基于AirMSPI多光譜多角度傳感器的地物偏振特性研究

王雪琪、焦健楠、楊 彬、景 欣、趙紅穎、晏 磊

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院空間信息集成與3S工程應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京 100871

基于AirMSPI多光譜多角度傳感器的地物偏振特性研究

王雪琪、焦健楠、楊 彬、景 欣、趙紅穎、晏 磊*

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院空間信息集成與3S工程應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京 100871

偏振是電磁波的重要特性、利用偏振信息研究地物的狀態(tài)和性質(zhì)被證明是一種有效的手段。地物屬性研究是地球觀測(cè)中重要的課題、偏振技術(shù)作為一種新興手段、逐漸得到國(guó)內(nèi)外遙感界的關(guān)注。目前、國(guó)際上普遍缺乏使用廣、精度高的偏振傳感器。AirMSPI(Airborne Multiangle Spectro Polarimetric Imager)作為新型機(jī)載偏振傳感器、能夠獲取多波段多角度的偏振數(shù)據(jù)、空間分辨率可達(dá)10 m。選取2013年美國(guó)Tracy地區(qū)的航飛數(shù)據(jù)、分析了線偏振度(degree of linear polarization、DOLP)與偏振二向反射因子(polarized bidirectional reflectance factor、pBRF)在470、660和865 nm三個(gè)波段、九個(gè)探測(cè)天頂角的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)、地物前向散射方向包含大量偏振光、其在入射主平面附近表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非朗伯體效應(yīng)。同時(shí)、DOLP與pBRF和入射天頂角及探測(cè)天頂角的相對(duì)位置有關(guān)。DOLP在入射及探測(cè)天頂角90°夾角附近最大、pBRF隨著探測(cè)天頂角的增大而增大。受大氣影響、藍(lán)光波段的DOLP及pBRF數(shù)值相對(duì)較高、但紅光及近紅外波段可有效減弱大氣分子偏振散射效應(yīng)、包含更多地物偏振細(xì)節(jié)。水體、人工建筑、居民區(qū)、裸土和綠地偏振特性迥異、偏振圖像中地物甄別度高。且由于分子多次散射的退偏作用、傳感器接收到的地物輻射中、線偏振度與反射比具有高度負(fù)相關(guān)性、相關(guān)系數(shù)普遍大于-0.8。因此、AirMSPI能夠提供高質(zhì)量偏振數(shù)據(jù)、作為地面、星載偏振數(shù)據(jù)的有力驗(yàn)證、為大氣及地物參數(shù)反演提供重要支持。

AirMSPI傳感器； 多波段； 多角度； 地物偏振

引 言

偏振遙感作為一種新型的技術(shù)和方法、可應(yīng)用于大氣參數(shù)反演、目標(biāo)地物識(shí)別、水體耀斑剝離、植被生化性質(zhì)反演等、作為探究目標(biāo)物物化性質(zhì)的有效手段[1]。偏振信息最初多用于天體探測(cè)、20世紀(jì)末逐漸成為地球觀測(cè)遙感新手段?；贓OS平臺(tái)的地球觀測(cè)掃描偏振計(jì)(earth observing scanning polarimeter、EOSP)可通過多光譜偏振光譜儀反演云的特性和大氣層氣溶膠光學(xué)厚度[2]； 法國(guó)POLDER(POLarization and Directionality of the Earth’s Reflectances)多角度傳感器設(shè)計(jì)六個(gè)輻射通道和三個(gè)偏振通道、對(duì)地氣系統(tǒng)的太陽輻射的方向和偏振度進(jìn)行全球觀測(cè)[3]。2010年美國(guó)研制氣溶膠偏振光傳感器APS(aerosol polarimeter sensor)、可持續(xù)掃描獲取大氣和云層的可見光、近紅外、短波紅外的數(shù)據(jù)、含有多角度偏振信息。美國(guó)SpecTIR公司研制的RSP(research scanning polarimeter)傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、在410～2 250 nm內(nèi)有九個(gè)偏振光譜通道、掃描范圍為±60°、通過航空飛行實(shí)驗(yàn)獲取超過100 h的多光譜偏振掃描成像數(shù)據(jù)、用于氣溶膠及地物研究[4-5]。在國(guó)內(nèi)、北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院遙感所及中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所等均研制了偏振掃描儀、進(jìn)行了偏振大氣中性點(diǎn)、珠海地區(qū)地氣系統(tǒng)偏振特性、大氣氣溶膠特性等研究[6-8]。

