陆基条件下典型地物和伪装光谱影响因子分析

引言

现代高科技战争伴随着侦察技术与精确制导技术的发展，目标“发现”即意味着被摧毁，对目标进行伪装已经成为战场目标降低自身被发现概率､提高战场生存能力的首选方式。经过30余年的发展，高光谱成像技术已经成为对抗军事伪装的有效手段。目前已知的伪装手段还不能有效地欺骗高光谱侦察方式。

当前，利用高光谱成像进行目标分类和探测的主要方式是卫星遥感和高空航空侦察，在已知的这两种探测方式中，侦察时间大致相同，因此入射光的方向基本一致；在卫星遥感和高空航空侦察时，一方面侦察时间随机，太阳的入射角度时刻变化；另一方面侦察的方向任意､高度在地面或者近地位置（无人机搭载侦察），探测方向相对变化无穷。侦察过程受物体表面双向反射分布函数（BRDF）系数影响凸显。陆基条件下高光谱成像目标往往分布在山地､平原等地区，而遥感探测对于目标的观测方式往往是垂直方向收集数据，对于陆基条件下的高光谱成像而言，探测角度､太阳高度角､探测器与光源的相对方位角都会对目标探测产生影响，导致同种或者相似的地物产生不同的光谱曲线，而这种反射率的变化将会对目标探测带来影响。

对于地物的BRDF的测量，前人已经做了很多研究，赵春燕为了提升光学卫星遥感器的定标频次，提出了一种基于场地高光谱BRDF模型的高频次绝对定标方法。中国科学院安徽光学精密机械研究所在敦煌辐射校正场开展了针对地表反射率在遥感器视角方向校正的BRDF特性分析，测量了整个场地的BRDF值并建立了模型，分析了场地对不同波段的方向特性。有报道针对坡地植物的反射比影响因子进行了分析，结果证明了探测天顶角以及坡度､坡向对植被高光谱遥感均有影响。Wang针对黄铜表面的反射特性做了一系列实验，建立了BRDF模型并进行了分析。有学者也针对其他材料进行了一系列研究。

目前，尚无专门针对陆基应用情况下，地物及伪装的光谱曲线是否仍旧保持“同物同谱”､“异物异谱”的特性进行研究。有必要对高光谱图像中的同一目标光谱特征受观测几何､太阳入射角度､探测器探测角以及探测器与光源方位角的影响，确定地物光谱在不同观测条件下是否存在光谱不确定性，即“同物异谱､异物同谱”现象；如果存在，需对影响的大小及规律进行总结，并相应对后续目标探测算法提出改进意见。特别要加强对作战区域背景光谱特性的研究，对不同地域典型地物的光谱要细化分析，以便于更精确地确定特定背景的光谱参数，以建立不同地区的光谱特性参数数据库。

挑选了北方地区常见的绿色植被､迷彩雨衣以及两种不同的迷彩伪装板作为研究对象，通过实验从多个方向采集了各种材料的光谱曲线，分析了不同探测角度､太阳入射角以及地物方位角对陆基条件下高光谱成像的影响，通过建立BRDF模型，分析了不同伪装材料的不同散射特性，为陆基条件下高光谱成像实时伪装识别提供了研究基础。

实验部分

2.1 研究方法

自然界的大部分物体都属于非朗伯体，一般使用BRDF模型对地物的各向异性进行描述。其中BRDF的定义为反射幅亮度和入射幅亮度之比，其计算表达式为式（1）

式（1）中，θi，φi；θr，φr表示入射太阳光的方位角､天顶角以及反射光线的方位角､天顶角。dEi表示光源在入射点附近面元上的入射辐照度，dLr为相应的反射辐亮度。BRDF半经验核驱动模型在不同的领域都得到了广泛的应用，其中Ross Thick-LiSparseR模型具有显著的代表性，其表达式如式（2）所示

该模型将二向性反射分解为了各同向性反射､体散射和几何反射三部分的权重。其中R是二向反射率，θ是光线照射天顶角，是观测天顶角，σ是相对方位角。Kvol和Kgeo分别为体散射核和几何光学核。三个常系数只与波长有关，分别表示均匀散射､体散射和几何光学散射所占比例。

在模型中，由于三个常系数仅与波长有关，而体散射核Kvol和几何光学核Kgeo可以通过探测角､方位角以及太阳高度角进行计算，拍摄的多组数据进行线性拟合可以得到三个常系数的值，进而建立BRDF模型，理论上可以求出在任意太阳高度角､探测角以及方位角条件下目标的反射率。

2.2实验设计

实验示意图如图1所示（a）所示，其中A到D依次为浅色伪装板､深色伪装板､漫反射白板､迷彩雨衣。实验过程中获得的高光谱图像灰度图如图1（b）所示。

图1拍摄场景示意图

实验中，设定对目标进行前向观测时方位角为正，后向观测时方位角为负。由于高光谱成像仪观测距离较近，应根据天气条件以及成像角度及时的调整高光谱成像仪的光圈､增益，以避免出现探测器饱和的现象。实验的迷彩涂层样板为浅绿色迷彩涂层板与深绿色迷彩涂层板，均由军内某研究所提供，该研究所在研究迷彩涂层方面具有很高的权威性，提供的迷彩涂层样板与现役装备基本一致，通过研究伪装板的光谱曲线可以合成目前装备的涂层光谱。同时选取经过计量标定的聚四氟乙烯板（PTFE）作为实验参考板，用来对高光谱仪进行辐射定标，使用PTFE进行辐射定标的公式见式（3）

