一种基于brdf模型的考虑墙壁影响的偏振高光谱场景仿真方法
【专利摘要】一种基于BRDF模型的考虑墙壁影响的偏振高光谱场景仿真方法，涉及一种偏振高光谱场景仿真方法，属于遥感或物理光学图像处理【技术领域】。本发明解决了现有的仿真场景中地物的设置只考虑了最典型的较少类，与实际相差较大，考虑入射光与墙壁的作用时只涉及到了镜面反射，忽略了定向散射和均匀漫反射，使得仿真结果不精确，效果不佳；BRDF解析形式较少，不便于计算的问题。本发明技术要点为：建立解析形式的BRDF模型；基于解析形式的BRDF模型求取墙壁二次散射的出射辐亮度；偏振高光谱场景仿真。本发明适用于遥感和物理光学图像处理领域。
【专利说明】一种基于BRDF模型的考虑墙壁影响的偏振高光谱场景仿 真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种偏振高光谱场景仿真方法，尤其涉及一种基于BRDF模型的考虑 墙壁影响的偏振高光谱场景仿真方法，属于遥感或物理光学图像处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 高光谱成像模型可看做地面场景模型和大气场景模型的耦合体，再综合偏振遥 感即可实现偏振高光谱场景仿真。确定性冠层模型是通过确定仿真场景中冠层的几何关 系来计算地面反射率。利用 FCR 模型（Kuusk A. A Fast, Invertible Canopy Reflectance Model [J] · Remote Sens. Environ, 1995, 51 (3) : 342-350.)可以求取冠层的光谱反射率，再 结合混合象兀模型（Li X，Strahler A Η· Geometric-optical Bidirectional Reflectance Modeling of the Discrete Crown Vegetation Canopy:Effect of Crown Shape and Mutual Shadowing [J]· IEEE Trans. 1992, 30(2) :276-292.)可得到冠层单位像素的光谱反射率，即 实现高光谱地面场景模型仿真。Verhoef提出的基于地表为非均匀、非朗伯体面的四流地 表-大气福射传输模型（Verhoef W, Bach H. Simulation of hyperspectral and directional radiance images using coupled biophysical and atmospheric radiative transfer models [J] · Remote Sens. Environ, 2003, 87 (1) : 22-41.)精度较高，且一直沿用至今。结合 modtran仿真软件，可以得到传感器接收的程辐射亮度、邻近像元辐射亮度、目标直接反射 太阳光和天空光的辐射亮度，即实现高光谱大气场景模型仿真。通过模拟真实的高光谱遥 感成像系统可以实现高光谱遥感简单场景仿真。
[0003] 偏振高光谱仿真是在高光谱仿真基础上加入偏振信息，将原本的光谱反射率换成 偏振反射率就能得到传感器接收的偏振辐射亮度。由于仿真场景中墙壁的存在，入射到地 物微元的能量不仅包括直接入射的太阳光和大气中散射的天空光，还包括墙壁反射的太阳 辐射能量，这也是引起偏振的原因。即
[0004]
【权利要求】
1. 一种基于BRDF模型的考虑墙壁影响的偏振高光谱场景仿真方法，其特征在于所述 方法包括以下步骤： 步骤一、建立解析形式的BRDF模型，具体为： 假设光传播单位向量为匕次卜其中A-,'、λ·丨分别表不光沿入射方向和出射方向传播的 单位矢量；偏振单位向量为其中i、?分别表示垂直和平行入射面的极化分量，则双 向反射分布函数定义为： 光沿出射方向单位面积、单位立体角的辐射通量与沿入射方向单位面积 的辐射通量之比，用Pbd表示：
