CN108318458A - 一种适用于不同天气条件下的室外典型地物pBRDF的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适用于不同天气条件下的室外典型地物偏振二向反射分布函数(pBRDF)的测量方法，包括以下步骤：在无遮挡的条件下，利用偏振成像探测***获取典型地物的偏振信息；完全遮挡直射太阳光的条件下，再次利用偏振成像探测***获取其偏振信息；将两次测量的典型地物偏振信息相减得到由地物反射太阳直射光和天空散射光得到的偏振光Stokes矢量；分别测量和计算遮挡物与探测***之间的距离和探测方位，以及遮挡物的姿态和大小；用太阳光度计测量气溶胶光学厚度、地面直接辐照度，结合当地气象条件选择大气模型参数；将大气模型参数输入辐射传输模型，得到天空散射光偏振信息；选用合适的典型地物参数模型，结合遮挡物方位，计算出被遮挡部分由地物反射天空散射光产生的Stokes矢量，在测得的Stokes矢量中减去由天空散射光引起的部分，最后通过与标准板的比较求解出典型地物表面真实的pBRDF值。本发明显著降低了天空散射光对典型地物pBRDF值测量造成的影响，提高了复杂天气下室外典型地物pBRDF的测量精度。

Description

一种适用于不同天气条件下的室外典型地物pBRDF的测量 方法

技术领域

本发明涉及一种近地遥感中适用于不同天气条件下的室外典型地物pBRDF的测量方法，具体涉及一种辐射传输模型与人工遮挡法相结合的大气效应校正方法。

背景技术

光的偏振是指光传播过程中，光波矢量的振动方向相对于广德传播方向失去对称性的现象。光的偏振特征是一种能够表征物体本质特征的物理量，对于地球表面和大气中的目标，在反射或发射电磁波的过程中，都会产生由他们自身性质所决定的偏振特性。因此，研究光的偏振特性为目标的检测、识别提供了一种新的信息，有助于提高目标检测的精度和速度。从20世纪80年代起，成像偏振探测的研究被应用于人工目标的识别、隐蔽目标的检测、水底目标的探测等领域。

光的偏振特征是指光的偏振态，通常可以同Jones向量、Stokes矢量来表示。Stokes矢量是G.G.Stokes在1852年研究部分偏振光时提出的，他采用一个4行1列的矩阵描述光的偏振信息，四个参数都是光强的时间平均值，可以采用各类成像设备直接或间接测量。Stokes矢量不仅可以表示完全偏振光，也可以表示部分偏振光甚至自然光，因此成像偏振探测多用Stokes矢量表示。

传统遥感仪器通常以辐射强度来判断目标的状态和性质，往往将偏振特性作为一种噪声来处理。随着定量遥感的发展，科研工作者开始注意到光线在经过地表或大气中的目标反射、散射、透射后，其偏振态会产生由材料表面的光学特性决定的变化，人们将目标的这种性质称为目标的偏振特性。

为了准确描述目标的偏振特性，人们在传统遥感领域的二向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF)的基础上，提出了偏振双向反射分布函数(Polarimetric BRDF，pBRDF)。pBRDF的意义是表示给定方向入射到目标表面的入射光的Stokes矢量，与经目标表面反射在某一方向产生的出射光的Stokes矢量之间的转化关系，可以表示为入射天顶角及方位角、出射天顶角及方位角、波长和物体表面特性参数相关的函数，通常采用穆勒矩阵表示。在近地遥感测量中，pBRDF常被用于典型地物分类和识别等课题的研究。描述典型地物表面偏振反射特性的pBRDF模型通常与物体表面的粗糙度、复折射率等参数相关。当下常用的pBRDF模型主要有微面元模型体系。

太阳光本身并不具有偏振特性，进入大气层后被各类气溶胶粒子折射后具有了偏振特性，使得入射到地面的光线是部分偏振光。这些部分偏振光构成了全天空范围内的天空光偏振态分布，人们提出了许多辐射传输模型用于描述这些天空光偏振态分布规律，常用的有RT3、SOSVRT、DISORT等。但由于难以获取实际大气气溶胶信息，同时由于实际天气条件下，气溶胶光学厚度和粒子谱分布函数不均匀，导致现有模型仅仅对某个已知相关参数的方向的天空光偏振态精度具有较高的精度，而不能保证全天空范围内各个方向的光线的偏振态的精确性。

