T/CI 003—2021
地表-地物偏振遥感探测技术规范
Standard on polarimetric remote sensing measurements over land surface and object
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- 3 地表-地物偏振遥感探测内容 3.1 基本原则 偏振作为一种新的遥感观测手段，并作为常规遥感的补充，具有“弱光强化”、“强光弱化”的重要物理特征，以极大延伸遥感暗亮两端探测区。这种能力归纳为地表-地物偏振遥感的五大特征：多角度反射物理特征、多光谱化学特征、粗糙度与密度结构特征、信息-背景高反差比滤波特征与多次散射能量辐射传输特征。为了对地表-地物的这些偏振遥感特征进行科学探测，需把握以下三个原则： 科学可行性原则：探测目的要明确，探测原理要正确，探测对象和探测手段要选择恰当，整个设计思路要满足本学科的基本科学准则。 单一变量原则：在控制偏振信息的各种因素中，保持其他因素不变，只改变其中一个因素，观察其对获取的偏振信息的影响。 平行重复的原则：对所做探测的实验在同样条件下，进行多次重复实验，以获得一般结论，切不可只进行少数几次测试轻易得出结论。 3.2 基本原理 假设入射辐射为单位辐射量，辐射在地表，地表内部及二者之间都会发生多次散射作用，而最后传感器获得的出射辐射，是这三者的总和。一般而言，入射到地表的辐射，或被直接散射回大气中，或被吸收，或进入到地表内部中。进入到地表内部的辐射会与地表内部的物质，如水分等发生生化作用，也会部分被散射，部分被吸收。但是与地表散射不同的是，这部分散射是与地表内部的物质含量相关的，其对辐射的调制作用体现在反射率上，这部分辐射是非偏振的。辐射与地表-地物进行相互作用的示意图如图1所示。 图1辐射与地表-地物相互作用示意图 设地表-地物的散射反照率为 ，地表直接被反射的概率为 ，在地表内部向上散射的概率为 ，向下散射的概率为 。根据菲涅尔原理，我们知道在地表直接被反射的辐射是部分偏振的，也就是说 可以进一步分解为： 其中， 代表线偏振部分，而 代表非偏振部分。 进入到地表内部，与其相互作用后，辐射被向上散射的总概率为： 则辐射被吸收的概率 以及向下透射的概率 为 传感器接收到的辐射与地表及部相互作用后的总能量则可以简单表述为： 则传感器探测到的偏振度为： 而一般情况下， 可以认为是常量，即是与波长无关的量。当地表的反射率较低时，即 表现为较小值，从视觉效果来看，目标会显得很暗，则偏振度 表现为较大值，则实现了“弱光强化”的过程；反之，当地表的反射率较大时，即 表现为较大值，从视觉效果来看，目标会显得很亮，则偏振度 表现为较小值，则实现了“强光弱化”的过程。 若测得地表的反射率为R，则对应的偏振反射率R_p可表示为：R_p=R?p。 基于上述原理，可实现对地表-地物偏振特性的不同尺度的相关分析、角度分析、波段分析、斯托克斯分量分析，以获取地表-地物的多角度反射物理特征、多光谱化学特征、粗糙度与密度结构特征、信息-背景高反差比滤波特征与多次散射能量辐射传输特征，地表-地物偏振遥感探测的分析关系如图2所示。 图2 地表-地物偏振遥感探测 在进行探测时，不可缺少的是多角度探测几何的设置、光源系统、二向性反射光度计系统、仪器的波段设置及控制系统的选择。 3.2.1 多角度探测几何 进行多角度探测，需要确立坐标系系统。规定如下：探测天顶角以垂直向下探测为0°，光的前向方向为正，后向方向为负；探测方位角以光源所在方位为0°，顺时针旋转。如图3所示。 θi：入射天顶角；θr：探测天顶角；φr：探测方位角 图 3测量几何示意图 图 4倾斜探测示意图 垂直探测和倾斜观测时，探测视场的面积将发生变化，如图4所示，α为探测器全视场角/2，β为探测天顶角，y为垂直探测，即探测天顶角0°时的视场半径，此时视场为圆形。倾斜观测时，即探测天顶角变化时，视场变化为椭圆，此时y对应拉长为z。由示意图可得： y = x tan ? z = h [tan(? + ?)-tan(?)] 3.2.2光源系统 在光源系统中，采用溴钨灯等稳定光源为照射光源，加光学成像系统，使光线在被照射的目标物上获得均匀光斑，该光斑要大于被测物体尺寸。如果是进行室外测量，则选择太阳光为光源，在晴朗无云的天气进行。 在实验室测量时，为了能改变光源入射角，设置了光源支架，光源支架上每隔一定角度设定一个入射方位，其范围从天顶角算起，应该能在0o～60°变化，这样光源在支架上可以根据测量需要来调节光源入射角度的大小。同时光源的入射处还安装可以旋转的偏振片，光经过偏振片后形成不同偏振态的偏振光，最后照射在目标地表-地物上。在室外测量时，则应每隔一段时间进行测量，以保证在不同时间时，太阳天顶角的改变。 3.2.3 二向性反射光度计系统 该光度计的探测架应是可以转动的，其方位角为0o～360°，并且可以每隔一定方位角度为采集数据，这样在水平方向上一次可以测到多个角度数据。此时所测的数据就是地表-地物的多角度二向性反射光谱；当配有偏振片时，对准偏振片的0°，即为透光轴方向，所测数据定义为地表-地物的0°偏振数据；对准90°，即为消光轴方向，所测数据定义为地表-地物的90°偏振数据。 3.2.4仪器的波段设置及控制系统 地表-地物的偏振和反射特性会随波长而改变，若对地表-地物特性熟悉，可只设定固定几个特征波段（即多光谱），若对地表-地物特性不熟悉，则采用高光谱传感器。 为了进行数据的快速采集，减少人为的干预，可以采取自动控制系统，即探测架在载物台上通过计算机控制能自动旋转并采集数据，这样实现计算机直接对光谱数据进行自动测量、采集、存储和显示。 3.3 探测步骤 地表-地物偏振遥感探测一般采取以下步骤： 图5 探测步骤