APS傳感器發(fā)射失敗、POLDER傳感器已經(jīng)退役、偏振航飛數(shù)據(jù)普遍質(zhì)量較低、目前缺乏廣泛使用的偏振星載傳感器及偏振數(shù)據(jù)。AirMSPI傳感器基于AirMISR傳感器研制、通過光彈性調(diào)制器的偏振成像技術(shù)、可以同時(shí)得到斯托克斯I、Q、U分量、精確反演DOLP、AOLP(angle of linear polarization)、pBRF等偏振參量、衰減小于0.5%、延遲小于10%。本文選擇Tracy地區(qū)數(shù)據(jù)為樣本、利用AirMSPI機(jī)載偏振數(shù)據(jù)分析當(dāng)?shù)氐匚锲裉匦噪S不同波段、不同探測(cè)角度的變化規(guī)律、以及水體、植被、裸土等不同地物的偏振屬性。

1 偏振態(tài)斯托克斯分量描述

光的偏振是各種矢量波的一種性質(zhì)、是描述空間某一固定點(diǎn)所觀測(cè)到的矢量波隨時(shí)間變化的特征。光在垂直其傳播方向上的平面內(nèi)的不同方向上往往振幅不同、這種不對(duì)稱的性質(zhì)稱為光的偏振。按光的偏振特性劃分、可分為部分偏振光、非偏振光和全偏振光。其中全偏振光按光矢量端點(diǎn)的三維軌跡劃分、又可分為橢圓偏振光、線偏振光和圓偏振光。以往的研究中常用光的Stokes參量描述光波的強(qiáng)度和偏振態(tài)、四個(gè)參量都是光強(qiáng)的時(shí)間平均值、組成一個(gè)四維數(shù)學(xué)矢量[9]。

(1)

其中I為非偏振光強(qiáng)、Q和U分別代表兩個(gè)方向的線偏振光強(qiáng)、V代表圓偏振光強(qiáng)。偏振度及偏振角為兩個(gè)重要的偏振描述參量。偏振度的定義為光束中偏振部分光強(qiáng)度和整個(gè)光強(qiáng)度比值、對(duì)于偏振片而言為互相垂直的透過軸與吸收軸的透過光之差與之和的比。偏振角定義為振動(dòng)方向與入射面之間的夾角。自然環(huán)境中V分量常被忽略[10]、AirMSPI數(shù)據(jù)產(chǎn)品偏振度及偏振角的計(jì)算公式如式(2)和式(3)、傳感器使用一組10個(gè)偏振定標(biāo)系數(shù)、保證計(jì)算得到的DOLP誤差小于0.005。

(2)

(3)

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

AirMSPI是一個(gè)機(jī)載多角度偏振傳感器、于2010年9月起搭載在NASA的ER-2飛機(jī)平臺(tái)、飛行高度約19.8 km、依據(jù)輻射傳輸模型反演氣溶膠、云的物理化學(xué)特性和空間特征、研究微觀和宏觀尺度上地球系統(tǒng)中的水熱循環(huán)。AirMSPI通過一組多角度推掃式相機(jī)進(jìn)行觀測(cè)、共有355、380、445、470、555、660、865和935 nm八個(gè)波段、波段范圍從紫外到近紅外、其中470,660和865 nm通道可獲取偏振數(shù)據(jù)。同時(shí)、AirMSPI的每個(gè)波段還可以獲取飛行方向上±67°的多角度數(shù)據(jù)[11]。本文使用AirMSPI傳感器1B2級(jí)多角度數(shù)據(jù)、空間分辨率～10 m。數(shù)據(jù)產(chǎn)品已逐像元進(jìn)行輻射增益特性矯正及各通道的幾何矯正、并將獲取數(shù)據(jù)按當(dāng)?shù)氐匦芜M(jìn)行了殘差修正、得到相對(duì)于觀測(cè)子午面和散射平面的DOLP和AOLP。

本文使用2013年1月14日在美國(guó)加利福尼亞州Tracy市進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為UTM投影、實(shí)驗(yàn)時(shí)間為UTC時(shí)間2013年1月14日19時(shí)20分—19時(shí)28分、即當(dāng)?shù)貢r(shí)間11時(shí)20分至11時(shí)28分。探測(cè)區(qū)域?yàn)?7.61N—37.94N、121.55W—121.13W。本數(shù)據(jù)共提供九個(gè)探測(cè)方位角數(shù)據(jù)、分別為66°F、58.9°F、47.7°F、29°F、0°nadir、29°A、47.7°A、58.9°A和66°A、關(guān)于星下點(diǎn)對(duì)稱。實(shí)驗(yàn)期間太陽方位角約344°、天頂角約56.5°、飛機(jī)飛行方位角約327°。