式（3）中，θ为白板的漫反射系数，θ=0.989。

结果与讨论

3.1 数据分析

3.1.1太阳高度角对地物光谱曲线的影响

使用成像光谱仪对研究目标以及白板同时进行拍摄，时间为上午9点，每隔半小时拍摄一次，共拍摄5次，太阳高度角为43°时的几何示意图如图2所示，探测天顶角为27°，地面的坡度大致为10°左右。

图2 实验的几何示意图（太阳高度角为43°）

如图3所示，从实验结果中可以看出，四种研究对象的光谱曲线与太阳高度角的关系区别较大。在不同的太阳高度角光照射下，如图3（a）所示，绿色植被的光谱发生了变化。在449~689nm之间，绿色植被的光谱基本相似，但波长大于689nm，绿色植被的光谱曲线随着太阳高度角的变化较为明显，但其变化并非线性变化，基本规律是随着太阳高度角的升高反射比先升高，在43°时达到最大，随着太阳高度角进一步增大，绿色植被的反射比反而下降。迷彩雨衣的光谱曲线与其他材料较为不同[如图3（b）所示]，基本随着太阳高度角的增大，迷彩雨衣的光谱整体发生了平移，在太阳高度角为50°左右时，整个波段的光谱强度都达到了最大值，并在太阳高度角进一步增大时，迷彩雨衣的光谱曲线强度下降。而两种绿色伪装板的光谱由于图中像素较少[如图3（c，d）所示]，光谱曲线受到噪声的影响相比其他两种材料较明显，迷彩伪装板在可见光波段光谱曲线受太阳高度角变化的影响不很明显，但在近红外波段显现出了与绿色植被相同的变化规律，随着太阳高度角的增大，浅色伪装板的近红外波段光谱逐渐上移后下降，在50°左右达到峰值，深绿色则在54°时反射比达到最大。

图3 不同太阳高度角下四种研究对象的光谱曲图3不同太阳高度角下四种研究对象的光谱曲线（a）:绿地植被的光谱曲线；（b）:迷彩雨衣的光谱曲线；（c）:浅绿色伪装板的光谱曲线；（d）:深绿色伪装板的光谱曲线

当探测角以及探测器与太阳的方位角不变时，之所以会发生这种变化，主要是因为实验研究的三种物体均为非朗伯体，存在二向性反射。有研究曾经发现植物的叶片在主平面入射角等于探测角时反射比值最大，其他方向逐渐减小。实验的结果基本上符合该研究提出的理论，从实验中可以看出，陆基条件下绿地植被的光谱曲线在可见光波段的反射比变化不比其在近红外波段更敏感，并且随着太阳高度角的增大，可见光和近红外波段的植被反射比并不呈现线性变化，在近红外波段的反射比受到太阳高度角的影响变化较大。实验的误差可能是由于植物叶片表面的灰尘以及粗糙水平不一致，而且校园内的植被并非天然生长而成，而是人工修建而成，因此实验结果会与理论结果产生一定的误差。对于伪装板，陆基条件下的高光谱特性相对于绿地植被较为不同，由于在场景中伪装板的像素较少，因此其光谱受到噪声的影响较大，反射比曲线比较杂乱，在红外波段的反射比最大值出现在50°。对于迷彩雨衣，其反射比曲线基本上随着太阳高度角的变化在整个波长范围内发生平移，其基本规律与迷彩伪装板类似，在33°~50°之间，光谱反射比逐渐增大，随着太阳高度角进一步增大，光谱反射比反而减小，导致迷彩雨衣和伪装板与绿地植被的最大反射比对应的太阳高度角不同的原因可能是人造伪装物的表面比较平整，导致其光谱反射比在50°附近达到最大。

3.1.2探测器与光源方位角对光谱曲线的影响

为了研究探测器与光源的方位角对光谱曲线的影响，在上午9点对伪装板和迷彩服以及绿地进行拍摄，实验中，保持34°的探测角分别在12°，49°，87°和152°相对方位角分别对场景进行拍摄，实验结果分别如图4（a—d）所示。

