基于AirMSPI多光谱多角度传感器的地物偏振特性研究

王雪琪、焦健楠、杨 彬、景 欣、赵红颖、晏 磊

北京大学地球与空间科学学院空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室、北京 100871

基于AirMSPI多光谱多角度传感器的地物偏振特性研究

王雪琪、焦健楠、杨 彬、景 欣、赵红颖、晏 磊*

北京大学地球与空间科学学院空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室、北京 100871

偏振是电磁波的重要特性、利用偏振信息研究地物的状态和性质被证明是一种有效的手段。地物属性研究是地球观测中重要的课题、偏振技术作为一种新兴手段、逐渐得到国内外遥感界的关注。目前、国际上普遍缺乏使用广、精度高的偏振传感器。AirMSPI(Airborne Multiangle Spectro Polarimetric Imager)作为新型机载偏振传感器、能够获取多波段多角度的偏振数据、空间分辨率可达10 m。选取2013年美国Tracy地区的航飞数据、分析了线偏振度(degree of linear polarization、DOLP)与偏振二向反射因子(polarized bidirectional reflectance factor、pBRF)在470、660和865 nm三个波段、九个探测天顶角的变化规律。研究发现、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现出强烈的非朗伯体效应。同时、DOLP与pBRF和入射天顶角及探测天顶角的相对位置有关。DOLP在入射及探测天顶角90°夹角附近最大、pBRF随着探测天顶角的增大而增大。受大气影响、蓝光波段的DOLP及pBRF数值相对较高、但红光及近红外波段可有效减弱大气分子偏振散射效应、包含更多地物偏振细节。水体、人工建筑、居民区、裸土和绿地偏振特性迥异、偏振图像中地物甄别度高。且由于分子多次散射的退偏作用、传感器接收到的地物辐射中、线偏振度与反射比具有高度负相关性、相关系数普遍大于-0.8。因此、AirMSPI能够提供高质量偏振数据、作为地面、星载偏振数据的有力验证、为大气及地物参数反演提供重要支持。

AirMSPI传感器； 多波段； 多角度； 地物偏振

引 言

偏振遥感作为一种新型的技术和方法、可应用于大气参数反演、目标地物识别、水体耀斑剥离、植被生化性质反演等、作为探究目标物物化性质的有效手段[1]。偏振信息最初多用于天体探测、20世纪末逐渐成为地球观测遥感新手段。基于EOS平台的地球观测扫描偏振计(earth observing scanning polarimeter、EOSP)可通过多光谱偏振光谱仪反演云的特性和大气层气溶胶光学厚度[2]； 法国POLDER(POLarization and Directionality of the Earth’s Reflectances)多角度传感器设计六个辐射通道和三个偏振通道、对地气系统的太阳辐射的方向和偏振度进行全球观测[3]。2010年美国研制气溶胶偏振光传感器APS(aerosol polarimeter sensor)、可持续扫描获取大气和云层的可见光、近红外、短波红外的数据、含有多角度偏振信息。美国SpecTIR公司研制的RSP(research scanning polarimeter)传感器实验数据、在410～2 250 nm内有九个偏振光谱通道、扫描范围为±60°、通过航空飞行实验获取超过100 h的多光谱偏振扫描成像数据、用于气溶胶及地物研究[4-5]。在国内、北京大学、中国科学院遥感所及中国科学院安徽光机所等均研制了偏振扫描仪、进行了偏振大气中性点、珠海地区地气系统偏振特性、大气气溶胶特性等研究[6-8]。

APS传感器发射失败、POLDER传感器已经退役、偏振航飞数据普遍质量较低、目前缺乏广泛使用的偏振星载传感器及偏振数据。AirMSPI传感器基于AirMISR传感器研制、通过光弹性调制器的偏振成像技术、可以同时得到斯托克斯I、Q、U分量、精确反演DOLP、AOLP(angle of linear polarization)、pBRF等偏振参量、衰减小于0.5%、延迟小于10%。本文选择Tracy地区数据为样本、利用AirMSPI机载偏振数据分析当地地物偏振特性随不同波段、不同探测角度的变化规律、以及水体、植被、裸土等不同地物的偏振属性。

1 偏振态斯托克斯分量描述

光的偏振是各种矢量波的一种性质、是描述空间某一固定点所观测到的矢量波随时间变化的特征。光在垂直其传播方向上的平面内的不同方向上往往振幅不同、这种不对称的性质称为光的偏振。按光的偏振特性划分、可分为部分偏振光、非偏振光和全偏振光。其中全偏振光按光矢量端点的三维轨迹划分、又可分为椭圆偏振光、线偏振光和圆偏振光。以往的研究中常用光的Stokes参量描述光波的强度和偏振态、四个参量都是光强的时间平均值、组成一个四维数学矢量[9]。

(1)

