基于雙向反射率分布函數的積雪反射率測量開放性創新實驗設計

路 鵬，呂海杰，蔣立軍*

（1.吉林大學地球探測科學與技術學院，吉林 長春 130026；2.河南地礦職業學院電子及信息工程系，河南 鄭州 451464）

冰雪遙感從定性到定量逐步走向成熟，高質量的遙感數據及各種研究資料為冰雪的研究提供便利。從早期，搭載在NOAA衛星的AVHRR數據[1-3]，到Landsat衛星上的MSS數據、高空間分辨率TM及ETM+數據[4]、后期應用更廣泛的EOS衛星上中分辨率MODIS數據[5][6]。遙感技術從可見光波段到微波波段被廣泛應用到各種尺度的積雪覆蓋遙感研究中。特別是針對極地積雪及冰川調查研究，已經在被國際上引發廣泛重視。

在遙感圖像上，自然地表的反射率除與被測物體幾何形態特征和物理結構相關外，還與入射及觀測幾何角度有關。傳統的遙感技術以垂直觀測的方式來獲取目標波譜，反映地物結構的信息量卻非常有限。由于在可見光的大部分范圍內，不同結構的地物垂直光譜具有明顯的相似性，導致對同一類型地物很難進一步區分和鑒別，難以實現遙感的真正定量化[7]。

依托科研項目研究內容，轉化為本科生開放性創新實驗項目，同時，將鮮明的地域特色納入開放性創新實驗項目中。實驗課堂的教學由傳統的教師演示向學生練習為啟發式的教學方式轉變。圍繞實驗項目，通過教師與學生的互動，通過教師引導、激發學生思考，進而實際動手操作解決問題的教學方法，鍛煉學生思考、分析和解決問題能力，提升實驗課堂的教學效果[8]。通過光譜實踐測量與遙感輻射理論相結合的方法，加深學生對理論教學部分的深入理解，激發學生的專業興趣。

1 實驗原理與目的

1.1 實驗原理

雙向反射分布函數(BRDF，Bidirectional Reflectance Distribution Function)，由Nicodemus描述目標物反射率與入射角度和觀測角度的函數。BRDF可以通過地表反射率全面反應地表波譜特性的方向性、空間和時間等特性[9]。體現的是三維空間地表物體反射率的大小。

圖1 BRDF定義示意圖

李小文和Strahler在1986年定義了簡化模型，解決了BRDF測量上的難題：

其中，BRF為雙向反射率因子，即在相同的輻照度條件下，地物向方向的反射輻照度與一個理想的漫反射體在該方向上的反射輻射亮度之比。BRF也可以很好地表示地物的基本特征，并且表達簡潔易懂，在下面的研究中利用BRF代替BRDF的研究。

1.2 實驗目的

通過實驗測量，更深刻地理解雙向反射率分布函數的物理意義，并測量不同狀態下積雪的反射率值，從而了解積雪反射率曲線的特征，及不同狀態下的反射率曲線的異同。根據積雪的不同狀態及外界環境的差別。

2 實驗儀器

實驗中測量儀器為美國分析光譜設備(ASD)FieldSpec3Pro型光譜儀。該設備是現在國際上使用范圍最廣的光譜測量設備，可測量350-2500nm波長范圍內地物的光譜曲線，探測器包括一個用于350-1000nm陣列，以及兩個用于1000-2500nm陣列的探測器。

3 實驗內容

根據雙向反射率分布函數特點，對植被與積雪混合目標進行不同幾何觀測角度實驗測量。具體步驟如下：

（1）將光譜儀按照要求進行連接，開機預熱30分鐘以上，保證測量數據的穩定和準確。然后對儀器進行校正及設置。

（2）選擇測量目標，每測一個新地物前先對儀器進行校正，進行白板標定。標定之前要保證白板水平放置，而且探頭視場要完全覆蓋在白板內，保證白板內沒有附近物體的陰影。

（3）到達每個測點首先用GPS定位，測量該地區的地理位置及海拔高度，同時將這些信息記錄在測量記錄表內。

（4）完成白板定標之后便可以對地物進行測量。由于探頭的視場角為25°，根據目標區域大小計算探頭的高度。每個測量點測量10條光譜，后期做均值，以便提高測量精度。

（5）在測量植被與積雪混合反射率時，由于東北植株普遍較高，很難探測到植被冠層頂部，試驗中測量對象選擇高度為120厘米的松樹苗。為測量不同積雪覆蓋度下植被與雪的混合反射率。

（6）利用雙向反射率分布函數分析不同角度積雪反射率的敏感度。

4 實驗結果分析

4.1 角度變化對反射率的影響

測試幾何參數包括太陽天頂角和太陽方位角。觀測天頂角和觀測方位角，研究選取主平面的信息進行分析，不考慮太陽方位角和觀測方位角的變化，只分析太陽天頂角和觀測天頂角的敏感度。這些因素影響植被接收太陽能量的大小，對BRF的影響不可忽略。將測量所得的植被及積雪反射率輸入雙向反射率分布函數中，分析反射率對觀測角度變化的敏感度。設定太陽方位角-80°到80°，間隔40°。

圖2中可以看出，反射率在四個波段的數據關于0°對稱，并且前向和后向反射率隨著觀測天頂角的增加而降低。因為呈現出的對稱性，下面主要研究觀測天頂角為0°到80°區域，“熱點”處BRF值隨太陽天頂角的增加而降低。隨著太陽天頂角的增加，觀測天頂角對BRF值的敏感度降低。在近紅外波段與可見光波段的不同是，隨太陽天頂角增加，除熱點附近的BRF值降低外，其他BRF值是增加的。

圖2 太陽天頂角在可見光和近紅外波段的敏感度分析

背景值設定樹冠上積雪的覆蓋率從0.1到0.9變化，間隔0.2。對于樹上和下墊面都有雪的情況，圖3所示，在四個波段中樹冠上積雪覆蓋率的增加使得BRF的值也隨之增加，但是觀測天頂角的敏感度不隨樹冠上積雪的覆蓋率變化而改變。在近紅外波段（圖3（d）），積雪覆蓋率對BRF的敏感度比前三個波段降低，但是仍然體現出BRF的規律增加，并且BRF的值也比前三個波段高。

圖3 樹冠上積雪覆蓋率在可見光波段和近紅外波段敏感度分析

5 總結

基于雙向反射分布函數的光譜測量實驗，打破學生二維空間反射率的局限，開拓三維空間意識，提高本科生科學素養[11]。本科實驗教學不但可以幫助學生驗證科學原理和加深理解理論知識，還可以培養學生的觀察能力、分析能力、實踐動手能力和解決問題能力，有助于訓練學生創新思維，創新意識。因此實驗教學是整個教學活動中一項非常重要的工作[12]，是培養學生科技創新能力、終身學習發展、適應時代要求的關鍵環節，可以持續提升遙感人才的培養水平[13]。

當代大學生對新鮮的事物感興趣，對古板守舊的東西沒有太大的興趣[14]。在高校實踐教學中，除常規固定式實驗，自主創新及開放性實驗是現在國內各高校大力推廣的實踐形式。該實驗有利于鍛煉大學生的創新創造能力，自主設計實驗，由被動性實驗轉為主動性實驗，取得了良好效果。配合學校地理位置的優勢，將創新實驗與當地地理特色相結合，不拘泥于教材及課堂上的說教，更直接真實地展示本專業應用實踐，該方法使同學們走向不同地區時帶著一雙發現的眼睛，強化了創新意識，培養科學生的自主學習能力、終身學習習慣和創新思維[15]。