[发明专利]一种基于二向性反射分布函数(BRDF)原型反演地表反照率的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种基于二向性反射分布函数(BRDF)原型反演地表反照率的方法，属于空间信息技术领域。

二、背景技术

地球表面各向异性反射是自然界中物体对电磁波反射的基本宏观现象，地表二向性反射分布函数的研究，是光学定量遥感研究领域重要组成部分。70年代以来，卫星遥感主要采取垂直观测方式，获取地表植被冠层的生物物理参数。随着遥感技术的发展，植被与光辐射之间相互作用机理的深入研究，以及所面临的各种新需求，人们越来越清楚地认识到，在推断地表关键参数方面(如地表反照率)，多角度遥感提供了额外有效的信息源，起到了不可替代的作用。近20年来，随着多角度星载传感器的成功发射，对地研究已积累了大量的多角度观测数据，但受空间采样能力的限制，大多数机载或星载传感器通常不能像地表多角度测量一样，获取足够的空间采样数据，有些稀疏多角度观测数据由于空间信息量的不足，常常会导致反演的失败，因此，如何有效利用这些信息量不足的稀疏多角度观测数据反演地表反照率，是空间信息技术领域亟待需要解决的关键问题之一，也是定量遥感领域各国科学家正在积极研究探索的科学问题之一。

目前，应用稀疏多角度观测数据反演地表反照率，通常依赖于一个二向性反射数据库，早期的二向性反射数据库试图建立地表生态类型和地表二向性反射变化之间的规律，但是，有研究表明地表生态类型二向性反射变化类内方差通常会大于类间方差，这为该方法实际应用带来很大的理论障碍；目前，MODIS采用像元对像元的全球BRDF数据库，该数据库基于高质量历史数据累积，这个数据库本身存在的问题在于：(1)需要假设不同年份相同时期的BRDF变化稳定一致，通过多年数据累积和填补，获得相同时期高质量BRDF数据，而此假设并不能完全成立；(2)即使在该假设成立的情况下，获得全球完整的多角度数据有很大困难，如，在赤道区域和高纬地区，由于云和太阳天顶角的影响，很难获得高质量的BRDF数据；(3)数据量大，即，该方法产生的BRDF数据库，通常有几百个GB且不能获得BRDF变化的基本规律，虽然MODIS传感器依靠这样一个量身定做的数据库获得全球反照率的量反演质量，但这个数据库在用于其它多角度传感器时，由于空间尺度和时间尺度的差异存在很大的困难，如在973项目支持下，对早期黑河区域飞行中获取的机载WiDAS稀疏多角度数据的反演，这个数据库应用很困难。

本发明基于我们早期构建的一个简洁的BRDF函数原型库，开发了一种应用稀疏多角度数据反演地表反照率的新方法，该方法不需要考虑地表生态类型，以及空间尺度和时相尺度的变化，通过应用构建的BRDF原型，对不同波段的稀疏多角度数据进行迭代拟合，获得不同原型和稀疏多角度数据的最小二乘拟合误差(RMSE)，通过选取最小RMSE所对应的原型作为最优BRDF原型，然后，求出该原型所对应的黑天空和白天空反照率，通过野外同步测量的天空散射光比例，计算真实地表反照率，最后，将反演结果与地表反照率表实测反照率进行对比，验证算法精度，结果表明，本发明对于稀疏多角度数据的反演，与不使用BRDF原型约束的算法，其精度有明显的改善，尤其对全反演算法失败的情况改善效果显著，体现了本发明的重要性和实用价值。

三、发明内容

1、目的：本发明目的是利用提取的BRDF原型反演机载WiDAS地表反照率，由于机载WiDAS传感器稀疏采样观测角度窄，导致在利用核驱动模型进行全模型无约束反演时，在大观测角度下缺少约束，使外延的BRDF形状变化剧烈，从而导致反演的地表反照率错误，本发明利用BRDF原型进行约束，通过模型拟合BRDF原型与多角度观测，选择最优的BRDF原型，很好地结合了地表多角度观测与地表BRDF先验知识，成功反演机载WiDAS地表反照率。本发明在定量遥感方面，尤其对利用BRDF先验知识反演地表反照率等关键地表参数方面提供了约束算法，有重要的应用价值。

2、技术方案：本发明涉及一种基于二向性反射分布函数(BRDF)原型反演地表反照率的方法，具体步骤如下(如图1)：

步骤一：针对各原型求模型和观测的最小拟合误差

对于稀疏多角度采样数据，BRDF空间采样不足会导致多角度观测信息量不足，因此，用全模型反演地表反照率，由于在大角度观测方向缺少约束，会高估或低估反照率，BRDF原型提供了一种有效约束，通过对稀疏采样数据用BRDF原型进行约束拟合，可综合考虑传感器实际观测和地表各向异性反射变化，拟合过程可表示如下：