内蒙古师范大学地理科学学院, 内蒙古 呼和浩特 010022 内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室, 内蒙古 呼和浩特 010022
植被的光谱反射曲线特征区别于土壤、 水等其他物质, 密切关系于本身的生理性状表现。 由于对冠层植被进行俯视与侧视时的入目效果不一致, 实际角度原因会导致传感器获得的覆盖度信息产生误差。 以内蒙古四子王旗荒漠草原植被为研究对象, 利用自主设计组装的野外在线多角度光谱仪, 开展草原植被多角度实时观测试验。 并结合归一化植被指数（NDVI）、 比值植被指数（RVI）、 优化型土壤调节植被指数（OSAVI）以及光化学植被指数（PRI）共4种指数进行多维的数据比较。 分析了不同传感器观测角度（SVA）和不同太阳高度角（SEA）下的草地生理性状光谱多样性三者间的关联特征。 研究发现, 传感器观测角越大, 不同波段冠层反射率的日内变化程度越弱, 表现出明显的观测角度差异性和角度敏感程度差异性, 当传感器观测角（SVA）在75°附近或垂直向下观测时, 植被的反射率日变化标准差较小。 在固定传感器观测角度的情况下, 植被的反射率与太阳高度角呈正相关关系。 同样, 不同植被指数的角度效应也存在差异, OSAVI指数在传感器观测角（SVA）为45°时表现最为敏感, 不同月份都出现了最低值这一特征, PRI指数的最大值均出现在传感器观测角（SVA）为60°位置以下。 同时发现, 针对不同的太阳高度角（SEA）并基于所观测植被所处的不同生长期而选择一定传感器观测角度更有利于获得有效且精确的数据。 野外在线多角度光谱仪观测结果旨在为卫星影像产品矫正、 植被遥感精准监测、 草原生物量的准确估算等方面提供科学数据支撑。
多角度遥感 植被指数 太阳高度角 Multi-angle remote sensing Vegetation index Sun elevation angle 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3170
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 合肥市农业行业首席专家工作室，安徽 合肥 230012
卫星对地遥感观测中，云和冰雪地表是两个重要的观测对象，由于它们辐射特性的相似性，使得冰雪区域上空云检测存在困难。针对高光谱观测卫星（高分五号02星）偏振载荷的数据特征，本文设计了一套冰雪上空云检测算法。该算法利用高分五号偏振载荷大气气溶胶多角度偏振探测仪和高精度偏振扫描仪的在轨探测多角度多光谱偏振辐射数据，协同进行云检测。首先，通过氧A带吸收通道的表观压强检测进行云和冰雪的初步区分，在此基础上利用多角度偏振散射特性进行冰雪上空的水云检测，利用卷云波段检测提高了冰雪上空的卷云检测效果，最后通过对常用的NDSI归一化雪指数进行改进，提高了冰雪上空的冰云检测精度。以格陵兰岛和南极区域为例，进行了冰雪上空云检测实验，并与成像时间相近的MODIS产品云掩膜产品MOD35进行比对，一致性分别为83.3%和94.4%。结果表明，本文提出的算法能够有效检测冰雪上空的云像元。
云检测 冰雪 遥感 多角度 偏振探测 光学学报
2023, 43(24): 2428004
1 河南理工大学测绘与国土信息工程学院, 河南 焦作 454000
2 中国矿业大学环境与测绘学院, 江苏 徐州 221116
3 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241000
