一種面向遙感地物的雙向反射率分布的建模方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種面向遙感地物的雙向反射率分布的建模方法。本發(fā)明采用照度計(jì)與三維云臺(tái)組合構(gòu)成測量裝置，在固定的太陽天頂角情況下，通過云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬觀測角變化，獲得不同觀測角下的地物照度；然后以接收器方位角為0度時(shí)的測量數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其余方位下的反射率與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比值，完成相對(duì)反射率的計(jì)算；之后用最小二乘法參數(shù)擬合的方法得到雙向反射率分布模型中的待定參數(shù)。本發(fā)明加入了天頂角的三次方，使形態(tài)更為豐富，同時(shí)加入傳感器方位角的平移量，通過擬合可以得出合適的平移參數(shù)，使得模型最大值的位置根據(jù)太陽天頂角的變化而變化，其反射率分布更符合實(shí)際情況。
【專利說明】一種面向遙感地物的雙向反射率分布的建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種面向遙感地物的雙向反射率分布的建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]遙感成像尤其是多時(shí)相遙感成像總要受一些因素的影響，如太陽天頂角、傳感器觀測角、地面物體因季節(jié)變化、土地用途的改變、大氣的吸收與散射效應(yīng)等。為了減弱或消除這些因素的影響，需要對(duì)遙感地物的反射率建立模型，雙向反射率分布模型(BRDF)是描述這一特性的有用工具。按照是否有物理依據(jù)及所依據(jù)的物理原理的不同，BRDF可以分為三類:輻射傳輸模型、幾何光學(xué)模型、經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br> [0003]( I)福射傳輸模型
[0004]輻射傳輸模型是基于電磁場理論，根據(jù)所研究表面的基本特征設(shè)置邊界條件，通過求解方程得到的模型。在這種模型下將地面物體抽象為粗糙表面，這種表面在太陽直射導(dǎo)致的平行光和空氣散射導(dǎo)致的雜散光等的照射下所產(chǎn)生的散射波就構(gòu)成它在遙感成像中的BRDF表現(xiàn)。表面的散射特性是由它的幾何和電介質(zhì)特性決定的。鑒于實(shí)際問題的復(fù)雜性，只有當(dāng)粗糙表面參數(shù)、電介質(zhì)和電磁波的頻率符合某些條件時(shí)才會(huì)得到令人滿意的解。
[0005]典型的輻射傳輸計(jì)算方法有三種:高頻近似法、積分方程法、以及嚴(yán)格的經(jīng)典解法。比較常見的幾何繞射法，物理光學(xué)法，等效電磁流法，物理繞射法等都屬于高頻近似方法范疇。這些方法的理論基礎(chǔ)都是電磁場三色理論。并行使用高頻和低頻的近似方法在上世紀(jì)六十到七十年代被開發(fā)，當(dāng)時(shí)研究者們?cè)趪L試解決隨機(jī)粗糙物體表面的波散射問題時(shí)使用?；谖锢砉鈱W(xué)方程或是基爾霍夫方程，得到的高頻近似解比較符合后向散射發(fā)生在光波以小角度入射時(shí)的情況。針對(duì)入射角度較大的情況，采用微擾法的一階解得到的低頻近似解可以非常好地與實(shí)際狀況相符。
[0006]針對(duì)地球表面各種地貌地形(包括但不限于海水、冰、森林、沙漠等)的波散射的研究中都可以充分利用積分方程法來得到適合大幅度的粗糙尺度范圍的后向散射系數(shù)。不僅如此，積分方程法的散射公式還利用對(duì)單次散射模式的修正提出了針對(duì)隨機(jī)粗糙表面介質(zhì)的光波散射不可缺少的高權(quán)重組成部分——多重散射。此后，嚴(yán)格的電磁場理論被眾多專家深入探索并希望從中得到預(yù)測后向增強(qiáng)現(xiàn)象的方法。例如:在交叉極化的后向散射中，散射波與粗糙表面的相關(guān)性是引起后向增強(qiáng)效應(yīng)的主要原因之一，這現(xiàn)象在粗糙表面介質(zhì)的光波散射中非常常見。
[0007]通過嚴(yán)格的電磁場理論所得到的模型固然有很高的可靠度，但過程十分麻煩，并且每一種模型的適用范圍很窄，人們更多的時(shí)候所需要的是有普遍適用性并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較高吻合度的模型，而不是一味追求高精度，因此到了二十世紀(jì)末，研究者們開始努力尋找簡單而有效的模型來模擬高頻范圍的光波散射，這其中激光散射模型取得了較大的成功。這種模型以積分方程模型為基本框架，但對(duì)原模型當(dāng)中的遮蔽函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，能夠成功模擬大粗糙表面。
[0008]上述模型公式雖然可以在其應(yīng)用范圍內(nèi)可以很好的模擬實(shí)際情況，但其應(yīng)用范圍卻十分有限。首先，實(shí)際物體的表面是十分復(fù)雜的，難以進(jìn)行數(shù)學(xué)上的表述，也就極大的增加了根據(jù)電磁場理論求解方程的難度；此外，實(shí)際應(yīng)用中尤其是在遙感成像的應(yīng)用中不可能到所觀測的地域測量相關(guān)長度、表面均方高度等物理參數(shù)。為擺脫以上因素的制約，人們?cè)谏鲜瞿Ｐ偷幕A(chǔ)上發(fā)展了其他計(jì)算目標(biāo)表面反射系數(shù)的方法來方便實(shí)際工程的應(yīng)用。
[0009](2)幾何光學(xué)模型
