焦健楠，趙海盟，楊 彬，晏 磊

北京大學(xué)，空間信息集成與3S工程應(yīng)用北京市重點實驗室，北京 100871

基于RSP的植被多角度偏振特性研究

焦健楠，趙海盟，楊 彬，晏 磊*

北京大學(xué)，空間信息集成與3S工程應(yīng)用北京市重點實驗室，北京 100871

偏振探測能夠獲取新的反應(yīng)目標(biāo)屬性的信息。相對于傳統(tǒng)遙感觀測，多角度偏振信息具有更穩(wěn)定的相關(guān)性和規(guī)律性。植被是地表最典型的地物之一，利用光與植被相互作用后表現(xiàn)出的偏振特性可以進行植被相關(guān)性質(zhì)研究。RSP(research scanning polarimeter)是美國研制的星載偏振遙感探測器APS(aerosol polarimetery sensor)的原型樣機，提供有九個光譜偏振通道，通過對航空飛行試驗獲取的掃描偏振數(shù)據(jù)預(yù)處理得到的穩(wěn)定的多角度、多波段偏振探測信息分析，可以得到植被的光學(xué)特性和微物理特性。以植被密集區(qū)、植被稀疏區(qū)(接近裸地)為研究對象，根據(jù)儀器飛行時姿態(tài)信息進行配準(zhǔn)，對比分析了可見光波段和近紅外波段在-30°和65°觀測天頂角下的強度反射特性和偏振反射特性。結(jié)果表明，植被密集區(qū)和植被稀疏區(qū)在不同的觀測角度均表現(xiàn)出規(guī)律的偏振度特性，偏振反射在接近熱點區(qū)域能量小，相比于常規(guī)強度反射在接近熱點區(qū)域反射能量大，可有效防止因反射能量過強影響探測器的穩(wěn)定性，根據(jù)在可見光波段植被密集區(qū)偏振度高于植被稀疏區(qū)，在近紅外波段植被密集區(qū)偏振度低于植被稀疏區(qū)的反射特性，說明探測器在研究區(qū)域的植被密集區(qū)接收的可見光波段信號以單次散射為主而在近紅外波段以多次散射為主。

偏振探測； RSP； 植被遙感； 單次散射； 多次散射

引 言

定量遙感的發(fā)展，由早期對目標(biāo)物的朗伯特性假設(shè)向考慮到地物非朗伯特性的客觀事實發(fā)展。李小文、Strahler等科學(xué)家對目標(biāo)物的雙向反射分布函數(shù)(bidirectional reflectance distribution function, BRDF)的研究將地物方向譜特性引入定量遙感[1-2]。光的本質(zhì)是電磁波，其偏振特性能很好的反映地物、大氣的某些特性[3-6]。國內(nèi)外已進行了大量偏振遙感器的研制與實驗。法國的polder/parasol系列衛(wèi)星在地物多角度偏振信息探測及氣溶膠反演方面有很多成熟應(yīng)用[7-8]，美國NASA的RSP(research scanning polarimeter)提供有九個光譜偏振通道，通過航空飛行試驗獲取掃描偏振數(shù)據(jù)，進行陸地和海洋上空氣溶膠光學(xué)特性和微物理特性研究，為APS(aerosol polarimetery sensor)的原型樣機[9]，由中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所研制的DPC(directional polarimetric camera)利用航空偏振實驗獲取的中國南方地區(qū)的多角度數(shù)據(jù)來對地表的二向性反射率和偏振反射率特性進行了分析[10]。

植被是地表最典型的地物之一，遙感對地探測的重要研究對象即對植被進行遙感研究，利用光與植被相互作用后表現(xiàn)出的偏振特性可以進行植被相關(guān)性質(zhì)研究。地物的偏振特性通常用stokes參量進行表征，而國內(nèi)對植被的偏振特性研究目前還大量集中在葉片上，主要用stokes參量、偏振度、偏振角等信息進行葉片特性研究[11-14]。本工作基于RSP數(shù)據(jù)從植被冠層尺度上分別對植被密集區(qū)和稀疏區(qū)(接近裸地)的偏振特性進行分析研究。