山区复杂的地形特征会导致地表反射率估算误差增加，降低地气解耦精度，进而影响气溶胶反演精度。当前应用较广泛的反演方法有基于波段关系估算地表反射的暗目标算法 (DT)、基于区域地表反射率库的深蓝算法 (DB) 和基于双向反射分布函数 (BRDF)、双向偏振分布函数 (BPDF) 模型估算地表反射率的GRASP (Generalized retrieval of atmosphere and surface properties) 算法。为探究适合山区气溶胶遥感的地气解耦方法，利用地面气溶胶自动观测网 (AERONET) 气溶胶产品 (AOD_A) 对比分析了2005年至2013年间POLDER-3 (Polarization and directionality of the earth's reflectances) 的GRASP气溶胶产品 (AOD_G)、中等分辨率成像光谱仪 (MODIS) 的DT气溶胶产品 (AOD_DT) 和DB气溶胶产品 (AOD_DB) 在中国区域的精度。结果显示，非山区站点处AOD_G与AOD_A整体相关性最高 (R = 0.921)，AOD_DT和AOD_DB总体精度差异不大，但山区AOD_G高于期望误差的比例达79.87%，AOD_DT和AOD_DB高估程度分别增加了近30%和20%。在河北兴隆和兰州大学半干旱气候与环境观测站 (SACOL) 两个山区站点分季节验证显示，植被覆盖度低的秋冬季节三种卫星产品精度均存在下降趋势，表明除去地表植被对反射率的影响后，山区地形影响了地气解耦精度。进一步分析显示，山区起伏地形对基于BRDF、BPDF模型的地气解耦方法影响较大；在山区等起伏地表上空，多角度观测的地表波段关系更有利于精确估算地表反射，而在城区BRDF、BPDF模型与波段关系估算地表反射的误差水平接近。研究结果为进一步优化多角度观测 (如高分五号DPC) 的山区气溶胶反演算法提供了新的方向。
山区 多角度偏振 气溶胶光学厚度 地气解耦 mountainous areas multi-angle polarization aerosol optical depth land-atmospheric decoupling 大气与环境光学学报
2023, 18(4): 339
华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
动态光散射技术在微米与亚微米级颗粒系粒径分析领域中具有广泛应用，但缺乏非球形颗粒系粒径分布（PSD）的反演模型和算法，限制了其在生物医疗等领域中的应用。基于机器学习方法，设计了基于广义回归神经网络（GRNN）的PSD反演模型和算法，可应用于多角度动态光散射法的粒径分析场景中。以生物医疗领域中的双凹圆饼形和椭球形血红细胞作为典型的非球形颗粒物模型，通过仿真实验测试了所设计的算法。实验结果表明，与传统的正则化Tikhonov算法相比，所设计的反演算法粒径分析准确性更好且耗时更短。对多角度动态光散射法中的散射角度数量进行了仿真实验。结果表明，仅使用2个散射角度处获得的数据依然能实现非球形颗粒系粒径分布的准确反演。
散射 多角度动态光散射 颗粒系粒径分布 广义回归神经网络 非球形颗粒分析
超声无损检测为航空航天、石油化工、轨道交通等领域的设备正常运行提供保障，具有十分重要的意义。横波超声检测因其振动模态衰减小、传播速度低、空间分辨率高等优势成为固体内部缺陷检测的重要手段。然而，常规的超声换能器因压电晶片的振动特性，无法直接发射和接收横波，需要借助斜入射折射出横波。由于斜入射的特殊性，需要同时考虑折射效应和斜面检测的问题，这给超声成像重建计算增加了负担。为此，提出一种超声扫查横波成像的波数域快速重建技术。该方法在传统波数域超声图像重建技术的基础上，结合波数域坐标变换以及横波波场外推实现斜入射横波成像的快速重建。仿真和实验结果表明，利用本文方法，在以20°~60°左右的折射角检测横通孔、裂纹和半球面平底孔时，均能展现优良的检测效果。并且相较于时域合成孔径聚焦技术，在不损失重建精度的条件下，该方法的计算效率至少提高100倍。
仪器，测量与计量 超声无损检测 斜入射 横波 小型孔 多角度 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312020
欧空局 2019年将“人为二氧化碳排放监测任务CO2M”列为哥白尼计划的Sentinel 7任务，并在前期方案设计的基础上，签订了载荷研制合同。该卫星的主要探测仪器有用于CO2和NO2探测的CO2I和NO2I组合光谱成像仪、多角度偏振仪MAP和三波段高空间分辨率云成像仪CLIM。基于公开文献，概述了该任务的需求以及主要光学有效载荷的性能指标需求、探测原理、结构设计和关键技术等。
