基于雙向反射率分布函數(shù)的積雪反射率測(cè)量開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

路 鵬，呂海杰，蔣立軍*

（1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026；2.河南地礦職業(yè)學(xué)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(zhì)量的遙感數(shù)據(jù)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(wèi)星的AVHRR數(shù)據(jù)[1-3]，到Landsat衛(wèi)星上的MSS數(shù)據(jù)、高空間分辨率TM及ETM+數(shù)據(jù)[4]、后期應(yīng)用更廣泛的EOS衛(wèi)星上中分辨率MODIS數(shù)據(jù)[5][6]。遙感技術(shù)從可見光波段到微波波段被廣泛應(yīng)用到各種尺度的積雪覆蓋遙感研究中。特別是針對(duì)極地積雪及冰川調(diào)查研究，已經(jīng)在被國際上引發(fā)廣泛重視。

在遙感圖像上，自然地表的反射率除與被測(cè)物體幾何形態(tài)特征和物理結(jié)構(gòu)相關(guān)外，還與入射及觀測(cè)幾何角度有關(guān)。傳統(tǒng)的遙感技術(shù)以垂直觀測(cè)的方式來獲取目標(biāo)波譜，反映地物結(jié)構(gòu)的信息量卻非常有限。由于在可見光的大部分范圍內(nèi)，不同結(jié)構(gòu)的地物垂直光譜具有明顯的相似性，導(dǎo)致對(duì)同一類型地物很難進(jìn)一步區(qū)分和鑒別，難以實(shí)現(xiàn)遙感的真正定量化[7]。

依托科研項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容，轉(zhuǎn)化為本科生開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)，將鮮明的地域特色納入開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中。實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)由傳統(tǒng)的教師演示向?qū)W生練習(xí)為啟發(fā)式的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。圍繞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過教師與學(xué)生的互動(dòng)，通過教師引導(dǎo)、激發(fā)學(xué)生思考，進(jìn)而實(shí)際動(dòng)手操作解決問題的教學(xué)方法，鍛煉學(xué)生思考、分析和解決問題能力，提升實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)效果[8]。通過光譜實(shí)踐測(cè)量與遙感輻射理論相結(jié)合的方法，加深學(xué)生對(duì)理論教學(xué)部分的深入理解，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣。

1 實(shí)驗(yàn)原理與目的

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

雙向反射分布函數(shù)(BRDF，Bidirectional Reflectance Distribution Function)，由Nicodemus描述目標(biāo)物反射率與入射角度和觀測(cè)角度的函數(shù)。BRDF可以通過地表反射率全面反應(yīng)地表波譜特性的方向性、空間和時(shí)間等特性[9]。體現(xiàn)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(jiǎn)化模型，解決了BRDF測(cè)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(gè)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(dá)簡(jiǎn)潔易懂，在下面的研究中利用BRF代替BRDF的研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，更深刻地理解雙向反射率分布函數(shù)的物理意義，并測(cè)量不同狀態(tài)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(tài)下的反射率曲線的異同。根據(jù)積雪的不同狀態(tài)及外界環(huán)境的差別。

2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量?jī)x器為美國分析光譜設(shè)備(ASD)FieldSpec3Pro型光譜儀。該設(shè)備是現(xiàn)在國際上使用范圍最廣的光譜測(cè)量設(shè)備，可測(cè)量350-2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)地物的光譜曲線，探測(cè)器包括一個(gè)用于350-1000nm陣列，以及兩個(gè)用于1000-2500nm陣列的探測(cè)器。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)雙向反射率分布函數(shù)特點(diǎn)，對(duì)植被與積雪混合目標(biāo)進(jìn)行不同幾何觀測(cè)角度實(shí)驗(yàn)測(cè)量。具體步驟如下：

（1）將光譜儀按照要求進(jìn)行連接，開機(jī)預(yù)熱30分鐘以上，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。然后對(duì)儀器進(jìn)行校正及設(shè)置。

