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 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工作室，安徽 合肥 230031
针对卫星载荷大气校正仪分系统PSAC在陆地上空气溶胶反演领域的应用需求，基于最优化反演框架，引入信息量和后验误差分析方法，讨论了不同观测模式下气溶胶和地表参数的信号自由度（DFS）的观测角度依赖性，给出了气溶胶和地表参数的后验误差。在此基础上，分析了气溶胶和地表参数的DFS随光学厚度（AOD）和地表反射率的变化趋势。研究表明：1）不同的观测几何下，气溶胶参数总的DFS有很大差异，反演气溶胶参数的最优散射角范围是140°～180°；2）任意观测角度，细粒子为主的细模柱浓度，粗粒子为主的气溶胶柱浓度和能被反演出来，谱分布部分参数以及折射指数部分参数在大散射角能被反演获得；3）对不同AOD和地表反射率下参数的DFS分析，偏振信息的增加有助于亮地表下气溶胶参数的反演，增加短波红外波段能提升在AOD高值条件下对地表参数的获取能力。
偏振扫描大气校正仪（PSAC） 偏振遥感 短波红外 气溶胶 信息量分析 最优估计反演 polarized scanning atmospheric corrector（PSAC） polarization remote sensing shortwave infrared aerosol information analysis optimal estimation inversion
1 北京大学地球与空间科学学院, 遥感与地理信息系统研究所空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室, 北京 100871
3 湖南大学电气与信息工程学院, 湖南 长沙 410082
4 贵州师范大学地理与环境科学学院, 贵州 贵阳 550001
叶片氮含量极大程度上影响植被生物化学过程, 有重要的研究意义。 利用机载高光谱数据反演叶片氮含量在农业遥感领域有广泛应用, 但其反演精度不能完全满足精细农业的需要, 有一定提升空间。 叶片氮含量遥感反演精度受机理误差和算法误差的影响, 机理误差主要来源于叶片表面反射。 传感器探测到的反射辐射既包含叶片内部多次散射, 又包含叶片表面镜面反射部分, 只有前者是携带叶片内部生化组分(如氮含量)信息的, 由于后者是入射光在叶表蜡质层发生的直接反射, 因此该部分并不携带叶片内部信息。 根据菲涅尔定律, 叶表镜面反射是部分偏振的, 而内部散射是非偏振的, 因而通过偏振反射建模可部分去除叶表镜面反射影响, 以消除机理误差。 算法误差主要来源于不同氮含量反演算法对于高光谱数据挖掘能力的差别。 比较了偏最小二乘法、 主成分回归、 支持向量机、 K-近邻算法和随机森林回归在高光谱叶片氮含量反演中的表现, 在调整算法参数之后, 选择使用随机森林回归算法以减少高光谱反演算法误差。 以常绿针叶林、 落叶阔叶林和针阔混交林为研究对象, 利用多角度偏振卫星POLDER/PARASOL的多光谱数据库构建二向偏振反射模型, 用以模拟和分析研究区森林的偏振反射率; 从HySpex传感器系统获取的机载高光谱数据中去除偏振反射率带来的光谱机理误差, 以实现叶片氮含量的精确反演。 以均方根误差为主要指标评估精度变化可获得以下结论: 在高光谱叶片氮含量反演中, 消除偏振反射率带来的机理误差后, 各算法反演精度均有提升, 平均提升了4.244%。 其中, 随机森林回归可以最大程度减小反演算法误差(可决系数达到0.803, 均方根误差达到0.252), 且对光谱偏振信息最为敏感, 去除偏振后精度提高了13.103%。 相比于广泛使用的偏最小二乘算法, 去除光谱机理误差并减小反演算法误差后, 叶片氮含量反演精度整体提高了32.440%。 该研究实现了基于机载高光谱数据的叶片氮含量精确反演, 证明了在叶片氮含量反演中去除偏振反射率的必要性, 体现了在高光谱氮含量反演中随机森林算法的应用潜力。
遥感反演 偏振遥感 叶片氮含量 高光谱数据 随机森林回归 双向偏振分布函数 Remote sensing retrieval Polarization remote sensing Leaf nitrogen concentration Hyperspectral data Random forest regression Bidirectional polarization distribution function 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2911
1 桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西桂林54004
2 广西光电信息处理重点实验室，广西桂林541004