二氧化碳监测 二氧化氮监测 温室气体监测 成像光谱仪 多角度偏振仪 云成像仪 CO2 monitoring NO2 monitoring greenhouse gas monitoring imaging spectrometer multi-angle polarimeter cloud imager
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所，安徽合肥23003
2 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽合肥30031
3 合肥市农业行业首席专家工作室，安徽合肥2001
地球大气与气候变化密切相关，且影响着人类健康和生态环境，大气监测具有重要意义。大气气溶胶散射辐射的偏振敏感性为光学偏振遥感技术应用于大气探测提供了新思路。结合我国航空遥感系统技术发展和环境大气遥感监测需求，提出了一种航空大气多角度偏振探测方法，突破集束式偏振光学系统设计和偏振定标等关键技术，研制了大气多角度偏振辐射计。首先，介绍辐射计偏振探测原理，讨论光学系统方案设计，分析辐射计多角度探测和定标精度对气溶胶柱浓度反演后验误差的影响；其次，利用标准偏振光发生器和绝对辐射定标系统，对辐射计偏振测量精度进行验证，并得到绝对辐射定标不确定度；再次，针对辐射计航空遥感模式，研发专门的多角度多光谱偏振探测数据处理系统；最后，开展外场实验分析，通过航空与地面同步观测实验，验证了辐射计各项指标。研究结果表明：辐射计的绝对辐射定标不确定度优于4%，偏振测量精度优于0.5%，同步比对站点的大气气溶胶光学厚度反演精度优于0.05。该辐射计获取的偏振数据可反演得到大气气溶胶光学厚度等参数，满足区域环境大气监测应用需求。
航空 偏振 遥感 多角度 辐射计 aviation polarization remote sensing multi-angle radiometer 光学 精密工程
2022, 30(22): 2847
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
气溶胶一直是环境气候、空气质量和公共卫生方面的重要影响因素。卫星遥感可以实现对地球大视场的观测，已成为气溶胶探测的主流方式之一。为了解星载气溶胶被动光学遥感仪器发展现状和趋势，以多光谱、多角度和偏振观测为立足点，调研了历史上各国星载气溶胶光学遥感仪器的主要技术参数。首先，详细介绍了国际上几款典型仪器的设计参数和其在气溶胶参数反演方面的具体应用情况。然后，对将要发射的先进遥感仪器进行了分析。最后，总结了未来星载气溶胶被动光学遥感仪器的发展方向。集多光谱、多角度、中等空间分辨率、大视场和高精度偏振测量于一体是未来星载气溶胶光学遥感仪器的发展趋势。
大气光学 星载 光学遥感仪器 气溶胶 多光谱 多角度 偏振 光学学报
2022, 42(17): 1701002
上海工程技术大学电子电气工程学院，上海 201620
针对传统算法对多角度人脸表情识别效果不佳、偏转角下生成的人脸正面化图像质量低等问题，提出了一种结合双通道WGAN-GP的多角度人脸表情识别算法。传统模型仅利用侧脸特征对多角度人脸进行表情识别，特征差异小导致识别精度低。因此，引入生成对抗网络对人脸进行转正，消除姿态角的影响。为了使模型稳定训练的同时提升人脸生成质量，以WGAN-GP作为基础网络，并将其改进为双通道结构，融合五官特征及人脸全局特征来进行正面化生成。最后，构建轻量级网络MobileNetV3对生成出的正面人脸表情图像进行识别，保证分类精度并且大幅减小参数运算量。实验结果表明，所提算法在任意角度下，都能较好地复原出正面化人脸表情图像，提高了多角度人脸表情的识别率。
图像处理 生成对抗网络 卷积神经网络 多角度人脸表情 人脸正面化 双通道 激光与光电子学进展
2022, 59(18): 1810013