圖1 AirMSPI傳感器九個(gè)探測(cè)天頂角示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)飛機(jī)飛行方向與太陽方位角示意圖

3 地物光譜偏振特性分析

3.1 線偏振度分析

為了探究不同波段、不同探測(cè)角度下數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)地物偏振特性、本文計(jì)算了地物在470、660和865 nm波段、九個(gè)探測(cè)天頂角下的線偏振度頻數(shù)分布、如圖3所示。

偏振手段可提供大量的地物信息。地物在前向散射的線偏振度遠(yuǎn)大于后向散射。地物前向散射各角度各波段線偏振度基本均大于0.1、最高可達(dá)到0.6； 而地物后向散射線偏振度基本小于0.1。這說明在當(dāng)?shù)氐奶柛叨冉乔闆r下、地物有較為顯著的非朗伯體效應(yīng)、且前向散射包含的偏振信息遠(yuǎn)大于后向散射。地物反射強(qiáng)度數(shù)值在0～0.15之間、顯著小于對(duì)應(yīng)的線偏振度。線偏振度隨各波段有顯著的差異。由于大氣分子的散射作用、470 nm波段線偏振度相對(duì)較大而865 nm波段相對(duì)較小。傳感器接收到的紅光波段及近紅外波段偏振輻射基本不受大氣的影響、用較長(zhǎng)的波段探測(cè)地物可以得到更多的細(xì)節(jié)信息。各角度各波段偏振度數(shù)值不同、但形態(tài)趨勢(shì)相似。藍(lán)光波段的偏振度隨著觀測(cè)的天頂角減小而增大； 紅光及近紅外波段的偏振度隨觀測(cè)天頂角先增大后減小、最大值出現(xiàn)在47.7°～58.9°之間、與入射天頂角近似成90°夾角。藍(lán)光波段受到大氣分子偏振影響較大、當(dāng)探測(cè)角較小時(shí)、傳感器接收到的地物反射光穿過大氣的距離較短、大氣單次散射作用較為強(qiáng)烈、偏振度較大。

圖3 Tracy數(shù)據(jù)分別在九個(gè)探測(cè)角下470,660,865 nm波段DOLP統(tǒng)計(jì)圖按順序天頂角分別為66.0°A、58.9°A、47.7°A、29.0°A、天底點(diǎn)、29.0°F、47.7°F、58.9°F、66.0°F

偏振度隨探測(cè)角的變化可以通過光學(xué)物理解釋。把入射光分解為垂直于入射面的分量E⊥(S波)和平行于入射面的分量E‖(P波)。根據(jù)菲涅爾公式、反射波和透射波的S分量與P分量彼此獨(dú)立。根據(jù)布儒斯特定律、自然光斜射入地物時(shí)、反射光為垂直入射面振動(dòng)占優(yōu)勢(shì)的部分偏振光、其線偏振度計(jì)算如式(4)。假定空氣的折射率為1、地物的折射率為N、則線偏振度計(jì)算如式(5)。

(4)

(5)

對(duì)P求導(dǎo)、當(dāng)P=arctan(N)時(shí)有極大值。線偏振度與入射和觀測(cè)之間的夾角相關(guān)、而鏡面反射反射角等于入射角、因此當(dāng)入射角不變時(shí)、線偏振度隨探測(cè)角增大而先增大后減小。線偏振度隨探測(cè)角的變化規(guī)律也曾多次在地面實(shí)驗(yàn)中被證明[12]。

3.2 偏振反射率分析

通過AirMSPI傳感器可獲取地表偏振二向反射因子、即pBRF、用來描述偏振反射輻射特性、其計(jì)算如式(6)所示。

(6)

式中、Ipol為各波段偏振輻亮度、sun_distance為每個(gè)波段的天文單位、μ0為太陽天頂角的余弦值、E0為是該波段未經(jīng)過大氣衰減的太陽輻照度。圖4是地物在470、660和865 nm波段、九個(gè)探測(cè)天頂角下的偏振反射強(qiáng)度分布。