1 偏振探測原理

1.1 Stokes參量

偏振光可以用直角坐標(biāo)系(或旋轉(zhuǎn)一定角度的直角坐標(biāo)系) 和Stockes參數(shù)來表示，由于四個Stockes參量(I,Q,U,V)都是強度量綱, 且強度測量在實測中容易實現(xiàn), 因此植被偏振遙感考慮用Stokes參量進行偏振信息獲取。Stokes四參量定義如下

(1)

(2)

1.2 基于RSP偏振信息獲取

RSP由美國 SpecTIR 公司研制，其瞬時視場角為14 mrad，可在沿軌方向上進行±60°共計152個角度的掃描，能夠測量410，470，555，670，865，960，1 590，1 880和2 260 nm九個波段的Stokes參量中的I，Q和U分量。RSP進行偏振測量的精度可以得到較高保證，其絕對輻射不確定度為3.5%，偏振測量不確定度為0.2%。通過采用一個偏振補償掃描鏡裝置(即非起偏的裝置)來掃描六個精確瞄準(zhǔn)的視鏡組，其掃描范圍為±60°。每組視鏡都是由一對視鏡組成，每組視鏡測量三個波段。每組視鏡中的一個視鏡測量與儀器子午面成0°和90°的線偏振強度，而另一個視鏡則測量儀器子午面成45°和135°的線偏振強度。這樣可以保證測量時對同一目標(biāo)同時進行偏振測量。每次測量都會計算出九個波段的光強、偏振度、偏振方位角信息。一般的光學(xué)系統(tǒng)自身會有起偏效應(yīng)，RSP通過采用雙鏡系統(tǒng)，其中一塊反射鏡會對另一個反射鏡產(chǎn)生的偏振進行偏振補償，即RSP的掃描系統(tǒng)是偏振中性的，避免了儀器本身的偏振因素對偏振測量的影響[5]。圖1為RSP儀器實圖及其各波段光譜響應(yīng)函數(shù)。

通過探測器運動時連續(xù)對地物探測，經(jīng)過聚集配準(zhǔn)可以獲得目標(biāo)物的多角度能量反射值。聚集配準(zhǔn)算法通常有： (1)根據(jù)探測對象的灰度值對比進行配準(zhǔn)，如云和背景； (2)根據(jù)儀器飛行時姿態(tài)信息進行配準(zhǔn)(高程，速度，傾斜角，航偏角)[9]。由于植被與背景的對比不是很強烈，采取第二種方法對數(shù)據(jù)進行聚集配準(zhǔn)(圖2)。RSP數(shù)據(jù)用于表征地物反射能量的初始基礎(chǔ)物理量為歸一化輻亮度I0及相應(yīng)StokesQ，U參量的歸一化輻亮度，定義如下

(3)

式中I，Q，U為相應(yīng)Stokes參量的輻亮度，F(xiàn)0為太陽常數(shù)?；A(chǔ)物理量可轉(zhuǎn)化為常用的總反射率RI和偏振反射率RP

(4)

式中r為日地距離因子，θ為太陽天頂角。

2 實驗與數(shù)據(jù)選取

對植被密集區(qū)和稀疏區(qū)(接近裸地)進行實驗分析，為盡量減少大氣的影響，選取儀器飛行高度較低(本次飛行共計306個采樣點，平均航高1 269.57 m，標(biāo)準(zhǔn)差11.31 m)、空間位置較接近的區(qū)域。選取2005年9月20日的航飛數(shù)據(jù)。植被密集區(qū)為北緯36.581 7°，西經(jīng)97.510 0°，航高1 254.78 m，植被稀疏區(qū)為北緯36.577 0°，西經(jīng)97.528 7°，航高1 278.30 m。圖3即利用IDL對航飛數(shù)據(jù)進行聚集配準(zhǔn)處理后的真彩色合成圖，其中左側(cè)白線位置為所選取的植被密集區(qū)各觀測角度反射能量值，右側(cè)白線為植被稀疏區(qū)各觀測角度反射能量值。

Fig.1 Figure of RSP (a) and spectral response function of each band (b)

