地物二向性反射几何光学模型与观测的进展0

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1、1。91年第1期(总第7期)国土资源遥感l，199】I991年3月15日RESfOTESENSINGFORLAND＆RESOURCESMar．，1991地物二向性反射几何光学模型和观测的进展0李小文、A．Strahler朱启疆刘毅(波士顿大学遥感中心)(北京师范大学)(中国科学院遥感所)刘广成张仁华虞献平、李继泉(四川省林科院)(中国科学院地理所)(中国林科院)摘要本文介绍了地物的=向性反射分布函数(BRDF)及其数学模型，讨论了丑DF的某种特定子集与地物结构的某些重要特征之间的关系，即地物结构的

2、方向谱。为了描述BRDF的方向谱，作者选择并定义了信息量最为丰富的两个子集。即主平面子集和主锥面子集。还介绍了观测上的最新进展。虽然遥感技术近2O年有了长足发展，但当前借以识别地物的主要依据仍然是它的渡谱特征。遥感技术发展的历史表明，仅仅凭借这一特征，还不能充分利用遥感图像所包含的信息，使对地物的识别和分类达到夸人满意的精度。人们识别物体不仅凭其颜色，还要视其形状和结构。因为绝大多数地物具有三维空间结构，而遥感图像仅是其在二维空间的投影，问题很自然成为如何从遥感图像中提取三维空问的信息。人们从经验

3、中知道，物体的阴影对于识别其三维结构有非常重要的作用，尤其对于在不同的入照和观测方向上，从观察到的阴影变化可以推断出物体的三维结构特征。因而在遥感技术发展的早期，就有人提出了多角分辨率的概念，与多波谱，多时相，多极化等并列为遥感技术的手段。然而在相当长时间内，多角分辨率方面的研究并未得到足够的重视。究其主要原因有：(1)陆地卫星系列的传感器均采取垂直向下观测方式J(2)除山体、云朵等外，绝大多数地物的阴影的空间尺度小●于一个像元，阴影仅影响像元的灰度值而本身不可见(3)对地物的=向性反射的特点和原

4、’因缺乏了解。这种情景只是到了最近几年才开始转变。首先，为了提高气象预报的准确性，对地物二向性反射的研究日趋重视}其次，对渡谱分辨率的研究即将有质的飞跃，人们不再满足于用在实验室条件下测得的样品渡谱特征来代替具有三维空间结构的地物波谱特征}最后，新一代航天传感器(~SPOT-HRV和SH~TLE—SIR-B)已具备改变观测方向的功能，●国家自然科学基金资助项目而美国计划在90年代束发射的地球观测卫星(EOS)空间站的主要目的之一就是对垒球进行多方向观测，因此，利用多方向观测来识别地物将成为可能所以

5、国际上对二向性反射模型的研究日趋活跃同时对多角度分辨率的重要性开始重新强调。我国的遥感工作者也注意到了这个问题。李小文等从1987年连续两次申请国家自然科学基金会研究基金从事二向性反射分布函数的研究，充实与完善了不连续植被冠层的间隙率模型，并在四川王郎自然保护区用来清查亚高山地带暗针叶林下分布的箭竹资源和监测其生态变化李小文因此获1990年ROLEX雄心壮志奖。然而目前的研究还远不能满足遥感技术迅速发展的需要。本文拟从地物的二向性反射分布函数出发，说明地物的波谱特征，其内容包含其组成物质样品的波谱

6、特征及其空间结构特征这两个要素，并讨论开展这方面研究的一些问题以及观测上的进展一、二向性反射分布函数(BRDF)大家都知道，一个理想的光滑表面对人射的光线呈镜面反射，即反射光、表面法线和人射光在同一平面内，且表面j击线与人射及反射光线的夹角相等。而理想的粗糙表面对任何方向的入射光都呈均匀漫反射。然而现实中地物的反射，远比这两种理想的反射复杂，既不容易理解，也难于表达。因此，很长一段时间内，在术语及定义方面存在着混乱现象。目前比较广泛被接受的BRDF的定义是Nicodemus于1977年培出的，即B

7、RDF~=(1)在这个表达式中，工表示辐射强度，下标表示人射光方向，下标r表示反射光的方向I是波长，口是给定方向的一个立体角，其方向用极坐标的两个角(，)来表示，其中是垂直方向与该方向的夹角，是该方向水平投影的方位角这个定义的物理意义，简言之，就是从某一给定方向，向地物表面一点人射的能量的微小增量与其所引起的向，方向反射的能量的增量之间的比值。通过这样的定义，BRDF只取决于地物本身和两个方向的变量，独立于人射光的空间分布函数。然而尽管如此，它仍然是有5个变量的函数，即，口，口，，和，5个变量。这

8、一定义虽然因其优点而得到广泛承认，但在实际应用中也有其不便的地方。首先，为了测定B尼DF，必须测定厶和工其次，这个定义是基于地面某一点的反射。这二者都对测量带来很多困难。因此，在实际测量中常采用另一方式，通常标为方向反射比(DRF)，定义为在相同人照条件下地物向某一方向反射的强度与该方向理想的漫反射强度之比。DRF比较容易测定，但它依赖于人射光强的空间分布，所以很难用来作为地物本身的特征。很容易证明，当人照光的分布为函数时(gg仅从某一方向照明)，DRF-~BRDF仅相差一个常数。