[0010]在幾何光學(xué)模型中，實(shí)際物體的粗糙表面根據(jù)自身的統(tǒng)計(jì)特性被抽象為由許多數(shù)學(xué)上可描述的小面元構(gòu)成的拼接體。構(gòu)成物體表面的小面元與地物的表面正切并且遵守菲涅爾反射定律，它們的統(tǒng)計(jì)結(jié)果就構(gòu)成了隨機(jī)粗糙表面的光散射特性。與表面的菲涅爾反射函數(shù)、遮蔽函數(shù)以及小面元的分布函數(shù)有關(guān)的鏡反射項(xiàng)以及服從朗伯散射定律的漫反射項(xiàng)兩者線性組合得到的數(shù)學(xué)公式即為幾何光學(xué)模型。針對(duì)具有某種特性的表面進(jìn)行抽象和概括，得出一系列關(guān)于這一類表面的基本假設(shè)，基于這些假設(shè)可以得到相應(yīng)的BRDF模型。
[0011](3)經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br> [0012]物理模型的確能得到精確的結(jié)果，并且有很強(qiáng)的理論依據(jù)，但是實(shí)際物體的表面的復(fù)雜性是難以估量的并且有很多的中間結(jié)構(gòu)表面，并不是都能夠與模型所基于的一系列假設(shè)相符合，因此物理模型能夠應(yīng)用的范圍有限。于是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅蝗藗儼l(fā)明出來以解決上述問題。
[0013]經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪峭ㄟ^實(shí)測的反射實(shí)驗(yàn)，得到關(guān)于某一種表面大量的數(shù)據(jù)，利用基本函數(shù)構(gòu)造出的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合進(jìn)而不斷修改基本函數(shù)的類型和參數(shù)而得到的。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛蟠髷U(kuò)展了 BRDF模型所能描述的范圍。例如，五參數(shù)模型將地面物體的粗糙表面抽象為由許多小面元組成，其中每個(gè)小面元的法線方向在上半球空間，在不考慮衍射現(xiàn)象和微觀平面之間的多次反射的情況下微觀表面鏡面反射的總和構(gòu)成粗糙表面的光散射，再加上漫反射分量來表示地物近表層的輻射散射，對(duì)于大粗糙度表面(如建筑物、路面、沙地等)可以較好地描述jtaylor&Suttles模型根據(jù)大量的測量數(shù)據(jù)總結(jié)出線性與非線性相加的函數(shù)表達(dá)式，一般用于沙漠干旱地區(qū)環(huán)境以及粗糙但分布均勻的水泥地面的模擬；Walthall模型為天頂角和觀測角的二次方形式，具有互易性的特點(diǎn)，廣泛用于模擬均勻植被、裸土、沙漠和水泥地面等粗糙表面的反射。雖然經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒皇侨f能的，很多現(xiàn)象不能模擬，但是作為一種簡單有效的工具，這種模型無疑是一種大有前途的方法，現(xiàn)在還有很多學(xué)者致力于不斷完善和發(fā)展，本發(fā)明建立的模型也屬于種經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆懂牎?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是提供一種雙向反射率分布的建模方法，通過實(shí)測的照度數(shù)據(jù)進(jìn)行反射率轉(zhuǎn)換，并用參數(shù)擬合的方法得到雙向反射率分布模型方程。
[0015]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0016]采用照度計(jì)與三維云臺(tái)組合構(gòu)成測量裝置，在固定的太陽天頂角情況下，通過云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬觀測角變化，獲得不同觀測角下的地物照度；然后以接收器方位角為O度時(shí)的測量數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其余方位下的反射率與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比值，完成相對(duì)反射率的計(jì)算；之后用最小二乘法參數(shù)擬合的方法得到雙向反射率分布模型中的待定參數(shù)，即下式中的pi ?p50
【權(quán)利要求】
1.一種面向遙感地物的雙向反射率分布的建模方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 第一步，采用照度計(jì)與三維云臺(tái)組合構(gòu)成測量裝置，獲得不同觀測角下的地物照度；第二步，以接收器方位角為O度時(shí)的測量數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其余方位下的反射率與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比值，完成相對(duì)反射率的計(jì)算； 第三步，用最小二乘法參數(shù)擬合的方法得到雙向反射率分布模型中的待定參數(shù)，從而完成建模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向遙感地物的雙向反射率分布的建模方法，其特征在于:測量裝置中，三維云臺(tái)帶動(dòng)照度計(jì)在俯仰方向和方位方向轉(zhuǎn)動(dòng)模擬觀測角變化，獲得不同觀測角下的地物照度。
3.用于權(quán)利要求1所述的一種面向遙感地物的雙向反射率分布的建模方法，其特征在于:所述的雙向反射率分布模型為:
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103942431SQ201410162026
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】李奇, 潘柯丞, 趙利民, 馮華君, 徐之海, 陳躍庭 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)