基于双向反射率分布函数的积雪反射率测量开放性创新实验设计

路 鹏，吕海杰，蒋立军*

（1.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130026；2.河南地矿职业学院电子及信息工程系，河南 郑州 451464）

冰雪遥感从定性到定量逐步走向成熟，高质量的遥感数据及各种研究资料为冰雪的研究提供便利。从早期，搭载在NOAA卫星的AVHRR数据[1-3]，到Landsat卫星上的MSS数据、高空间分辨率TM及ETM+数据[4]、后期应用更广泛的EOS卫星上中分辨率MODIS数据[5][6]。遥感技术从可见光波段到微波波段被广泛应用到各种尺度的积雪覆盖遥感研究中。特别是针对极地积雪及冰川调查研究，已经在被国际上引发广泛重视。

在遥感图像上，自然地表的反射率除与被测物体几何形态特征和物理结构相关外，还与入射及观测几何角度有关。传统的遥感技术以垂直观测的方式来获取目标波谱，反映地物结构的信息量却非常有限。由于在可见光的大部分范围内，不同结构的地物垂直光谱具有明显的相似性，导致对同一类型地物很难进一步区分和鉴别，难以实现遥感的真正定量化[7]。

依托科研项目研究内容，转化为本科生开放性创新实验项目，同时，将鲜明的地域特色纳入开放性创新实验项目中。实验课堂的教学由传统的教师演示向学生练习为启发式的教学方式转变。围绕实验项目，通过教师与学生的互动，通过教师引导、激发学生思考，进而实际动手操作解决问题的教学方法，锻炼学生思考、分析和解决问题能力，提升实验课堂的教学效果[8]。通过光谱实践测量与遥感辐射理论相结合的方法，加深学生对理论教学部分的深入理解，激发学生的专业兴趣。

1 实验原理与目的

1.1 实验原理

双向反射分布函数(BRDF，Bidirectional Reflectance Distribution Function)，由Nicodemus描述目标物反射率与入射角度和观测角度的函数。BRDF可以通过地表反射率全面反应地表波谱特性的方向性、空间和时间等特性[9]。体现的是三维空间地表物体反射率的大小。

图1 BRDF定义示意图

李小文和Strahler在1986年定义了简化模型，解决了BRDF测量上的难题：

其中，BRF为双向反射率因子，即在相同的辐照度条件下，地物向方向的反射辐照度与一个理想的漫反射体在该方向上的反射辐射亮度之比。BRF也可以很好地表示地物的基本特征，并且表达简洁易懂，在下面的研究中利用BRF代替BRDF的研究。

1.2 实验目的

通过实验测量，更深刻地理解双向反射率分布函数的物理意义，并测量不同状态下积雪的反射率值，从而了解积雪反射率曲线的特征，及不同状态下的反射率曲线的异同。根据积雪的不同状态及外界环境的差别。

2 实验仪器

实验中测量仪器为美国分析光谱设备(ASD)FieldSpec3Pro型光谱仪。该设备是现在国际上使用范围最广的光谱测量设备，可测量350-2500nm波长范围内地物的光谱曲线，探测器包括一个用于350-1000nm阵列，以及两个用于1000-2500nm阵列的探测器。

3 实验内容

根据双向反射率分布函数特点，对植被与积雪混合目标进行不同几何观测角度实验测量。具体步骤如下：

（1）将光谱仪按照要求进行连接，开机预热30分钟以上，保证测量数据的稳定和准确。然后对仪器进行校正及设置。

（2）选择测量目标，每测一个新地物前先对仪器进行校正，进行白板标定。标定之前要保证白板水平放置，而且探头视场要完全覆盖在白板内，保证白板内没有附近物体的阴影。

（3）到达每个测点首先用GPS定位，测量该地区的地理位置及海拔高度，同时将这些信息记录在测量记录表内。

（4）完成白板定标之后便可以对地物进行测量。由于探头的视场角为25°，根据目标区域大小计算探头的高度。每个测量点测量10条光谱，后期做均值，以便提高测量精度。

（5）在测量植被与积雪混合反射率时，由于东北植株普遍较高，很难探测到植被冠层顶部，试验中测量对象选择高度为120厘米的松树苗。为测量不同积雪覆盖度下植被与雪的混合反射率。

（6）利用双向反射率分布函数分析不同角度积雪反射率的敏感度。

4 实验结果分析

4.1 角度变化对反射率的影响

测试几何参数包括太阳天顶角和太阳方位角。观测天顶角和观测方位角，研究选取主平面的信息进行分析，不考虑太阳方位角和观测方位角的变化，只分析太阳天顶角和观测天顶角的敏感度。这些因素影响植被接收太阳能量的大小，对BRF的影响不可忽略。将测量所得的植被及积雪反射率输入双向反射率分布函数中，分析反射率对观测角度变化的敏感度。设定太阳方位角-80°到80°，间隔40°。

图2中可以看出，反射率在四个波段的数据关于0°对称，并且前向和后向反射率随着观测天顶角的增加而降低。因为呈现出的对称性，下面主要研究观测天顶角为0°到80°区域，“热点”处BRF值随太阳天顶角的增加而降低。随着太阳天顶角的增加，观测天顶角对BRF值的敏感度降低。在近红外波段与可见光波段的不同是，随太阳天顶角增加，除热点附近的BRF值降低外，其他BRF值是增加的。

图2 太阳天顶角在可见光和近红外波段的敏感度分析

背景值设定树冠上积雪的覆盖率从0.1到0.9变化，间隔0.2。对于树上和下垫面都有雪的情况，图3所示，在四个波段中树冠上积雪覆盖率的增加使得BRF的值也随之增加，但是观测天顶角的敏感度不随树冠上积雪的覆盖率变化而改变。在近红外波段（图3（d）），积雪覆盖率对BRF的敏感度比前三个波段降低，但是仍然体现出BRF的规律增加，并且BRF的值也比前三个波段高。

图3 树冠上积雪覆盖率在可见光波段和近红外波段敏感度分析

5 总结

基于双向反射分布函数的光谱测量实验，打破学生二维空间反射率的局限，开拓三维空间意识，提高本科生科学素养[11]。本科实验教学不但可以帮助学生验证科学原理和加深理解理论知识，还可以培养学生的观察能力、分析能力、实践动手能力和解决问题能力，有助于训练学生创新思维，创新意识。因此实验教学是整个教学活动中一项非常重要的工作[12]，是培养学生科技创新能力、终身学习发展、适应时代要求的关键环节，可以持续提升遥感人才的培养水平[13]。

当代大学生对新鲜的事物感兴趣，对古板守旧的东西没有太大的兴趣[14]。在高校实践教学中，除常规固定式实验，自主创新及开放性实验是现在国内各高校大力推广的实践形式。该实验有利于锻炼大学生的创新创造能力，自主设计实验，由被动性实验转为主动性实验，取得了良好效果。配合学校地理位置的优势，将创新实验与当地地理特色相结合，不拘泥于教材及课堂上的说教，更直接真实地展示本专业应用实践，该方法使同学们走向不同地区时带着一双发现的眼睛，强化了创新意识，培养科学生的自主学习能力、终身学习习惯和创新思维[15]。