(2-1) 式中屯供肩次水）表示出射辐亮度，Ii、軏分别表示入射辐亮度和入射立体角， θρ θρ 分别表示入射光和出射光的天顶角以及相对方位角； 则解析形式的BRDF模型表示为： P bd P bd，sp+ P bd，dd+ P bd，ud (2-2) Pbd，sP、Pbd，dd和Pbd，ud分别表示镜面反射、定向散射以及均匀漫反射引起的双向反射 率； 步骤二、基于步骤一的BRDF模型求取墙壁二次散射的出射辐亮度，包括如下步骤： 步骤二一、求取墙壁上的一个面微元ds接收到的太阳直接入射功率； 步骤二二、点光源（m，η)对目标微元（x，y)产生的辐照度的推导； 步骤二三、整个墙壁对目标微元（x，y)产生的辐亮度的推导； 步骤三、偏振高光谱场景仿真。
2. 如权利要求1所述的一种基于BRDF模型的考虑墙壁影响的偏振高光谱场景仿真方 法，其特征在于步骤二一的具体过程为： 假设太阳位于墙壁的正前方，即太阳入射到墙壁的光线为平行光；太阳光入射的总能 量为Es，太阳天顶角为0s，墙壁上的一个面微元ds接收到的太阳直接入射功率为： Pi = Es τ sssin Θ sds (3-1) 式中τ ss通过四流地表-大气辐射传输模型得到，表示太阳光通过大气直接照射到目 标的比率； 对于均匀墙壁，利用照射到单位面积上的入射功率Pi与出射功率dP,，BRDF公式重写 为：
(3-2) 则单位面积上的出射功率为： dPr - P bd-wallPiC0S ? (3_3) 式中p bdiall是基于BRDF模型计算得到的墙壁双向反射率，dWi为入射立体角。
3. 如权利要求2所述的一种基于BRDF模型的考虑墙壁影响的偏振高光谱场景仿真方 法，其特征在于步骤二二的具体过程为： 将单位面积上的出射功率转化为出射强度为：P M^PiCOS Θ iClWi/ ;若面微元ds足 够小，则看作点光源；点光源对目标微元（x，y)产生的辐照度推导如下： 假设点光源的辐射强度为JJ，目标微元（X，y)的面积为4，且点光源到目标微元的距 离为L，ddi线与入射光的夹角为Θ ;则点光源对dA所张的立体角为4/12;由辐射强度和 辐照度的定义得目标微元所接受到的辐照度为： H = Jcos Θ /L2 (3-4) 假设太阳光入射到墙壁上的点为〇'，则以〇'为原点建立坐标系x'y'z'，θρ Θμ办化 分别表示BRDF模型中入射光和出射光的天顶角以及相对方位角；同时在水平地面建立以ο 为坐标原点的直角坐标系xy，墙壁在水平面上的横坐标从Χ(ι变化到Xl，纵坐标从％变化 到yi，在墙壁与水平地面X(i, yci的交点处上建立以为原点的直角坐标系mn, 墙壁上的点光源（m，η)到冠层中的目标微元（x，y)的距离为
BRDF模型中出射方位角余弦为
出射天顶角t余弦为 cos = |X-X(I|/R，由公式（3-4)得点光源（m，n)对目标微元（x，y)产生的福照度为：
(3-5).
4. 如权利要求3所述的一种基于BRDF模型的考虑墙壁影响的偏振高光谱场景仿真方 法，其特征在于步骤二三的具体过程为： 点光源（m，η)对目标微元（x，y)产生的辐亮度为：
(3-6) 式中τ。。通过四流地表-大气辐射传输模型得到，表示由目标反射产生的能量到达传 感器的比率，fD fe分别是混合象元模型中的光照植被面、光照土壤面；Ρ ' c，Ρ ' S()il分别是 利用FCR模型得到的草地中基于墙壁二次散射的冠层和土壤的散射率，辐亮度单位为W/ (m 2 · sr)； 墙壁上的面微元ds = dmdn，则传感器接收的整个墙壁对冠层中的目标微元（x，y)产生 的出射辐亮度为：
5. 如权利要求4所述的一种基于BRDF模型的考虑墙壁影响的偏振高光谱场景仿真方 法，其特征在于步骤二三所述的传感器接收的整个墙壁对冠层中的目标微元（x，y)产生的 出射辐亮度的计算是利用蒙特卡罗方法来实现积分计算的。
6. 如权利要求5所述的一种基于BRDF模型的考虑墙壁影响的偏振高光谱场景仿真方 法，其特征在于步骤三的具体过程为：通过调整modtran软件中的输入参数，如太阳天顶角 0S，得到太阳光入射的总能量为匕，，同时，结合四流地表-大气传输模型获得tss，τ。。；结 合FCR模型和混合象元模型得到冠层部分的偏振反射率R，将所得结果代入
获得冠层的偏振辐亮度I，结合式（3-7)实现考虑墙壁二次散射的偏振高光谱场景仿真。
【文档编号】G06F19/00GK104063621SQ201410323439
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】吴蓓芬, 张钧萍, 马文静 申请人:哈尔滨工业大学