從圖中可以看出、地物前向散射各波段的pBRF遠(yuǎn)大于后向散射各波段pBRF、且在前向散射中、地物表面pBRF隨著探測(cè)天頂角的增大而增大。受大氣作用、470 nm波段數(shù)值相對(duì)較大、865 nm波段數(shù)值相對(duì)較小。從天底點(diǎn)到47.7 A、pBRF增強(qiáng)； 從47.7～66.0 A、pBRF有微弱的增強(qiáng)、但變化并不明顯。相較于各角度各波段的線偏振度統(tǒng)計(jì)圖、pBRF的變化幅度較小、但是可以看出pBRF隨著探測(cè)天頂角的增大而增大、變化速率逐漸降低。綜合線偏振度與偏振二向反射因子的統(tǒng)計(jì)規(guī)律、我們可以得出、偏振多角度探測(cè)能夠有效提供地物偏振態(tài)的三維空間分布、且較大的探測(cè)天頂角結(jié)果較好。

圖4 Tracy數(shù)據(jù)分別在九個(gè)探測(cè)角下470,660,865 nm波段pBRF統(tǒng)計(jì)圖按順序天頂角分別為66.0°A、58.9°A、47.7°A、29.0°A、天底點(diǎn)、29.0°F、47.7°F、58.9°F、66.0°F

效提供地物偏振態(tài)的三維空間分布、且較大的探測(cè)天頂角結(jié)果較好。

圖5 Tracy地區(qū)衛(wèi)星圖

3.3 地物偏振特性差異分析

從上述偏振度的分析中、當(dāng)探測(cè)天頂角為58.9°A時(shí)、三個(gè)波段的偏振度差異較大、細(xì)節(jié)信息豐富、因此取58.9°A探測(cè)角的三個(gè)波段數(shù)據(jù)進(jìn)行地物偏振特性分析。圖5和圖6為當(dāng)?shù)氐腉oogle Earth衛(wèi)星圖與58.9°探測(cè)天頂角得到的真彩色圖像。

圖6 Tracy地區(qū)探測(cè)角58.9°A真彩色遙感圖

根據(jù)AirMSPI提供的偏振度及反射率數(shù)據(jù)、圖7和圖8分別為探測(cè)角為58.9°A時(shí)研究區(qū)域的偏振度和反射強(qiáng)度的二維分布圖。

對(duì)比圖7和圖8中各波段的偏振度二維分布圖與反射強(qiáng)度二維分布圖、偏振度較小的區(qū)域?qū)?yīng)反射強(qiáng)度值較高； 而偏振度較大的區(qū)域?qū)?yīng)反射強(qiáng)度值較低。因此可以認(rèn)為、對(duì)于遙感圖像中過亮和過暗區(qū)域、偏振手段能夠降低飽和度與提升敏感度、解決過飽和與信號(hào)較弱的問題。為了驗(yàn)證其相對(duì)關(guān)系、我們對(duì)兩幅圖像中的對(duì)應(yīng)像元進(jìn)行了重采樣和相關(guān)性分析、其在470、660和865 nm波段、相關(guān)性分別為-0.664 5、-0.805 8與-0.849 4、有極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。除了研究區(qū)58.9°前向散射數(shù)據(jù)、其他探測(cè)角也出現(xiàn)了同樣的負(fù)相關(guān)性、且近紅外波段的負(fù)相關(guān)性最大而藍(lán)光波段相對(duì)較小、驗(yàn)證了地物的普遍特性。多次散射具有退偏作用、入射能量在黑暗的表面單次散射比較較大、較亮的表面中多次散射占有較大優(yōu)勢(shì)[13]、因此計(jì)算得到的強(qiáng)負(fù)相關(guān)性是合理的。

圖7 470,660和865 nm波段線偏振度二維分布圖

圖8 470,660和865 nm波段反射強(qiáng)度二維分布圖

我們將當(dāng)?shù)氐匚锓譃樗w、人工建筑、居民區(qū)、裸土和綠地五類。水體位于視場(chǎng)的東部、包括人工湖及河道、在三個(gè)波段均呈現(xiàn)出較大的偏振特性。綠地呈面狀、在470 nm圖像中受到大氣散射作用影響、660 nm圖像中偏振度相對(duì)較大、而在865 nm波段偏振度為最小、并呈現(xiàn)清晰的地塊邊界。居民區(qū)和裸土的偏振特性基本一致、在470 nm波段同樣受到大氣影響較大、660和865 nm的圖像中表現(xiàn)出黃綠色區(qū)域、處于中間值。人工地物的偏振特性隨地物的材料、形狀、顏色等各異。本區(qū)域的人工地物在660和865 nm的波段均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的偏振特性、而在470 nm中為極小值、在各圖中表現(xiàn)出強(qiáng)烈的變化。偏振探測(cè)的特殊性質(zhì)使其在軍事偵察、偽裝檢測(cè)、紋理探測(cè)等方面有著廣闊應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

