数模型的正确设定.同时,本文探讨了该估计量的大样本性质,证明了其相合性和渐近正态性.进一步,本文研究了该估计量的自适应估计,即基于估计量渐近方差的相合估计量来选择最优估计.最后,本文通过数值模拟来探究函数型核函数最小二乘法的有限样本性质,并将该方法应用到我国PM_(2.5)和经济增长关系的研究中.

城市绿地生态系统多角度高光谱光化学反射植被指数与光能利用率的关系

光能利用率(LUE)是陆地生态系统总初级生产力(GPP)估算的一个重要参数。LUE的准确估算对于在区域甚至全球尺度上使用LUE模型估算GPP是非常重要的。一个基于通量塔的观测视场与通量观测足迹在时空上相匹配的自动多角度遥感平台为LUE在站点尺度上的准确估算提供了一个好方法。该文基于通量塔涡度相关(EC)和自动多角度高光谱连续观测获取的连续30 min的数据,在站点空间尺度和0.5 h与日时间尺度上,探讨了城市绿地生态系统秋季光化学反射植被指数(PRI)与LUE之间的关系。研究发现,反映植被叶面积和色素变化的植被绿度指数在秋季呈现逐渐下降的趋势,表征了植被冠层的状态与结构变化,叶片从绿色逐渐变黄凋落,植被冠层叶片的叶绿素逐渐减少,裸露的枝干增多;用空气温度和代表物候过程的绝对绿度指数(2G_RB)做线性回归分析,得到回归系数(R2)为0.60(p<0.001)。说明在城市绿地生态系统中,空气温度是决定植被物候过程的主要驱动因素,随着植被物候变化,叶片的凋落导致的裸露土壤的增多以及随时间变化的色素含量和其比例的变化将影响PRI和LUE的关系;采用植被生长模型(logistic曲线),拟合时间与2G_RB,得到曲率变化最快的点,确定为秋季植被落叶期的初日,即第290天。在0.5 h和日时间尺度上,PRI都可以捕捉LUE的变化。但是日尺度上不同物候期,PRI和LUE的关系发生了急剧的变化。在秋季植被正常生长期,PRI和LUE之间的关系最密切(R2=0.70,p<0.001)。当土壤温度大于15℃、光合有效辐射(PAR)大于300μmol·m^(–2)·s^(–1)以及饱和水汽压差(VPD)大于700 Pa的情况下,PRI能够更好地预测LUE。基于通量塔尺度上时空尺度相匹配,利用半经验的核驱动二向反射分布函数模型得到的高光谱PRI和通量观测得到的LUE在不同环境条件下的关系以及考虑到在植被的不同物候期对PRI和LUE的关系的优化,将会更加准确地估算城市绿地生态系统的LUE。

粗糙水面环境溢油目标多角度可见光偏振特性

为了更加准确地表征粗糙水面环境下溢油的偏振反射特性,建立了改进型溢油偏振二向反射分布函数(pBRDF)模型。该模型基于Priest-Germer (P-G)理论,引入遮蔽函数、漫反射和体散射分量,并结合水面微小平面的概率分布函数,更加适合检测粗糙水面背景的溢油偏振反射特性。在粗糙水面环境下对5种不同溢油(机油、原油、柴油、煤油、汽油)目标进行多角度可见光波段偏振特性测试实验。结果表明:若相对方位角为180°,线偏振度随观测天顶角的增大先增大后减小,随入射天顶角的增大也先增大后减小;线偏振度随相对方位角的增大先增大后减小,在相对方位角为180°时达到最大,且受波长影响较小。该模型的置信精度可达到80%以上,证明了该模型的准确性,为研究粗糙海面溢油的偏振特性提供了一种新的途径。