偏振遥感经验阈值云检测算法受主观因素影响较强，极易在亮地表上空出现云检测不准确的问题。针对该问题，本文提出了一种主动和被动遥感卫星相结合的机器学习云检测算法。该算法基于POLDER3载荷多通道多角度偏振特性以及CALIOP载荷高精度云垂直特性展开研究，利用POLDER3载荷和CALIOP载荷观测重合区域数据，搭建了粒子群算法优化的BP神经网络训练云检测模型。基于该云检测训练模型，利用POLDER3一级数据开展云检测试验，试验显示该算法云检测结果与MODIS云检测产品一致性为92.46%，高于POLDER3官方云检测产品与MODIS云检测产品的一致性83.13%。通过对比本文算法试验结果与POLDER3官方云检测产品不同的像元的光学特性发现，相比POLDER3官方算法，本算法对于亮地表上空薄云具有更强的敏感性，能更有效地进行云检测。
云检测 亮地表 偏振遥感 PSO算法 BP神经网络 Cloud detection Bright ground Polarization remote sensing PSO algorithm BP neural network
1 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
2 北京农业信息技术研究中心, 北京 100097
高光谱遥感为冬小麦氮含量的实时估测提供了技术途径, 然而在实际探测过程中, 接收的信号不仅包含植株叶、 茎等器官内部发生多次散射后的光辐射, 也包含在叶片表面发生镜面反射而没有进入器官内部的光辐射, 原理上只有前者可反映植株的生化组分信息, 因此目前常用的反演算法存在较大不确定性。 拟采用增加偏振测量的方式, 区分与上述两种情形对应的非偏振光和部分偏振光, 通过构建相应的反射率表征因子, 以评估剔除部分偏振反射分量对植株氮含量估算的影响。 实验获取了冬小麦拔节、 挑旗、 开花、 灌浆四个典型生长期共计48组偏振高光谱与氮含量测量样本, 分析后表明, 剔除偏振反射后, 反射率光谱与氮含量的相关性在可见光波段有较明显的提升, 而常用的多个植被指数对氮含量的估算精度有小幅提升, 且不同生长期对应的最优植被指数不同。 上述结果证明了通过测量叶表偏振反射而提升冬小麦氮含量高光谱估算方法的有效性与稳定性, 为提升植被生化组分遥感反演的精度提供了参考。
氮含量 偏振遥感 高光谱遥感 冬小麦 叶面反射 植被指数 Nitrogen content Polarization remote sensing Hyperspectral remote sensing Winter wheat Leaf surface reflection Vegetation index 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1956
1 中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
2 国家海洋局第一研究所, 山东 青岛 266061
利用PARASOL卫星搭载的多角度偏振地球反射率探测仪-3(POLDER-3)的偏振数据,反演了香河地区细粒子气溶胶光学厚度。反演数据与POLDER、MODIS业务化产品及AERONET数据进行对比分析,POLDER的细粒子气溶胶光学厚度反演效果显著优于MODIS产品,相关系数由0.67升至0.93,平均误差由0.32降至0.15。将POLDER偏振数据与神经元网络方法相结合,相关系数升至0.94,平均误差降为0.11。将该神经网络(NN)训练模型应用于杭州和香港地区进行验证,在杭州地区反演精度相似,在香港地区适用性较差。研究表明,利用POLDER偏振数据结合神经网络方法来提取细粒子气溶胶信息是可行的。
大气光学 细粒子气溶胶 偏振遥感 神经网络 POLDER 激光与光电子学进展
2020, 57(3): 030101
1 安徽大学 物理与材料科学学院,安徽 合肥 230601
2 中国科学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 230026
为了将偏振光谱强度调制(Polarization spectral intensity modulation, PSIM)技术应用于室外目标 的偏振遥感测量,在PSIM偏振光谱仪实验室搭台实验基础上,开展了PSIM实验样机一体化集成设计。 首先,将由格兰泰勒棱镜和两块高阶石英晶体延迟器构成的调制器按照原理要求集成安装成一个组件, 再将该组件安装到光栅光谱仪的光学头部,完成PSIM偏振光谱仪系统的硬件一体化设计。利用交互式数据 语言(Interactive data language, IDL)程序设计语言编写程序,将文件读写、数据处理及结果显示等功能 集成在统一的用户界面中,实现了PSIM偏振光谱仪系统数据处理算法软件的一体化设计。最后,通过测量 解析水平和垂直线偏振光的全Stokes矢量元素谱定性验证了实验样机的测量能力；利用偏振定标系统完成 了集成实验样机的偏振定标。实验数据处理结果表明：实验样机能够实现待测光全Stokes矢量元素谱的同步获取; 偏振定标盒输出光的全谱段偏振度值,实验样机的测量结果与理论输出结果间的最大误差约为0.003。实现了集成实验样机的设计目标。
偏振遥感 偏振光谱仪 偏振光谱强度调制 光栅光谱仪 polarization remote sensing spectropolarimeter polarization spectral intensity modulation grating spectrometer 大气与环境光学学报
