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为研究地物背景的偏振反射特性,综合考虑了镜面反射、体散射和后向散射,建立了一种六参量偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型。该模型利用Kubelka-Munk(KM)理论模拟体散射分量,并引入呈高斯分布的后向散射分量,改进了传统的偏振BRDF模型。建立的六参量偏振BRDF模型更加符合地物背景的偏振反射特性。基于多角度偏振测量原理,获得草地和土壤在不同观测几何下的偏振光谱,分析了偏振反射分布特征,并从实测数据中反演了模型参量,将测量值与仿真值进行了对比。结果表明:所建立的六参量偏振BRDF模型的仿真结果与实测数据之间具有很好的吻合性,证实了该模型的准确性与有效性。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
国家自然科学基金青年基金
作者简介
杨敏
男
博士研究生
主要从事光电信息获取与处理技术方面的研究
导师简介
方勇华
男
教授
博士生导师
主要从事遥感与 光谱 图像 分 析
以 及红 外 遥 感
大 气辐 射 校 正等 方 面
的研究
通信联系人
基于六参量偏振
BRDF
模型的地物背景偏振反射
特性研究
杨 敏
,
,
方 勇 华
,
,
吴 军
,
崔 方 晓
中国科学技术大学环境科学与光电技术学院
安徽 合肥
中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室
安徽 合肥
摘要
为研究地物背景的偏振反射特性
综合考虑了镜面反射
体散射和后向散射
建立 了一 种六 参量 偏振 双向 反
射分布函数
模型
该模型利用
理论模拟体散射分量
并引入呈高斯分布的后 向散 射
分量
改进了传统的偏振
模型
建立的六参量偏振
模型更加符合地物背景的偏振 反射 特性
基于 多
角度偏振测量原理
获得草地和土壤在不同观测几何下的偏振光谱
分析了偏振反 射分 布特 征
并从 实测 数据 中反
演了模型参量
将测量值与仿真值进行了对比
结果 表明
所 建立 的 六 参量 偏 振
模 型的 仿 真 结果 与 实 测数
据之间具有很好的吻合性
证实了该模型的准确性与有效性
关键词
物理光学
偏振
后向散射
双向反射分布函数
地物背景
中图分类号
文献标识码
doi
PolarizedReflectancePro
p
ertiesforGroundGFeature
sBack
g
round
BasedonSixGCom
p
onent
p
BRDF Model
Schoolo
f
EnvironmentScienceandO
p
toelectronicTechnolo
gy
Universit
y
o
f
Scienceand
Technolo
gy
o
f
China
He
f
ei
Anhui
China
Ke
y
Laborator
y
o
f
O
p
ticalCalibrationandCharacterization
AnhuiInstituteo
f
O
p
ticsand
FineMechanics
ChineseAcadem
y
o
f
Science
He
f
ei
Anhui
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
光
学
学
报
引
言
偏振 是光的基 本特征之 一
位于地 表的任何 物
体都存在一定的偏振现象
偏振探测作为光强探
测的补充
同非偏振探测相比
能够提供更多区分目
标的特征信息
偏振特性是目标所具有的较稳定的
特性
不同性质目标之间的偏振特性差异较大
目标
与背景之间的偏振特性差异较为明显
目标与背
景的偏振特性研究 在 目 标 的 探 测
识别及分类等领
域都发挥着重要的作用
自然地物是最典型的背景
之一
研究其偏振反射特性
为自然背景下快速
准
确地识别目标提供了保证
