一种基于多角度测量构建二向性反射分布函数(BRDF)原型库的方法

摘要

本发明涉及一种基于多角度测量构建二向性反射分布函数(BRDF)原型库的方法。通过自定义的二向性反射平整指数(AFX)和ISODATA聚类算法，提出基于BRDF特征模式构建BRDF原型库的理论和方法，并以69组地表多角度测量数据和全球EOS地表验证核心点的历史数据(MCD43A)进行实现。该理论和方法摒弃传统上基于地表生态类型构建BRDF数据库的方法，也不同于现在业务化运行的MODIS全球像元对像元的BRDF数据库，具有体积小，构造简便，操作易行，可用于其它地表、机载和星载多角度观测数据中。本发明在空间信息技术领域，尤其在定量遥感方面，对提取BRDF先验知识反演地表参数具有理论和应用价值。

主权项

1.一种基于多角度测量构建二向性反射分布函数(BRDF)原型库的方法，步骤包括：步骤一：定义各向异性平整指数对于多角度测量数据，需要首先构建一个角度指数，获得二向性反射模式的变化规律。各向异性平整指数(Anisotropic Flat Index，AFX)定义为白天空反照率(White Sky Albedo，WSA)和半经验线性核驱动模型的各向同性参数(f_iso)之比，即$\mathrm{AFX}\left(\lambda \right)=\frac{\mathrm{WSA}\left(\lambda \right)}{f_{\mathrm{iso}}\left(\lambda \right)}---\left(1\right)$根据上述定义，可以推导出AFX与核驱动模型的三个参数关系：$\mathrm{AFX}\left(\lambda \right)=1+\frac{f_{\mathrm{vol}}\left(\lambda \right)}{f_{\mathrm{iso}}\left(\lambda \right)}*0.189184-\frac{f_{\mathrm{geo}}\left(\lambda \right)}{f_{\mathrm{iso}}\left(\lambda \right)}*1.377622---\left(2\right)$各向异性平整指数(AFX)的特性表现为：AFX＞1表示体散射大于几何光学散射，此时，二向性反射模式呈碗状；AFX＜1表示体散射小于几何光学散射，此时，二向性反射模式呈拱顶状；否则，AFX＝1表示体散射和几何光学散射相等，反射表面为朗伯反射。各向异性平整指数的这一特性可用于二向性反射模式的分类学研究。计算各向异性平整指数，需要先用半经验核驱动模型拟合多角度测量数据，获得模型的三个参数，然后根据公式(2)计算各向异性平整指数，如果已有二向性反射产品的白天空反照率和模型的各向同性参数，也可根据定义(1)直接计算。线性半经验核驱动模型表示为：R(θ_v，θ_s，Δφ，λ)＝f_iso(λ)+f_vol(λ)K_vol(θ_v，θ_s，Δφ)+f_geo(λ)K_geo(θ_v，θ_s，Δφ)(3)在此，R(θ_v，θ_s，Δφ，λ)是二向性反射分布函数，f_iso(λ)，f_vol(λ)和f_geo(λ)是模型的三个参数，分别称之为各向同性参数，体散射参数和几何光学参数；K_vol(θ_v，θ_s，Δφ)和K_geo(θ_v，θ_s，Δφ)是核驱动模型的体散射和几何光学核函数。给定植被结构参数，两个核函数是观测和太阳位置的三角函数。步骤二：聚类产生二向性反射分布函数类从多角度测量数据的各向异性平整指数中，用ISODATA聚类算法获得二向性反射分布函数类，本发明提出用平均拟合误差的递减规律来控制二向性反射分布函数类数量，方法流程如下：(1)对于多角度测量每一波段的各向异性平整指数，首先聚类产生连续多类别的二向反射分布函数类集合{C_i}(i＝2，3，…，m)。i表示聚类成2到m类时的情况。(2)根据公式(2)建立各向异性平整指数和核驱动模型三个参数的查找表，根据查找表，对每种分类情况，将每一类别的三个模型参数分别平均，获得每种分类情况类内三个模型参数的均值f_{m_iso}，f_{m_vol}和f_{m_geo}，该参数均值代表类内平均的二向性反射分布模式。(3)用二向性反射参数均值拟合类内的多角度观测，获得每种分类情况(i)、类内每组测量(j)的最小二乘拟合误差RMSE_ij(i＝2，3，…，m；j＝1，2，…，n)，平均得到每种分类情况的均值得到随分类数量增加的递减图，基于该图可判断当平均的最小拟合误差递减少至近似水平时的二向性反射函数类数，即为最终确定的二向性反射函数原型数。(4)对于MODIS二向性反射参数产品(MCD43A1)，在不能得到多角度原始观测的情况下，通过对模型参数决定的整个模型表面进行空间采样，确定相应采样点的二向性反射模型值作为观测值，重复步骤(3)，采样方法：对于不同的太阳角度，观测角度在天顶角和方位角的间隔分别为5°和10°。步骤三；计算主平面的二向性反射分布函数原型根据已获得的二向性反射原型参数f_{m_iso}，f_{m_vol}和f_{m_geo}，通过核驱动模型，计算主平面的二向性反射分布函数原型模式，对主平面二向性反射分布函数模式，通过模型的各向同性参数标准化，获得标准化的二向性反射分布函数模式：$\frac{R({\theta }_v,{\theta }_s,\mathrm{\Delta \phi },\lambda )}{f_{\mathrm{iso}}\left(\lambda \right)}=1+\frac{f_{\mathrm{vol}}\left(\lambda \right)}{f_{\mathrm{iso}}\left(\lambda \right)}{K}_{\mathrm{vol}}({\theta }_v,{\theta }_s,\mathrm{\Delta \phi })+\frac{f_{\mathrm{geo}}\left(\lambda \right)}{f_{\mathrm{iso}}\left(\lambda \right)}{K}_{\mathrm{geo}}({\theta }_v,{\theta }_s,\mathrm{\Delta \phi })---\left(4\right)$该模式的特点可以对二向性反射分布函数模式的光谱反射量标准化，因此，可以较好地目视判断二向性反射分布函数模式的渐变规律。