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摘要

反射各向異性（RA）包含了地物光學(xué)行為和結(jié)構(gòu)的重要信息，通常用雙向反射分布函數(shù)（BRDF）來描述。然而，傳統(tǒng)的從衛(wèi)星或地面進行的RA反演方法受到低空間分辨率、光照條件和儀器相關(guān)影響的制約。該研究將基于無人機的傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于RA反演，旨在探索無人機獲取高空間分辨率、高精度、空間連續(xù)的RA數(shù)據(jù)的可行性。采用蒙特卡洛方法對無人機傾斜攝影測量獲得的多種地物多角度觀測數(shù)據(jù)的組合進行選擇和優(yōu)化。分析了線性半經(jīng)驗核驅(qū)動（LSEKD）模型和非線性Rahman-Pinty-Verstraete（RPV）模型兩種BRDF反演模型的精度和適用性，比較了不同采樣窗口大小對各類地物BRDF結(jié)果的影響。主要結(jié)論為：1）傾斜攝影測量是一種高效的空間連續(xù)區(qū)域厘米級分辨率RA測量方法，因為它可以使窄視場（FOV）的相機獲得更寬視角、更多方向的觀測數(shù)據(jù)，保證了BRDF反演模型的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性，可見光和近紅外波段的RMSE分別為0.003和0.019（8%~14%）；2）LSEKD與RPV模型均適用于BRDF的反演，且精度相當(dāng)，但LSEKD的核函數(shù)需要根據(jù)地物特點提前選擇，而RPV對大多數(shù)地物具有自適應(yīng)性；3）蒙特卡洛方法可以保證多角度觀測數(shù)據(jù)在半球均勻分布，為高精度BRDF反演提供最優(yōu)數(shù)據(jù)集；4）地物的RA可能隨著空間分辨率的變化而變化，極高分辨率的RA為在更精細(xì)尺度上研究地物提供了能力。該研究拓展了獲取高空間分辨率、高精度、空間連續(xù)的RA的方法，在定量遙感、高精度遙感產(chǎn)品定標(biāo)、縮小衛(wèi)星與地面RA數(shù)據(jù)之間的尺度差距等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。

高光譜數(shù)據(jù)：高光譜數(shù)據(jù)由Cubert S185機載高速高光譜成像儀獲取。該成像儀采用革命性的畫幅式高光譜成像技術(shù)，能夠以更快的速度進行所有光譜通道同步成像，在1/1000秒內(nèi)獲得整個高光譜立方體數(shù)據(jù)，配套功能強大的測量技術(shù)及處理軟件，快速獲取大面積高光譜圖像，影像具有厘米級地理坐標(biāo)信息光譜。

研究過程

圖3 無人機多角度高光譜影像獲?。╝：無人機飛行示意圖；b：垂直拍攝影像；c：傾斜拍攝影像）

表1 多角度高光譜影像數(shù)據(jù)集采集信息表

圖5 不同BRDF模型在植被表面的擬合精度（a：生長良好玉米；b：生長不良玉米；c：大豆；d：樹；e：低覆蓋度草地；NS：RossThin-LiSparseR模型；ND：RossThin-LiDense模型；KS：RossThick-LiSparseR模型；KD：RossThick-LiDense模型）

圖7 標(biāo)記地物的觀測分布，半徑為天頂角，與正半軸的夾角為觀測方位角。（a：生長良好玉米；b：生長不良玉米；c：大豆；d：樹；e：低覆蓋度草地；f：土壤；g：水泥；h：瀝青；藍(lán)點：極坐標(biāo)圖中心的所有地物；紅星：太陽的位置）

圖8 觀測數(shù)量對BRDF質(zhì)量的影響（a：土壤；b：生長良好玉米；c：大豆）

圖9 利用蒙特卡洛方法從所有多角度觀測圖像中重新采樣的不同比例觀測值的分布

圖10 正交BRDF與斜交BRDF在35-40°天頂角處的準(zhǔn)確度比較（a：生長良好玉米；b：大豆）