其中I为非偏振光强、Q和U分别代表两个方向的线偏振光强、V代表圆偏振光强。偏振度及偏振角为两个重要的偏振描述参量。偏振度的定义为光束中偏振部分光强度和整个光强度比值、对于偏振片而言为互相垂直的透过轴与吸收轴的透过光之差与之和的比。偏振角定义为振动方向与入射面之间的夹角。自然环境中V分量常被忽略[10]、AirMSPI数据产品偏振度及偏振角的计算公式如式(2)和式(3)、传感器使用一组10个偏振定标系数、保证计算得到的DOLP误差小于0.005。

(2)

(3)

2 实验数据

AirMSPI是一个机载多角度偏振传感器、于2010年9月起搭载在NASA的ER-2飞机平台、飞行高度约19.8 km、依据辐射传输模型反演气溶胶、云的物理化学特性和空间特征、研究微观和宏观尺度上地球系统中的水热循环。AirMSPI通过一组多角度推扫式相机进行观测、共有355、380、445、470、555、660、865和935 nm八个波段、波段范围从紫外到近红外、其中470,660和865 nm通道可获取偏振数据。同时、AirMSPI的每个波段还可以获取飞行方向上±67°的多角度数据[11]。本文使用AirMSPI传感器1B2级多角度数据、空间分辨率～10 m。数据产品已逐像元进行辐射增益特性矫正及各通道的几何矫正、并将获取数据按当地地形进行了残差修正、得到相对于观测子午面和散射平面的DOLP和AOLP。

本文使用2013年1月14日在美国加利福尼亚州Tracy市进行飞行实验得到的数据。本实验数据为UTM投影、实验时间为UTC时间2013年1月14日19时20分—19时28分、即当地时间11时20分至11时28分。探测区域为37.61N—37.94N、121.55W—121.13W。本数据共提供九个探测方位角数据、分别为66°F、58.9°F、47.7°F、29°F、0°nadir、29°A、47.7°A、58.9°A和66°A、关于星下点对称。实验期间太阳方位角约344°、天顶角约56.5°、飞机飞行方位角约327°。

图1 AirMSPI传感器九个探测天顶角示意图

图2 实验飞机飞行方向与太阳方位角示意图

3 地物光谱偏振特性分析

3.1 线偏振度分析

为了探究不同波段、不同探测角度下数据区域内地物偏振特性、本文计算了地物在470、660和865 nm波段、九个探测天顶角下的线偏振度频数分布、如图3所示。

偏振手段可提供大量的地物信息。地物在前向散射的线偏振度远大于后向散射。地物前向散射各角度各波段线偏振度基本均大于0.1、最高可达到0.6； 而地物后向散射线偏振度基本小于0.1。这说明在当地的太阳高度角情况下、地物有较为显著的非朗伯体效应、且前向散射包含的偏振信息远大于后向散射。地物反射强度数值在0～0.15之间、显著小于对应的线偏振度。线偏振度随各波段有显著的差异。由于大气分子的散射作用、470 nm波段线偏振度相对较大而865 nm波段相对较小。传感器接收到的红光波段及近红外波段偏振辐射基本不受大气的影响、用较长的波段探测地物可以得到更多的细节信息。各角度各波段偏振度数值不同、但形态趋势相似。蓝光波段的偏振度随着观测的天顶角减小而增大； 红光及近红外波段的偏振度随观测天顶角先增大后减小、最大值出现在47.7°～58.9°之间、与入射天顶角近似成90°夹角。蓝光波段受到大气分子偏振影响较大、当探测角较小时、传感器接收到的地物反射光穿过大气的距离较短、大气单次散射作用较为强烈、偏振度较大。

图3 Tracy数据分别在九个探测角下470,660,865 nm波段DOLP统计图按顺序天顶角分别为66.0°A、58.9°A、47.7°A、29.0°A、天底点、29.0°F、47.7°F、58.9°F、66.0°F

偏振度随探测角的变化可以通过光学物理解释。把入射光分解为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)。根据菲涅尔公式、反射波和透射波的S分量与P分量彼此独立。根据布儒斯特定律、自然光斜射入地物时、反射光为垂直入射面振动占优势的部分偏振光、其线偏振度计算如式(4)。假定空气的折射率为1、地物的折射率为N、则线偏振度计算如式(5)。

(4)

(5)

对P求导、当P=arctan(N)时有极大值。线偏振度与入射和观测之间的夹角相关、而镜面反射反射角等于入射角、因此当入射角不变时、线偏振度随探测角增大而先增大后减小。线偏振度随探测角的变化规律也曾多次在地面实验中被证明[12]。

3.2 偏振反射率分析

通过AirMSPI传感器可获取地表偏振二向反射因子、即pBRF、用来描述偏振反射辐射特性、其计算如式(6)所示。

(6)

式中、Ipol为各波段偏振辐亮度、sun_distance为每个波段的天文单位、μ0为太阳天顶角的余弦值、E0为是该波段未经过大气衰减的太阳辐照度。图4是地物在470、660和865 nm波段、九个探测天顶角下的偏振反射强度分布。

