本發明專利技術涉及一種基于多角度測量構建二向性反射分布函數(BRDF)原型庫的方法。通過自定義的二向性反射平整指數(AFX)和ISODATA聚類算法，提出基于BRDF特征模式構建BRDF原型庫的理論和方法，并以69組地表多角度測量數據和全球EOS地表驗證核心點的歷史數據(MCD43A)進行實現。該理論和方法摒棄傳統上基于地表生態類型構建BRDF數據庫的方法，也不同于現在業務化運行的MODIS全球像元對像元的BRDF數據庫，具有體積小，構造簡便，操作易行，可用于其它地表、機載和星載多角度觀測數據中。本發明專利技術在空間信息技術領域，尤其在定量遙感方面，對提取BRDF先驗知識反演地表參數具有理論和應用價值。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種基于多角度測量構建二向性反射分布函數(BRDF)原型庫的方法，屬于空間信息
技術介紹
地球表面的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(BRDF)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，在推斷地表參數方面，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，如P0LDER/ADE0S，CHRIS/PR0BA,MISR/Terra和MODIS/Terra+Aqua，對地研究已積累了大量的多角度觀測數據，如何從這些多角度數據中提取有用的信息作為先驗知識，是空間信息
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。目前基于多角度觀測數據構造二向性反射數據庫方面，通常采用合并地表生態類型來獲取地表二向性反射變化規律，但是，有研究表明地表生態類型二向性反射變化類內的方差通常會大于類之間的方差，這為該方法的在全球尺度的應用帶來很大的困難。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，但構造這樣一個數據庫存在的問題是(I)假設不完全成立，即，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；(2)獲得全球完整的多角度數據有一定困難，即，即使在該假設成立的情況下，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)數據量巨大，即，該方法產生的BRDF數據庫，通常有幾百個GB且不能獲得BRDF基本變化規律。目前，MODIS傳感器依靠這樣一個數據庫獲得全球反照率的量反演(magnitude inversion)質量。本專利技術采用各向異性平整指數，構建一個簡潔的二向性反射分布函數原型庫，主要特色體現在不考慮地表生態類型和時相的變化，對不同波段依據BRDF的變化規律進行聚類，產生基于BRDF變化規律的BRDF類別，進而獲得BRDF原型，通過類內最小二乘擬合誤差隨分類數增加的遞減變化，決定BRDF原型數。
技術實現思路
I、目的本專利技術的目的是從多角度測量數據中提取BRDF原型，由于地表二向性反射的復雜性，傳統基于地表生態類別的方法不能很好表述BRDF類型變化，本專利技術利用BRDF的變化特征，通過對定義的各向異性平整指數(AFX)進行聚類，獲得BRDF類型，進而產生BRDF的原型。本專利技術在定量遙感方面，尤其對反演植被結構或利用BRDF先驗知識反演地表反照率等關鍵地表參數等方面有很好的理論和應用價值。2、技術方案本專利技術涉及一種基于多角度測量構建二向性反射分布函數(BRDF)原型庫的方法，具體步驟如下(如圖I)步驟一定義各向異性平整指數對于多角度測量數據，需要首先構建一個角度指數，獲得二向性反射模式的變化規律。各向異性平整指數(Anisotropic Flat Index, AFX)定義為白天空反照率(WhiteSky Albedo, WSA)和半經驗線性核驅動模型的各向同性參數(fis。)之比，即本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于多角度測量構建二向性反射分布函數(BRDF)原型庫的方法，步驟包括：步驟一：定義各向異性平整指數對于多角度測量數據，需要首先構建一個角度指數，獲得二向性反射模式的變化規律。