一种基于多角度测量构建二向性反射分布函数(BRDF)原型库的方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术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，属于空间信息

技术介绍
地球表面的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(BRDF)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，在推断地表参数方面，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，如P0LDER/ADE0S，CHRIS/PR0BA,MISR/Terra和MODIS/Terra+Aqua，对地研究已积累了大量的多角度观测数据，如何从这些多角度数据中提取有用的信息作为先验知识，是空间信息
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。目前基于多角度观测数据构造二向性反射数据库方面，通常采用合并地表生态类型来获取地表二向性反射变化规律，但是，有研究表明地表生态类型二向性反射变化类内的方差通常会大于类之间的方差，这为该方法的在全球尺度的应用带来很大的困难。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，但构造这样一个数据库存在的问题是(I)假设不完全成立，即，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；(2)获得全球完整的多角度数据有一定困难，即，即使在该假设成立的情况下，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)数据量巨大，即，该方法产生的BRDF数据库，通常有几百个GB且不能获得BRDF基本变化规律。目前，MODIS传感器依靠这样一个数据库获得全球反照率的量反演(magnitude inversion)质量。本专利技术采用各向异性平整指数，构建一个简洁的二向性反射分布函数原型库，主要特色体现在不考虑地表生态类型和时相的变化，对不同波段依据BRDF的变化规律进行聚类，产生基于BRDF变化规律的BRDF类别，进而获得BRDF原型，通过类内最小二乘拟合误差随分类数增加的递减变化，决定BRDF原型数。
技术实现思路
I、目的本专利技术的目的是从多角度测量数据中提取BRDF原型，由于地表二向性反射的复杂性，传统基于地表生态类别的方法不能很好表述BRDF类型变化，本专利技术利用BRDF的变化特征，通过对定义的各向异性平整指数(AFX)进行聚类，获得BRDF类型，进而产生BRDF的原型。本专利技术在定量遥感方面，尤其对反演植被结构或利用BRDF先验知识反演地表反照率等关键地表参数等方面有很好的理论和应用价值。2、技术方案本专利技术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，具体步骤如下(如图I)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(WhiteSky Albedo, WSA)和半经验线性核驱动模型的各向同性参数(fis。)之比，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(fiso)之比，即AFX(λ)=WSA(λ)fiso(λ)---(1)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：AFX(λ)=1+fvol(λ)fiso(λ)*0.189184-fgeo(λ)fiso(λ)*1.377622---(2)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(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数，fiso(λ)，fvol(λ)和fgeo(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；Kvol(θv，θs，Δφ)和Kgeo(θv，θs，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，本专利技术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{Ci}(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fm_iso，fm_vol和fm_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RMSEij(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fm_iso，fm_vol和fm_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：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)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。FSA00000781004900021.tif,FSA00000781004900022.tif...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦子锑，张虎，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：