从图中可以看出、地物前向散射各波段的pBRF远大于后向散射各波段pBRF、且在前向散射中、地物表面pBRF随着探测天顶角的增大而增大。受大气作用、470 nm波段数值相对较大、865 nm波段数值相对较小。从天底点到47.7 A、pBRF增强； 从47.7～66.0 A、pBRF有微弱的增强、但变化并不明显。相较于各角度各波段的线偏振度统计图、pBRF的变化幅度较小、但是可以看出pBRF随着探测天顶角的增大而增大、变化速率逐渐降低。综合线偏振度与偏振二向反射因子的统计规律、我们可以得出、偏振多角度探测能够有效提供地物偏振态的三维空间分布、且较大的探测天顶角结果较好。

图4 Tracy数据分别在九个探测角下470,660,865 nm波段pBRF统计图按顺序天顶角分别为66.0°A、58.9°A、47.7°A、29.0°A、天底点、29.0°F、47.7°F、58.9°F、66.0°F

效提供地物偏振态的三维空间分布、且较大的探测天顶角结果较好。

图5 Tracy地区卫星图

3.3 地物偏振特性差异分析

从上述偏振度的分析中、当探测天顶角为58.9°A时、三个波段的偏振度差异较大、细节信息丰富、因此取58.9°A探测角的三个波段数据进行地物偏振特性分析。图5和图6为当地的Google Earth卫星图与58.9°探测天顶角得到的真彩色图像。

图6 Tracy地区探测角58.9°A真彩色遥感图

根据AirMSPI提供的偏振度及反射率数据、图7和图8分别为探测角为58.9°A时研究区域的偏振度和反射强度的二维分布图。

对比图7和图8中各波段的偏振度二维分布图与反射强度二维分布图、偏振度较小的区域对应反射强度值较高； 而偏振度较大的区域对应反射强度值较低。因此可以认为、对于遥感图像中过亮和过暗区域、偏振手段能够降低饱和度与提升敏感度、解决过饱和与信号较弱的问题。为了验证其相对关系、我们对两幅图像中的对应像元进行了重采样和相关性分析、其在470、660和865 nm波段、相关性分别为-0.664 5、-0.805 8与-0.849 4、有极强的负相关性。除了研究区58.9°前向散射数据、其他探测角也出现了同样的负相关性、且近红外波段的负相关性最大而蓝光波段相对较小、验证了地物的普遍特性。多次散射具有退偏作用、入射能量在黑暗的表面单次散射比较较大、较亮的表面中多次散射占有较大优势[13]、因此计算得到的强负相关性是合理的。

图7 470,660和865 nm波段线偏振度二维分布图

图8 470,660和865 nm波段反射强度二维分布图

我们将当地地物分为水体、人工建筑、居民区、裸土和绿地五类。水体位于视场的东部、包括人工湖及河道、在三个波段均呈现出较大的偏振特性。绿地呈面状、在470 nm图像中受到大气散射作用影响、660 nm图像中偏振度相对较大、而在865 nm波段偏振度为最小、并呈现清晰的地块边界。居民区和裸土的偏振特性基本一致、在470 nm波段同样受到大气影响较大、660和865 nm的图像中表现出黄绿色区域、处于中间值。人工地物的偏振特性随地物的材料、形状、颜色等各异。本区域的人工地物在660和865 nm的波段均表现出强烈的偏振特性、而在470 nm中为极小值、在各图中表现出强烈的变化。偏振探测的特殊性质使其在军事侦察、伪装检测、纹理探测等方面有着广阔应用前景。

4 结 论

偏振技术是遥感定量化的有效手段、AirMSPI多角度多光谱航飞数据含有丰富的偏振信息、可用来反演地物特性。根据本文的分析、可得出：(1)文章通过分析不同波段、角度及地物属性的变化规律、对偏振物理模型及实验室环境下得到的地物偏振规律进行了有力验证、可以认为AirMSPI传感器能够提供高质量的多角度多波段的航空偏振数据； (2)DOLP及pBRF数值随着波段和探测角变化。由于大气偏振辐射的影响、较长波段包含了更多的地物偏振细节。地物前向散射中DOLP远大于后向散射。pBRF随探测天顶角的增大而增大、DOLP在入射天顶角与探测天顶角相互垂直附近可观测到最大值。因此、AirMSPI数据有利于地物二向性偏振反射三维建模； (3)线偏振度与反射辐射强度呈负相关、对各角度各波段数据验证、相关系数绝对值基本大于0.8。偏振对反射信号极强或极弱的地物探测能起到降低饱和度、增强信号的作用、利用偏振数据可以有效区分水体、植被、裸土、居民区及人工地物。

要得到地物的绝对特性与精确模型、需要引入当地实际大气参数进行大气纠正。不同地物反射模型、偏振信号与地物物化性质的具体定量关系还需要后续开展进一步研究。

致谢：数据来源：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

国家自然科学基金项目(61174220)资助

王雪琪、女、1992年生、北京大学地球与空间科学学院硕士研究生 e-mail：wangxueqi966@163.com *通讯联系人 e-mail：lyan@pku.edu.cn

TH74

A

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