偏振技術(shù)是遙感定量化的有效手段、AirMSPI多角度多光譜航飛數(shù)據(jù)含有豐富的偏振信息、可用來反演地物特性。根據(jù)本文的分析、可得出：(1)文章通過分析不同波段、角度及地物屬性的變化規(guī)律、對(duì)偏振物理模型及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下得到的地物偏振規(guī)律進(jìn)行了有力驗(yàn)證、可以認(rèn)為AirMSPI傳感器能夠提供高質(zhì)量的多角度多波段的航空偏振數(shù)據(jù)； (2)DOLP及pBRF數(shù)值隨著波段和探測(cè)角變化。由于大氣偏振輻射的影響、較長(zhǎng)波段包含了更多的地物偏振細(xì)節(jié)。地物前向散射中DOLP遠(yuǎn)大于后向散射。pBRF隨探測(cè)天頂角的增大而增大、DOLP在入射天頂角與探測(cè)天頂角相互垂直附近可觀測(cè)到最大值。因此、AirMSPI數(shù)據(jù)有利于地物二向性偏振反射三維建模； (3)線偏振度與反射輻射強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)、對(duì)各角度各波段數(shù)據(jù)驗(yàn)證、相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值基本大于0.8。偏振對(duì)反射信號(hào)極強(qiáng)或極弱的地物探測(cè)能起到降低飽和度、增強(qiáng)信號(hào)的作用、利用偏振數(shù)據(jù)可以有效區(qū)分水體、植被、裸土、居民區(qū)及人工地物。

要得到地物的絕對(duì)特性與精確模型、需要引入當(dāng)?shù)貙?shí)際大氣參數(shù)進(jìn)行大氣糾正。不同地物反射模型、偏振信號(hào)與地物物化性質(zhì)的具體定量關(guān)系還需要后續(xù)開展進(jìn)一步研究。

致謝：數(shù)據(jù)來源：https://eosweb.larc.nasa.gov/project/airmspi/airmspi_table

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*Corresponding author

Research on Ground Feature’s Polarized Properties with Multi-Spectral and Multi-Angle AirMSPI Data

WANG Xue-qi、JIAO Jian-nan、YANG Bin、JING Xin、ZHAO Hong-ying、YAN Lei*

Beijing Key Lab of Spatial Information Integration and 3S Engineering Application、School of Earth and Space Science,Peking University,Beijing 100871,China

Polarization is an important characteristic of electromagnetic wave,and using polarization information to study ground features has been proved to be an effective means.Research on ground feature’s polarized properties is an essential part of earth observation. At present,it is in highly need of accuratepolarization sensors globally. AirMSPI ,(Airborne Multiangle SpectroPolarimetric Imager) as a new airborne polarized sensor,can obtain multi-band and multi-angle polarization data,and the spatial resolution can reach to ～10 meters. Using the experimental data of Tracy in the year of 2013,this paper analyzes the varying pattern of DOLP (Degree of Linear Polarization) as well as pBRF(polarized Bidirectional Reflectance Factor) in 470 nm,660 nm,865 nm bands and 9 view zenith angles.The result shows that,forward scattering of ground features contains plenty of polarized radiation,and ground features present strong non-lambertian effect near principal plane of incidence. DOLP and pBRF has strong correlation to relative position between incidence and view angle. DOLP reaches the maximum value when two directions are perpendicular while pBRF increases with larger view zenith angle. Because of atmospheric effect,radiance of blue band contains most polarized light. However,red and infrared band can attenuate atmospheric molecular polarization scattering effectively,thus contain more polarization details of ground features.Water,artificial structure,residential area,bare soil and vegetation show distinct polarization characteristics,and can be clearly identified. Due to depolarization effect from multi-scattering effect,DOLP and reflected radiation intensity have highly negative correlation,with correlation coefficient generally more than -0.8. AirMSPI sensor can provide high-quality polarization data,as a strong verification to ground-based and satellite-based polarization data,and support parameters inversion of atmosphere and ground features.

AirMSPI sensor； Multi-angle； Multi-band； Ground-feature’s polarization

Nov. 30,2015; accepted Apr. 6,2016)

2015-11-30、

2016-04-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61174220)資助

王雪琪、女、1992年生、北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院碩士研究生 e-mail：wangxueqi966@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail：lyan@pku.edu.cn

TH74

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-4094-06