[發明專利]一種基于二向性反射分布函數(BRDF)原型反演地表反照率的方法

無效

• 申請號: 201310075882.3
• 申請日: 2013-03-11
• 公開（公告）號: CN103413014A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 焦子銻;張虎
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術領域

本發明涉及一種基于二向性反射分布函數(BRDF)原型反演地表反照率的方法，屬于空間信息技術領域。

二、背景技術

地球表面各向異性反射是自然界中物體對電磁波反射的基本宏觀現象，地表二向性反射分布函數的研究，是光學定量遙感研究領域重要組成部分。70年代以來，衛星遙感主要采取垂直觀測方式，獲取地表植被冠層的生物物理參數。隨著遙感技術的發展，植被與光輻射之間相互作用機理的深入研究，以及所面臨的各種新需求，人們越來越清楚地認識到，在推斷地表關鍵參數方面(如地表反照率)，多角度遙感提供了額外有效的信息源，起到了不可替代的作用。近20年來，隨著多角度星載傳感器的成功發射，對地研究已積累了大量的多角度觀測數據，但受空間采樣能力的限制，大多數機載或星載傳感器通常不能像地表多角度測量一樣，獲取足夠的空間采樣數據，有些稀疏多角度觀測數據由于空間信息量的不足，常常會導致反演的失敗，因此，如何有效利用這些信息量不足的稀疏多角度觀測數據反演地表反照率，是空間信息技術領域亟待需要解決的關鍵問題之一，也是定量遙感領域各國科學家正在積極研究探索的科學問題之一。

目前，應用稀疏多角度觀測數據反演地表反照率，通常依賴于一個二向性反射數據庫，早期的二向性反射數據庫試圖建立地表生態類型和地表二向性反射變化之間的規律，但是，有研究表明地表生態類型二向性反射變化類內方差通常會大于類間方差，這為該方法實際應用帶來很大的理論障礙；目前，MODIS采用像元對像元的全球BRDF數據庫，該數據庫基于高質量歷史數據累積，這個數據庫本身存在的問題在于：(1)需要假設不同年份相同時期的BRDF變化穩定一致，通過多年數據累積和填補，獲得相同時期高質量BRDF數據，而此假設并不能完全成立；(2)即使在該假設成立的情況下，獲得全球完整的多角度數據有很大困難，如，在赤道區域和高緯地區，由于云和太陽天頂角的影響，很難獲得高質量的BRDF數據；(3)數據量大，即，該方法產生的BRDF數據庫，通常有幾百個GB且不能獲得BRDF變化的基本規律，雖然MODIS傳感器依靠這樣一個量身定做的數據庫獲得全球反照率的量反演質量，但這個數據庫在用于其它多角度傳感器時，由于空間尺度和時間尺度的差異存在很大的困難，如在973項目支持下，對早期黑河區域飛行中獲取的機載WiDAS稀疏多角度數據的反演，這個數據庫應用很困難。

本發明基于我們早期構建的一個簡潔的BRDF函數原型庫，開發了一種應用稀疏多角度數據反演地表反照率的新方法，該方法不需要考慮地表生態類型，以及空間尺度和時相尺度的變化，通過應用構建的BRDF原型，對不同波段的稀疏多角度數據進行迭代擬合，獲得不同原型和稀疏多角度數據的最小二乘擬合誤差(RMSE)，通過選取最小RMSE所對應的原型作為最優BRDF原型，然后，求出該原型所對應的黑天空和白天空反照率，通過野外同步測量的天空散射光比例，計算真實地表反照率，最后，將反演結果與地表反照率表實測反照率進行對比，驗證算法精度，結果表明，本發明對于稀疏多角度數據的反演，與不使用BRDF原型約束的算法，其精度有明顯的改善，尤其對全反演算法失敗的情況改善效果顯著，體現了本發明的重要性和實用價值。

三、發明內容

1、目的：本發明目的是利用提取的BRDF原型反演機載WiDAS地表反照率，由于機載WiDAS傳感器稀疏采樣觀測角度窄，導致在利用核驅動模型進行全模型無約束反演時，在大觀測角度下缺少約束，使外延的BRDF形狀變化劇烈，從而導致反演的地表反照率錯誤，本發明利用BRDF原型進行約束，通過模型擬合BRDF原型與多角度觀測，選擇最優的BRDF原型，很好地結合了地表多角度觀測與地表BRDF先驗知識，成功反演機載WiDAS地表反照率。本發明在定量遙感方面，尤其對利用BRDF先驗知識反演地表反照率等關鍵地表參數方面提供了約束算法，有重要的應用價值。

2、技術方案：本發明涉及一種基于二向性反射分布函數(BRDF)原型反演地表反照率的方法，具體步驟如下(如圖1)：

步驟一：針對各原型求模型和觀測的最小擬合誤差

對于稀疏多角度采樣數據，BRDF空間采樣不足會導致多角度觀測信息量不足，因此，用全模型反演地表反照率，由于在大角度觀測方向缺少約束，會高估或低估反照率，BRDF原型提供了一種有效約束，通過對稀疏采樣數據用BRDF原型進行約束擬合，可綜合考慮傳感器實際觀測和地表各向異性反射變化，擬合過程可表示如下：