2019, 14(5): 393
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
目标物体的偏振特性是一种固有特性, 由目标的外部结构、内部结构以及入射角度等决定, 因此利用偏振信息研究植物叶片含水量测量。主要研究过程分为以下五个部分: 搭建激光偏振成像测量实验系统、计算目标偏振度、测量叶片实际含水量、建立偏振度与叶片含水量间映射模型、验证映射模型。根据目标与环境特性, 选择和调整实验器件和实验步骤; 基于图像灰度提取方法计算目标偏振度; 采用水分梯度处理方法测量叶片实际含水量; 基于统计方法建立叶片偏振度与含水量的一到三阶函数映射模型, 比较一到三阶模型的稳定性与预测能力分析其适用情况, 为利用偏振测定植物叶片含水量的方面提供理论基础。结果发现: 在含水量所处15%~75%区间内, 偏振度随着水分含量上升呈现一个递增趋势。含水量较高情况下, 递增关系较明显; 含水量较小情况下, 映射关系不显著。
偏振遥感 偏振度 叶片含水量 水分梯度 映射模型 polarization remote sensing polarization degree leaf moisture content moisture gradient mapping model 红外与激光工程
2017, 46(11): 1106004
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 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
4 上海卫星工程研究所, 上海 200240
星载多角度偏振成像仪可以获取目标的多角度偏振辐射信息, 探测精度是重要的技术指标。 为研究仪器的测量精度及相关的误差因素, 以Stokes-Mueller为数学描述方法, 分析仪器的原理和光路结构特点, 从理论上推导了仪器的偏振辐射测量模型, 并通过实验初步验证了镜头Mueller模型的正确性。 在考虑目标光各种偏振态的情况下, 分析了非理想光学器件重要参数对目标光偏振度测量结果的影响, 得到了偏振度测量误差与通道相对透射率、 空间高频相对透射率/响应率、 线偏振片振透轴方位角、 镜头线性双向衰减这四种参数偏差之间的关系。 按照仪器探测精度要求, 结合各参数偏差对应误差最敏感的目标光偏振态, 从理论上提出了各重要参数的误差容限。 该研究为整个仪器的研制、 定标及后期数据处理提供了理论依据。
偏振遥感 Stokes-Mueller矩阵 偏振辐射测量 偏振精度 Polarization remote sensing Stokes-Mueller Polarized radiometry Polarimetric error 光谱学与光谱分析
2017, 37(5): 1558
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
针对实验室偏振光谱测量系统短波红外起偏效应大、测量偏差大的问题, 建立了系统目标斯托克斯校正模型, 提出了该模型中相关系数的测量方法, 从而实现了系统偏振效应的精密校正。首先分析了实验室常用的低成本分时偏振光谱测量系统存在的主要问题及起偏效应的来源。然后根据偏振传输理论, 将系统中起偏效应较大的波谱仪等效为检偏系统, 建立了目标偏振信息的校正模型, 并通过与理想模型的对比验证了模型的正确性。最后针对本测量设备, 为提高校正系数的测量精度, 在解析法的基础上提出了一种更精确的拟合法。实验结果表明, 本方法的校正精度高于0.5%, 满足实验室中对目标偏振信息处理的精度要求, 对偏振光谱测量系统的研制和标定具有指导意义。
偏振遥感 偏振光谱 起偏效应校正 偏振传输理论 相关系数 ASD光谱仪 polarization remote sensing polarization spectra polarizing effect calibration polarization transmission theory correction coefficient ASD spectrometer
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
偏振探测作为一种新型遥感技术, 是对传统光谱遥感探测的有益补充, 为目标遥感探测提供更丰富的信息。 用地物偏振光谱仪实验测量, 分析土壤湿度与偏振光谱的相关性, 同时研究不同观测角下的土壤表面反射光偏振光谱特性。 结果表明： 在土壤湿度较高的情况下, 偏振光谱与土壤湿度具有一定的相关性, 尤其在500～700 nm波段, 湿度与偏振度呈正比关系； 低湿度的情况下, 偏振光谱与土壤湿度相关性不明显； 此外, 不同观测角对偏振光谱也有影响, 如入射角固定为50°, 观测角在20°～60°区间测量时, 偏振度随观测角增大而增大, 且观测角愈大, 偏振度随湿度的变化愈显著。
土壤湿度 偏振光谱 多角度 偏振遥感 Soil moisture Polarization spectrum Multi-angle Polarization remote sensing 光谱学与光谱分析
2016, 36(5): 1434
