从BRDF到BPDF:遥感反演基础模型的演进初探

作     者：尚可 晏磊 张飞舟 褚君浩 杨彬 刘思远 Kevin TANSEY 贾秀萍 Oleg DUBOVIK 张子晗 李飞 Ke SHANGI;Lei YAN;Feizhou ZHANG;Junhao CHU;Bin YANG;Siyuan LIU;Kevin TANSEY;Xiuping JIA;Oleg DUBOVIK;Zihan ZHANG;Fei LI

作者机构：北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所北京大学空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室北京100871 中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室上海200083 湖南大学电气与信息工程学院长沙410082 中国兵器工业导航与控制技术研究所北京100089 School of GeographyGeologyand the EnvironmentUniversity of LeicesterLeicester LE17RHUK School of Engineering and TechnologyThe University of New South WalesCanberra ACT 2600Australia Laboratoire d'Optique AtmospheriqueCNRS/UniversitéLilleVilleneuve d'Ascq 59655France 

出 版 物：《中国科学：信息科学》 (Scientia Sinica(Informationis))

年 卷 期：2024年第54卷第8期

页      面：2001-2020页

核心收录：

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 09[农学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0903[农学-农业资源与环境] 0816[工学-测绘科学与技术] 081602[工学-摄影测量与遥感] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

基　　金：国家自然科学基金重点基金项目(批准号:42130104) 湖南省自然科学基金(批准号:2023JJ20018) 国家自然科学基金(批准号:41842048)资助项目 

主　　题：植被 BPDF 矢量遥感 物理模型 偏振 

摘      要：光的本质是横波电磁波矢量,以双向反射分布函数BRDF (bidirectional reflectance distribution function)为基础模型的标量遥感体系只利用植被反射光的整体强度信息,无法进一步区分反射辐射蕴含的叶表、叶内和冠层结构信息;在标量遥感基础上考虑垂直于电磁波传播方向的二维偏振矢量特性(强度+方向)就能深化为矢量遥感体系,从而有望精确刻画反射光中蕴含的多种信息,提升植被参数反演精度.刻画偏振反射空间分布的双向偏振分布函数BPDF目前存在精度低、泛化性差等问题,因此进一步探索矢量遥感基础理论,构建通用性强的植被矢量遥感基础模型具有迫切的现实需求.本文旨在利用光子与植被元素的相互作用构建通用性较强的植被BPDF物理模型.首先基于光子–植被元素相互作用的光谱不变原理,提出基于方向逃逸概率的植被BPDF物理模型基础形式,并基于植被单次反射的辐射传输理论推导模型解析表达;随后通过考虑叶片散射随干物质含量的变化,提出光谱不变原理优化表达并推导模型通用表达式;最后分别利用三维矢量辐射传输模型和多尺度实测数据实现模型的正演直接验证和间接验证.结果表明,本文构建的BPDF物理模型的解析表达和通用表达在不同植被场景下,对偏振反射率的正演均方根误差可达0.001以内,与矢量辐射传输模型正演结果在半球空间内具有很强一致性,在多尺度实测数据也简洁验证了模型关系的稳定性,模型R2普遍高于0.9.相比于现存植被偏振反射模型,本文构建的模型兼具物理机理、简洁形式、可接受的参数化方案、较高精度和较强泛化能力,对浓密植被具备通用性,为在BRDF一维标量遥感的基础上进一步考虑BPDF二维偏振特性从而形成矢量遥感体系这一转变过程提供了理论基础和探索性方案.