图4不同方位角下三种研究对象的光谱曲线（a）:绿地植被的光谱曲线；（b）:迷彩雨衣的光谱曲线；（c）:浅绿色伪装板的光谱曲线；（d）:深绿色伪装板的光谱曲线

实验结果可以看出，四种研究对象光谱曲线随着方位角变化的基本规律相同，在相对方位角从12°到157°的过程中，研究对象光谱曲线都是先下降后上升，在不同波长呈现的规律具有差异性，如图4（a）所示，绿色植被的光谱曲线比较平滑，在449~601nm以及701~801nm之间的光谱受方位角的影响较大，601~701nm之间的光谱变化则比较小，整体上呈现“两头翘，中间平”的规律，迷彩雨衣和迷彩伪装板的光谱则没有明显的规律，如图4（b，c）所示。三种研究对象的光谱随着方位角的增大光谱反射比曲线都是先增大后减小，其光谱值在接近90°左右达到最低值，得出这样的结论是因为当探测光线和入射光线在同一平面内时，以此平面为对称面，理论上在对称面上，探测天顶角等于入射天顶角时反射率最高，由对称面两侧偏离探测角，反射率随着方位角的增大呈现降低的趋势，但过了90°之后，随着接近对称面，反射率又进一步提高。实验中，之所以152°的光谱反射比比12°时的反射比更大，主要是因为后向观测时探测器收集的光线较多，同等条件下反射比要比前向观测更大。

3.1.3探测角度对光谱曲线的影响

探测角同样也是影响地物光谱曲线的重要影响因素，使用高光谱仪对浅色伪装板､迷彩雨衣以及绿地植被从后向40°到正向50°分别进行测量并记录光谱值，在室内进行实验，卤钨灯是填充气体内部具有部分卤族元素或者卤化物的充气白炽灯，发出的光线在近红外和白光波段与太阳光光谱比较近似，因此本实验使用卤钨灯模拟光谱进行实验，光谱的入射天顶角为40°，分别从后向40°到正向50°之间每隔10°对三种研究对象成像，选取449，649，725和801nm四个波段进行分析，实验结果如图5（a，b，c）所示。从实验图中可以看出，三种研究对象的光谱与不同探测角的关系呈现出相同的规律，在白光和近红外波段中，探测角对地物光谱的影响较小，研究对象的光谱变化不是很明显，但在实验中发现，三种研究对象均在某个探测角度反射比出现极大值，绿地植被在后向30°时反射比达到最高，伪装板在后向10°左右时反射比达到最高，迷彩雨衣在后向20°左右反射比达到最大，其原因主要是三种材料的粗糙度从小到大顺序依次为伪装板､迷彩雨衣和绿地植被，粗糙度越大，探测角的“热点”就越靠近垂直方向，并且伪装板与迷彩雨衣的光谱吸收率相对绿地植被要高，这也造成了偏离垂直方向光谱反射比下降。

图5不同探测角下三种对象的光谱曲线（a）:绿地植被的光谱曲线；（b）:浅色伪装板的光谱曲线；（c）:迷彩雨衣的光谱曲线

3.2BRDF模型分析

为了深入分析典型绿地植被与伪装材料的反射特性，使用采集到的多张影像分别计算Kvol和Kgeo通过同一波段数据进行线性拟合求出fiso，fgeo和fvol三个系数的值，通过分析不同材料的三种不同系数的值，可以分析出不同材料在不同波长的反射特性。绿地植被与人造伪装材料最主要的区别就是绿地植被具有明显的红边效应，因此主要分析近红外波段（725~801nm）之间的地物反射特性，两种材料的模型参数如图6所示。

 

 

图6近红外波段绿地植被和迷彩伪装板的BRDF参数（a）:绿地植被；（b）:迷彩伪装板

从图中模型分析的结果可以看出，在近红外波段，两者的散射特性存在明显的差别。在近红外波段范围内，伪装板和绿色植被的模型参数区别很大，可以认为fiso是当太阳天顶角为0°时垂直观测的反射率。fvol代表散射类型，如果其值大于零则代表后向散射占主导，反之则为前向散射为主，随着波长增大，绿地植被前向散射越来越强，而伪装板在725~760nm时都为后向散射占主导，760~801nm时为前向散射占主导。

结论

挑选了绿地植被和三种人造伪装材料，通过不同的实验，细致地分析了太阳高度角､方位角以及探测角对陆基条件下高光谱成像的影响。从实验结果中可以看出，虽然三种材料的反射特性存在不同，但在不同的太阳高度角､方位角以及探测角整体上呈现相同的规律。对于太阳高度角来说，当探测角一定时，陆基条件下的地物光谱一般随着太阳高度角的增大升高先升高再降低，其中，人造伪装物的光谱随着太阳高度角的变化整个光谱曲线都发生变化，反射比曲线呈现出平移的规律，而绿地植被在白光波段变化不是很明显，在近红外波段的变化很明显，随着太阳高度角的增大先升高后减低；对于方位角而言，三种材料随着方位角的增大光谱反射一般先升高后降低，同时后向观测时的光谱反射比一般比正向观测反射比高；对于探测角进行的实验，发现三种材料的光谱与探测角的关系并不是很大，但三种材料在不同的探测角度上出现“热点”现象。对绿地植被和迷彩伪装板的BRDF参数进行了分析，分析其BRDF模型的不同特点。研究结论可以作为下一步高光谱图像分类的新依据，并为陆基条件下的高光谱图像分析奠定了基础。

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审核编辑 黄宇