Fig.2 Figure for earth observation of RSP the real data from the actual scans is aggregated into “virtual” scans, each consisting of all reflectances of energies at different viewing angles

Fig.3 True color image of RSP after aggregation

3 數(shù)據(jù)處理與分析

在對植被密集區(qū)和非密集區(qū)(接近裸地)探測時，太陽天頂角為54.315 6°，相對方位角分別為166.290 9°和167.365 3°。圖4即植被密集區(qū)和植被稀疏區(qū)的不同觀測天頂角NDVI，可以看出所選區(qū)域植被特征對比明顯，不同觀測天頂角的NDVI無明顯規(guī)律，植被稀疏區(qū)在接近熱點區(qū)域，即54°附近探測器信號噪聲較大，很不穩(wěn)定，考慮到是由于受植被稀疏區(qū)植被、裸地混合目標(biāo)的影響，在傾斜探測時受到較大干擾而產(chǎn)生跳變(圖3右側(cè)白線)。

Fig.4 NDVIs between concentration area and sparse area of vegetation at different view zenith angles

3.1 植被密集區(qū)強度反射特性與偏振反射特性對比

觀察植被密集區(qū)不同波段不同觀測天頂角的歸一化輻亮度(圖5)，植被光譜反射特性明顯，在近紅外(865 nm)有明顯的反射峰，由于葉綠素a、b的兩個吸收帶，在綠光(555 nm)也表現(xiàn)出反射峰。由于不同角度觀測下的對稱性，利用常見模型進行回歸分析，考慮利用2次多項式進行擬合，可以發(fā)現(xiàn)不同觀測天頂角下的歸一化輻亮度具有一定的規(guī)律性，且在54°附近(接近熱點區(qū)域)達(dá)到最大值，使探測器接收到的能量達(dá)到最大值。

分析植被密集區(qū)不同波段不同觀測天頂角下的偏振特性(圖6、圖7)，相對于強度反射表現(xiàn)出較好的回歸特性，測定系數(shù)R2均達(dá)到0.97以上。在強度反射最強的54°附近，偏振度和偏振反射率基本為最小值，可以有效防止因反射能量過強導(dǎo)致信號飽和產(chǎn)生的不穩(wěn)定情況。

3.2 植被密集區(qū)與植被稀疏區(qū)(接近裸地)偏振反射特性對比

相較于偏振反射率偏振度有更好光譜特性，用偏振度來對比分析植被密集區(qū)和稀疏區(qū)在可見光和近紅外波段的多角度偏振特性，如圖8—圖11。可以看出： (1)二者在各波段的變化趨勢相似，隨著反射的增強偏振度減小，在54°(接近熱點區(qū)域)附近達(dá)到最小值，對于植被稀疏區(qū)產(chǎn)生的跳變是由于受植被、裸地混合目標(biāo)的影響，在傾斜探測時受到較大干擾； (2)在可見光波段，植被密集區(qū)的偏振度高于植被稀疏區(qū)，推斷這是由于植被葉綠素、胡蘿卜素等在可見光存在強烈的吸收帶，經(jīng)過多次散射后基本被吸收，被探測器接收到的可見光主要是單次散射的結(jié)果，植被的起偏作用使植被密集區(qū)偏振度較大； (3)在近紅外波段，植被密集區(qū)的偏振度低于植被稀疏區(qū)，推斷這是由于葉子對近紅外(865 nm)的吸收基本可以忽略，散射作用占主導(dǎo)地位，因細(xì)胞壁和細(xì)胞孔腔的折射率差異，近紅外在葉子內(nèi)部多次反射和折射，表現(xiàn)出隨機性，起到退偏作用，所以植被密集區(qū)近紅外偏振度低于植被稀疏區(qū)。

Fig.5 Normalized radiance of different bands of concentration area of vegetation at different view zenith angles

Fig.6 Polarization degree of different bands of concentration area of vegetation at different view zenith angles

Fig.7 Polarization reflectances of different bands of concentration area of vegetation at different view zenith angles

Fig.8 Comparison of polarization degree between concentration area and sparse area of vegetation at different view zenith angles (wavelength: 470 nm)