在室外测量典型地物pBRDF的过程中，来自半球天空内各个方向的大气散射光对测量精度造成显著影响。传统的去除这种大气影响的方法被称为遮挡法，是利用一个遮挡物挡住太阳直射光，将未遮挡下测得的结果和遮挡下测得的结果相减，得到典型地物反射太阳直射方向上的光线得到的反射光偏振态，通过与标准板反射光比较求得地物真实的pBRDF。该方法认为被遮挡部分的太阳直射光是非偏振光，其优点在于晴朗天气下测量精度较高，操作简单；但在实际实验中由于需要将标准板与被测物一同遮挡在内，这将导致遮挡物的面积必定比太阳直射光的范围更大，会有一部分具有部分偏振性的天空散射光同样被遮挡在内，云雾较多的天气下，由于云层的多次散射会使太阳直射方向的光线也是部分偏振光。这种情况下，运用遮挡法测量典型地物pBRDF值会产生较大误差。针对此种情况，本发明提出了一种基于天空光偏振态模型与人工遮挡发相结合的测量方法，能在多云天气下保持较高的典型地物pBRDF测量精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术在复杂天气条件下不适用的问题，结合天空光偏振态模型和传统遮挡法的优点，提供一种适用于多种天气条件下的室外典型地物pBRDF的测量方法，提高复杂天气下测量典型地物pBRDF的精度。

为了达到以上发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

步骤1，使用偏振成像探测***，分别获取待测地物未遮挡太阳直射光和遮挡太阳直射光的条件下的地物反射光的偏振态图像，并用4乘1的Stokes矢量表示每个像素点的偏振态。将两幅图像相减，得到典型地物反射被遮挡方向上入射的光线产生的Stokes矢量。

步骤2.1，以待测物中心为圆心，建立极坐标系，半径方向为天顶角的余弦值μ，范围是0到1；角度方向为方位角φ，范围是0到360°。假设太阳相对于待测物的方位角为0°，高度角通过测量得出；测量出相机相对于待测物的方位角、高度角。

步骤2.2，制作遮挡物时，选取一个中心，将遮挡物中心相对于地面的高度设为定值H。测量遮挡物中心与待测物中心在水平方向上的距离D，根据遮挡物的形状，求出遮挡物边缘各点相对于地面的高度。

步骤2.3，求出遮挡物中心的天顶角余弦值结合步骤2.2中的结果，求出边缘各点的天顶角余弦值以及方位角。

步骤2.4，在步骤2.1所建立的极坐标系中表示出步骤2.3中的边缘点，边缘点围成面积的即是遮挡物相对于全天空的面积。

步骤3，用太阳光度计测量当地的太阳直接辐照度、气溶胶光学厚度，结合当地气溶胶类型和天气条件，选取合适的粒子谱分布函数，确定大气辐射传输模型中的各分层的勒让德多项式系数、单次散射反照率。

步骤4，将步骤3的参数输入大气辐射传输模型中，从输出结果中选取包含在步骤2所求范围内的点，求得被遮挡的天空范围内的天空光偏振态分布，同时求出太阳直射方向上带有偏振特性的天空散射光在部分偏振光中所占的比例。

步骤5，选取能够描述待测典型地物表面反射特性的表面反射模型，结合步骤4的结果，求得由天空散射光引起地物反射的Stokes矢量，将其从步骤1中的结果中减去，得到仅由地物反射太阳直射光引起的Stokes矢量，并与标准版反射值比较得到典型地物真实的pBRDF值。

本发明提供的室外典型地物pBRDF的测量方法与其他现有的方法相比，其优势在于：

1.通过引入辐射传输模型，有效减少了天空散射光对传统遮挡法测量精度的影响，提高了复杂天气条件下室外典型地物pBRDF的测量精度，扩宽了传统遮挡法测量地物pBRDF在不同天气下的应用范围。

2.仅需要计算太阳附近的天空光偏振态，其气溶胶信息可由太阳光度计测得，减少了由于气溶胶分布不均匀引起的误差，提高了天空光偏振态的计算精度。

3.本发明对遮挡物形状、大小的要求较低，可以采用简单的矩形遮挡物进行室外典型地物pBRDF的测量，减小了遮挡物制作难度和成本，提高了可操作性。

附图说明

附图1为本发明数据处理流程图。

附图2为被遮挡部分在极坐标系中所占面积的示意图。

具体实施方式

为了更清晰的解释本发明提供的测量方法，现列举实施例并结合附图说明，具体步骤如下：

1)整套方法处理数据的流程如附图1，获取地物pBRDF值的成像设备，使用基于LCVR的全偏振多谱段成像***，该***能够直接输出待测典型地物的Stokes矢量图像。利用该***采集典型地物在室外自然光照下的Stokes矢量S₁，以及遮挡物阴影下的Stokes矢量S₂，由此求得地物反射被遮挡方向上的光线产生的Stokes矢量S＝S₁-S₂。这里的S可以写成S＝S_D+S_R＝M(L_D+L_R)，其中S_D表示太阳直射光经地物反射后的Stokes矢量；S_R表示天空散射光经地物反射后的Stokes矢量；M表示典型地物的pBRDF，通常用一个4行4列穆勒矩阵表示；L_D表示被遮挡范围内的太阳直射光的Stokes矢量；L_R表示被遮挡范围内的天空散射光的Stokes矢量。

