[發(fā)明專利]一種面向遙感地物的雙向反射率分布的建模方法

有效

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• 申請日: 2014-04-21
• 公開（公告）號: CN103942431A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李奇;潘柯丞;趙利民;馮華君;徐之海;陳躍庭
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

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)

遙感成像尤其是多時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等。為了減弱或消除這些因素的影響，需要對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、幾何光學模型、經(jīng)驗/半經(jīng)驗模型。

（1）輻射傳輸模型

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致的平行光和空氣散射導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。鑒于實際問題的復雜性，只有當粗糙表面參數(shù)、電介質(zhì)和電磁波的頻率符合某些條件時才會得到令人滿意的解。

典型的輻射傳輸計算方法有三種：高頻近似法、積分方程法、以及嚴格的經(jīng)典解法。比較常見的幾何繞射法，物理光學法，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六十到七十年代被開發(fā)，當時研究者們在嘗試解決隨機粗糙物體表面的波散射問題時使用。基于物理光學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的情況。針對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際狀況相符。

針對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單次散射模式的修正提出了針對隨機粗糙表面介質(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，嚴格的電磁場理論被眾多專家深入探索并希望從中得到預測后向增強現(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)性是引起后向增強效應的主要原因之一，這現(xiàn)象在粗糙表面介質(zhì)的光波散射中非常常見。

通過嚴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，人們更多的時候所需要的是有普遍適用性并與實驗數(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，但對原模型當中的遮蔽函數(shù)進行了改進，能夠成功模擬大粗糙表面。

上述模型公式雖然可以在其應用范圍內(nèi)可以很好的模擬實際情況，但其應用范圍卻十分有限。首先，實際物體的表面是十分復雜的，難以進行數(shù)學上的表述，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，實際應用中尤其是在遙感成像的應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，人們在上述模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了其他計算目標表面反射系數(shù)的方法來方便實際工程的應用。

（2）幾何光學模型

在幾何光學模型中，實際物體的粗糙表面根據(jù)自身的統(tǒng)計特性被抽象為由許多數(shù)學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)計結(jié)果就構(gòu)成了隨機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)的鏡反射項以及服從朗伯散射定律的漫反射項兩者線性組合得到的數(shù)學公式即為幾何光學模型。針對具有某種特性的表面進行抽象和概括，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)可以得到相應的BRDF模型。

（3）經(jīng)驗/半經(jīng)驗模型

物理模型的確能得到精確的結(jié)果，并且有很強的理論依據(jù)，但是實際物體的表面的復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用的范圍有限。于是經(jīng)驗模型被人們發(fā)明出來以解決上述問題。