各向異性平整指數(Anisotropic？Flat？Index，AFX)定義為白天空反照率(White？Sky？Albedo，WSA)和半經驗線性核驅動模型的各向同性參數(fiso)之比，即AFX(λ)=WSA(λ)fiso(λ)---(1)根據上述定義，可以推導出AFX與核驅動模型的三個參數關系：AFX(λ)=1+fvol(λ)fiso(λ)*0.189184-fgeo(λ)fiso(λ)*1.377622---(2)各向異性平整指數(AFX)的特性表現為：AFX＞1表示體散射大于幾何光學散射，此時，二向性反射模式呈碗狀；AFX＜1表示體散射小于幾何光學散射，此時，二向性反射模式呈拱頂狀；否則，AFX＝1表示體散射和幾何光學散射相等，反射表面為朗伯反射。各向異性平整指數的這一特性可用于二向性反射模式的分類學研究。計算各向異性平整指數，需要先用半經驗核驅動模型擬合多角度測量數據，獲得模型的三個參數，然后根據公式(2)計算各向異性平整指數，如果已有二向性反射產品的白天空反照率和模型的各向同性參數，也可根據定義(1)直接計算。線性半經驗核驅動模型表示為：R(θv，θs，Δφ，λ)＝fiso(λ)+fvol(λ)Kvol(θv，θs，Δφ)+fgeo(λ)Kgeo(θv，θs，Δφ)(3)在此，R(θv，θs，Δφ，λ)是二向性反射分布函數，fiso(λ)，fvol(λ)和fgeo(λ)是模型的三個參數，分別稱之為各向同性參數，體散射參數和幾何光學參數；Kvol(θv，θs，Δφ)和Kgeo(θv，θs，Δφ)是核驅動模型的體散射和幾何光學核函數。給定植被結構參數，兩個核函數是觀測和太陽位置的三角函數。步驟二：聚類產生二向性反射分布函數類從多角度測量數據的各向異性平整指數中，用ISODATA聚類算法獲得二向性反射分布函數類，本專利技術提出用平均擬合誤差的遞減規律來控制二向性反射分布函數類數量，方法流程如下：(1)對于多角度測量每一波段的各向異性平整指數，首先聚類產生連續多類別的二向反射分布函數類集合{Ci}(i＝2，3，…，m)。i表示聚類成2到m類時的情況。(2)根據公式(2)建立各向異性平整指數和核驅動模型三個參數的查找表，根據查找表，對每種分類情況，將每一類別的三個模型參數分別平均，獲得每種分類情況類內三個模型參數的均值fm_iso，fm_vol和fm_geo，該參數均值代表類內平均的二向性反射分布模式。(3)用二向性反射參數均值擬合類內的多角度觀測，獲得每種分類情況(i)、類內每 組測量(j)的最小二乘擬合誤差RMSEij(i＝2，3，…，m；j＝1，2，…，n)，平均得到每種分類情況的均值得到隨分類數量增加的遞減圖，基于該圖可判斷當平均的最小擬合誤差遞減少至近似水平時的二向性反射函數類數，即為最終確定的二向性反射函數原型數。(4)對于MODIS二向性反射參數產品(MCD43A1)，在不能得到多角度原始觀測的情況下，通過對模型參數決定的整個模型表面進行空間采樣，確定相應采樣點的二向性反射模型值作為觀測值，重復步驟(3)，采樣方法：對于不同的太陽角度，觀測角度在天頂角和方位角的間隔分別為5°和10°。步驟三；計算主平面的二向性反射分布函數原型根據已獲得的二向性反射原型參數fm_iso，fm_vol和fm_geo，通過核驅動模型，計算主平面的二向性反射分布函數原型模式，對主平面二向性反射分布函數模式，通過模型的各向同性參數標準化，獲得標準化的二向性反射分布函數模式：R(θv,θs,Δφ,λ)fiso(λ)=1+fvol(λ)fiso(λ)Kvol(θv,θs,Δφ)+fgeo(λ)fiso(λ)Kgeo(θv,θs,Δφ)---(4)該模式的特點可以對二向性反射分布函數模式的光譜反射量標準化，因此，可以較好地目視判斷二向性反射分布函數模式的漸變規律。FSA00000781004900021.tif,FSA00000781004900022.tif...
【技術特征摘要】
1.一種基于多角度測量構建二向性反射分布函數(BRDF)原型庫的方法，步驟包括步驟一定義各向異性平整指數 對于多角度測量數據，需要首先構建一個角度指數，獲得二向性反射模式的變化規律。各向...
【專利技術屬性】
技術研發人員：焦子銻，張虎，
申請(專利權)人：北京師范大學，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。