2)遮挡物的制作和摆放方法如下，制作矩形遮挡物，遮挡物下方用细杆固定，遮挡时使矩形面垂直于地面。遮挡物相对于全天空的方位和面积如附图2所示，以待测物中心为原点建立极坐标系表示半球天空，半径方向为天顶角的余弦值μ，范围从0到1；角度方向为方位角φ，范围从0°到360°。极坐标系上点的坐标表示为(μ,φ)，最***的一环μ＝1表示地平线。测量细杆着地点与待测物中心的距离，再根据细杆的长度和矩形遮挡物的边长可以求出矩形遮挡物四个角点的高度角和方位角。该遮挡物在极坐标系中所占面积如图2所示，其中，四个角点的坐标分别为A(0.863,350°)、B(0.863,10°)、C(0.522,17°)、D(0.522,343°)，这四个角点围成的面积就是遮挡物相对于全天空范围的面积。

3)太阳光度计选用Microtops II型太阳光度计，该光度计输出气溶胶光学厚度和地面受到的太阳直接辐照度，通过查询相关文献，结合晴朗天气，选择瑞利散射与米散射层的双层简化大气模式，米散射层的大气粒子近似为有效半径0.5μm，有效方差0.07的球形粒子，谱分布函数采用指数分布，气溶胶折射率采用城市气溶胶折射率1.50，计算得到表征散射特性的勒让德多项式系数和单次反照率。

4)辐射传输模型采用K.F.Evans提出的基于倍加累加法的RT3模型。将3)中的结果输入模型中，结合2)中的方位信息，求出被遮挡部分天空光的Stokes矢量L＝L_D+L_R以及偏振度分布。根据部分偏振光的定义，求出带有偏振特性的天空散射光的分量L_R。

5)本实施例中，选取的待测典型地物为金属板涂层，选用的表面反射模型采用G.Priest基于微面元理论提出的pBRDF模型，即为M，结合4)中求出的L_R可以计算出地物反射天空散射光产生的分量S_R。将其从1)的实测值S中减去，最终得到更为精确的pBRDF值。

本发明在已有室外典型地物pBRDF测量方法的基础上，针对传统方法在复杂天气下精度较差的现象，考虑到测量误差主要由天空散射光引起的问题，提出了采用辐射传输模型来修正天空散射光造成的影响；又考虑到现有辐射传输模型对天空光偏振态模拟的误差，主要由气溶胶在空间上分布不均匀造成的，仅采用太阳入射方向附近的天空光偏振度信息，并利用太阳光度计测量该方向上的气溶胶光学厚度和太阳辐照度以保证辐射传输模型对该范围内偏振度的仿真精度；最后结合传统测量方法与辐射传输模型的优点，实现室外典型地物pBRDF的高精度测量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种适用于不同天气条件下的室外典型地物pBRDF的测量方法，其特征在于：

步骤1，使用偏振成像探测***，分别获取待测典型地物未遮挡太阳直射光和遮挡太阳直射光的条件下的地物反射光的偏振态图像，并用4乘1的Stokes矢量表示每个像素点的偏振态。将两幅图像相减，得到地物反射被遮挡方向上入射的光线产生的Stokes矢量。

步骤2，以待测物中心为原点建立极坐标系，测量太阳、遮挡物、镜头之间的方位关系，以及遮挡物的大小和方位，求得被遮挡天空相对于全天空范围的面积大小和方位。

步骤3，用太阳光度计测量当地的太阳直接辐照度、气溶胶光学厚度，结合当地气溶胶类型和天气条件，选取合适的粒子谱分布函数，确定大气辐射传输模型中的各分层的勒让德多项式系数、单次散射反照率。

步骤4，将步骤3的参数输入大气辐射传输模型中，从输出结果中选取包含在步骤2所求范围内的点，求得被遮挡的天空范围内的天空光偏振态分布，同时求出太阳直射方向上带有偏振特性的天空散射光在部分偏振光中所占的比例。

步骤5，选取能够描述待测典型地物表面反射特性的表面反射模型，结合步骤4的结果，求得由天空散射光引起地物反射的Stokes矢量，将其从步骤1中的结果中减去，得到仅由地物反射太阳直射光引起的Stokes矢量，并与标准版反射值比较得到地物真实的pBRDF值。

2.根据权利要求1所述的一种适用于不同天气条件下的室外典型地物pBRDF的测量方法，其特征在于，步骤2中所述，具体步骤如下：

步骤2.1，以待测物中心为圆心，建立极坐标系，半径方向为天顶角的余弦值μ，范围是0到1；角度方向为方位角φ，范围是0到360°。假设太阳相对于待测物的方位角为0°，高度角通过测量得出；测量出相机相对于待测物的方位角、高度角。

步骤2.2，制作遮挡物时，选取一个中心，将遮挡物中心相对于地面的高度设为定值H。测量遮挡物中心与待测物中心在水平方向上的距离D，根据遮挡物的形状，求出遮挡物边缘各点相对于地面的高度。

步骤2.3，求出遮挡物中心的天顶角余弦值结合步骤2.2中的结果，求出边缘各点的天顶角余弦值以及方位角。

步骤2.4，在步骤2.1所建立的极坐标系中表示出步骤2.3中的边缘点，边缘点围成面积的即是遮挡物相对于全天空的面积。