Fig.9 Comparison of polarization degree between concentration area and sparse area of vegetation at different view zenith angles (wavelength: 555 nm)

Fig.10 Comparison of polarization degree between concentration area and sparse area of vegetation at different view zenith angles (wavelength: 670 nm)

Fig.11 Comparison of polarization degree between concentration area and sparse area of vegetation at different view zenith angles (wavelength: 865 nm)

4 結(jié) 論

相對于較多的葉面尺度上的偏振特性研究，利用RSP數(shù)據(jù)從冠層尺度上對植被的偏振特性進行了研究分析。由于探測器飛行高度較低，且植被密集區(qū)和稀疏區(qū)的空間距離較小，大氣對植被稀疏區(qū)和密集區(qū)的影響較小且基本相同，所以實驗對比分析結(jié)果具有可靠性，可以得出如下結(jié)論： (1)利用機載探測器可以探測到植被的光譜特性，偏振遙感技術(shù)能夠很好反映植被的多角度光譜特性，其回歸模型更為穩(wěn)定準(zhǔn)確。偏振遙感能有效避免因探測器接收到能量過強導(dǎo)致的信號噪聲過大、不穩(wěn)定情況。(2)植被偏振度表現(xiàn)出明確的規(guī)律性，可以用偏振度作為植被識別研究的一個有效因子。(3)植被對不同波段光譜的散射和吸收效應(yīng)不同。對于所選研究區(qū)域，植被在可見光波段的光譜特性主要受色素控制，反射率和透射率較低，探測到的光譜信息主要是單次散射。植被在近紅外波段光譜特性受葉子內(nèi)部構(gòu)造控制，探測器接收到的光譜信息也是多次散射的結(jié)果?？梢岳弥脖坏亩嘟嵌绕裥畔⒀芯恐脖粌?nèi)部的光譜散射和吸收效應(yīng)。

要得到植被等地物的絕對偏振特性和相關(guān)模型，需要進行大氣糾正，這也是后續(xù)工作所需開展的，偏振遙感對地探測也是遙感定量化很好的發(fā)展思路。

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*Corresponding author

Investigation of Multi-Angle Polarization Properties of Vegetation Based on RSP

JIAO Jian-nan, ZHAO Hai-meng, YANG Bin, YAN Lei*

Beijing Key Lab of Spatial Information Integration & 3S Application, Peking University, Beijing 100871, China

Polarization detection provides us with novel information to reflect the target attribute. Compared with traditional remote sensing methods, multi-angle polarization has relatively stable correlation and regularity. RSP(research scanning polarimeter)is an airborne prototype for the APS(aerosol polarimetery sensor) developed by the USA, which can provide with us the polarization detection information of 9 channels. We can get optical properties and physical characteristics of vegetation by analyzing stable multi-angle and multi-band polarization detection information from preprocessing scanning polarization data of flight test. In this paper, after making registration based on flight attitude information, a comparative analysis is made between characteristics of reflectance and polarization reflectance with visible light and near infrared band of the view zenith angles between -30 degree and 65 degree , based on dense area and sparse area(close to bare field) of vegetation. The results show that both dense area and sparse area demonstrate regular characteristics of polarization degree. The area close to hot spot area has highest reflectance energy. In contrast, it has relatively least energy of polarization degree, which can prevent strong reflectance energy from influencing the stability of detector. Because the degree of polarization in dense area of vegetation is higher than that in sparse area at visible light band while that in concentration area of vegetation is lower than sparse area at near infrared light band, it shows that the visible light band information of dense area of vegetation that the sensor

is dominated by single scattering while the near infrared light band information of dense area of vegetation is dominated by multiple scattering.

Polarization detection; Degree of polarization; Vegetation; Single scattering; Multiple scattering

Mar. 2, 2015; accepted Jul. 19, 2015)

2015-03-02，

2015-07-19

國家自然科學(xué)基金項目(61174220)資助

焦健楠，1988年生，北京大學(xué)碩士研究生 e-mail: starjiaojn@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail： lyan@pku.edu.cn

TP701

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0454-05