自然地物的偏振特性通
常采用偏振反射 率
来表征
它是基于反射辐射的
偏振分量所获得的反射率
与反射率相比
更能反映
地物背景的物理特性
具有广阔的应用前景
目前关于自然地物偏振特性研究都是对高空平
台
和地面测量
获取 的 偏 振 信 息 进 行 分 析
高
空平台探测过程中自然地物所产生的偏振信息在传
输过程中均受大气 影 响
所获得的偏振信息不完全
是由自然地物所产生的
要想获得自然地物最真实
的偏振信息
开展地物野外测量是必不可少的
在
分析自然地物的偏 振 反 射 特 性 时
将实测的偏振信
息与偏振模型相结 合
对自然地物自身偏振反射特
性的解释以及对自然背景下目标的准确识别具有非
常重要的意义
国内外在利用地面测量的自然
地物偏振数据进行 偏 振 建 模 方 面 取 得 了 一 定 进 展
在野外 环 境 下 测 量 了 各 种 自 然 地 物 的 反 射
率和偏振度
分别建立了相对应的经验模型
等
利用地物 多 角 度 光 谱 偏 振 成 像 系 统 测 量 了 几
种典型地物的偏振 态
并建立了一种半经验偏振双
向反射分布函数
模型
赵云升 等
利用
多角度偏振测量装置对土壤
植被等地物进行测量
研究了各地物的偏振反射率特性及相关应用
赵永
强等
利用最 小 二 乘 支 持 向 量 机 的 方 法 对 土 壤 背
景光 谱 偏 振
进行了建模分析
吕云峰等
利用双向反射模型反演了土壤含水量
以上研究
对自然地物的建模 研 究 不 够 深 入
尤其是在模型中
忽略了后向散射分 量
并且不能描述体散射的产生
过程
本文利用
理论
对体
散射分量进行建模
并引入后向散射分量
建立一种
六参量偏振
模型
针对典 型的地物背景
以
草地和土壤为研究对象
开展多角度偏振特性测量
分析草地和土壤偏振信息的光谱特性以及半球空间
分布特征
结合实测数据
利用遗传算法反演出模型
参量
验证模型的准确性和可靠性
该研究结果可
以为地物背景的偏振研究提供参考
理论基础
21
定义
目标表面反 射 光 偏 振 态 通 常 用
矢 量 表
示
S
IQ U V
具体计算公式如下
I
=
I
°
+
I
°
+
I
°
Q
=
I
°
-
I
°
-
I
°
U
=
I
°
-
I
°
V
=
I
-
I
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
式中
I
θ
θ
表示偏振片旋转
θ
角度
时探测器获得的线偏振光强度
I
I
分别为左旋和
右旋圆偏振光强度
在研究自然地物的偏振反射光
过程中
圆偏振分量可忽略不计
参照双 向反射
比的定义
本文主要测量地物背景的 偏振反射 比
R
可以定义 为 相 同 入 射
反 射 条 件 下
目 标 的 偏
振 反 射 光 与 理 想 朗 伯 体 反 射 光 之 间 的 比 值
表
示为
R
=
I
L
=
Q
+
U
L
式中
I
为地物背景的偏振反射辐射亮度
L
为标
准白板的 反 射 辐 射 亮 度
除 了 测 量 偏 振 反 射 比 之
外
还测量了地物背景的反射比
R
表示为
R
=
L
L
式中
L
为地物背景的反射辐射亮度
2.2
六参量偏振
BRDF
模型
双向 反射分布 函数是一 个基本的 光学参数
描
述了某一方向的入射光波
经目标表面反射后
其反
射能量在上半球空间的分布情况
其表达式为
f
θ
ϕ
θ
ϕ
λ
=
L
θ
ϕ
θ
ϕ
λ
E
θ
ϕ
λ
式中
λ
为波长
θ
ϕ
分别为 入射方向 天顶角
方位
角
θ
ϕ
分 别 为 反 射 方 向 天 顶 角
方 位 角
L
θ
ϕ
θ
ϕ
λ
为沿着反射方向的辐射亮度
E
θ
ϕ
λ
为沿着入射方向的辐照度
图
为
的几何
角度关系
其中
α
为微面 元法线与 目标表面 法线的
夹角
β
为微面元法线与入射光
反射光之间的夹角
n
n
n
为目标的复折射率
n
随波长变化
偏振
是标量
的一般 形式
可以用
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