（2）選擇測(cè)量目標(biāo)，每測(cè)一個(gè)新地物前先對(duì)儀器進(jìn)行校正，進(jìn)行白板標(biāo)定。標(biāo)定之前要保證白板水平放置，而且探頭視場(chǎng)要完全覆蓋在白板內(nèi)，保證白板內(nèi)沒有附近物體的陰影。

（3）到達(dá)每個(gè)測(cè)點(diǎn)首先用GPS定位，測(cè)量該地區(qū)的地理位置及海拔高度，同時(shí)將這些信息記錄在測(cè)量記錄表內(nèi)。

（4）完成白板定標(biāo)之后便可以對(duì)地物進(jìn)行測(cè)量。由于探頭的視場(chǎng)角為25°，根據(jù)目標(biāo)區(qū)域大小計(jì)算探頭的高度。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量10條光譜，后期做均值，以便提高測(cè)量精度。

（5）在測(cè)量植被與積雪混合反射率時(shí)，由于東北植株普遍較高，很難探測(cè)到植被冠層頂部，試驗(yàn)中測(cè)量對(duì)象選擇高度為120厘米的松樹苗。為測(cè)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(shù)分析不同角度積雪反射率的敏感度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 角度變化對(duì)反射率的影響

測(cè)試幾何參數(shù)包括太陽天頂角和太陽方位角。觀測(cè)天頂角和觀測(cè)方位角，研究選取主平面的信息進(jìn)行分析，不考慮太陽方位角和觀測(cè)方位角的變化，只分析太陽天頂角和觀測(cè)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(duì)BRF的影響不可忽略。將測(cè)量所得的植被及積雪反射率輸入雙向反射率分布函數(shù)中，分析反射率對(duì)觀測(cè)角度變化的敏感度。設(shè)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(gè)波段的數(shù)據(jù)關(guān)于0°對(duì)稱，并且前向和后向反射率隨著觀測(cè)天頂角的增加而降低。因?yàn)槌尸F(xiàn)出的對(duì)稱性，下面主要研究觀測(cè)天頂角為0°到80°區(qū)域，“熱點(diǎn)”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(cè)天頂角對(duì)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(diǎn)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(shè)定樹冠上積雪的覆蓋率從0.1到0.9變化，間隔0.2。對(duì)于樹上和下墊面都有雪的情況，圖3所示，在四個(gè)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(cè)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(duì)BRF的敏感度比前三個(gè)波段降低，但是仍然體現(xiàn)出BRF的規(guī)律增加，并且BRF的值也比前三個(gè)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(jié)

基于雙向反射分布函數(shù)的光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)，打破學(xué)生二維空間反射率的局限，開拓三維空間意識(shí)，提高本科生科學(xué)素養(yǎng)[11]。本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)不但可以幫助學(xué)生驗(yàn)證科學(xué)原理和加深理解理論知識(shí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和解決問題能力，有助于訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維，創(chuàng)新意識(shí)。因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中一項(xiàng)非常重要的工作[12]，是培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力、終身學(xué)習(xí)發(fā)展、適應(yīng)時(shí)代要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以持續(xù)提升遙感人才的培養(yǎng)水平[13]。

當(dāng)代大學(xué)生對(duì)新鮮的事物感興趣，對(duì)古板守舊的東西沒有太大的興趣[14]。在高校實(shí)踐教學(xué)中，除常規(guī)固定式實(shí)驗(yàn)，自主創(chuàng)新及開放性實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)在國內(nèi)各高校大力推廣的實(shí)踐形式。該實(shí)驗(yàn)有利于鍛煉大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，由被動(dòng)性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為主動(dòng)性實(shí)驗(yàn)，取得了良好效果。配合學(xué)校地理位置的優(yōu)勢(shì)，將創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與當(dāng)?shù)氐乩硖厣嘟Y(jié)合，不拘泥于教材及課堂上的說教，更直接真實(shí)地展示本專業(yè)應(yīng)用實(shí)踐，該方法使同學(xué)們走向不同地區(qū)時(shí)帶著一雙發(fā)現(xiàn)的眼睛，強(qiáng)化了創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、終身學(xué)習(xí)習(xí)慣和創(chuàng)新思維[15]。