地表-地物偏振遥感探测技术规范(T-CI 003—2021).pdf

T/CI 0032021 中国国际科技促进会 团体标准 T/CI 0032021 地表-地物偏振遥感探测技术规范 Standard on polarimetric remote sensing measurements over land surface and object 2021-02-22 发布 2021-02-22 实施 中国国际科技促进会 发布 T/CI 0032021 目 次 前 言.3 1 适用范围.4 2 术语和定义.4 3 地表-地物偏振遥感探测内容.6 3.1 基本原则.6 3.2 基本原理.7 3.3 探测步骤.12 4.质量控制规范.14 5 偏振特性分析技术规范.14 5.1 地表-地物偏振反射的多角度物理特征.15 5.2 地表-地物偏振反射的多光谱化学特征.15 5.3 地表-地物偏振反射的粗糙度和密度结构特征.16 5.4 地表-地物偏振反射的高信号背景比滤波特征.16 5.5 地表-地物偏振反射的辐射传输能量特征.16 T/CI 0032021 前 言 偏振是与光强、波长、相位并列的光波的四个主要物理特性。地球表面的物体在反射、散射和透射光波的过程中，会产生由它们自身性质决定的特征偏振，即偏振特性中蕴涵着地表-地物的多种信息。偏振遥感正是利用这一特征为遥感地表-地物提供新的、潜在的信息。偏振作为一种新兴的对地观测方法，为了更好利用偏振技术服务地球观测，制定本指南。本指南为首次发布，今后将根据偏振技术发展情况适时修订。本标准按照 GBT1.1-2009 的规则起草。本标准起草单位：北京大学、湖南大学、长春理工大学、中国矿业大学（北京）、河海大学、西北工业大学、桂林航天工业学院、合肥工业大学、中国科学院西安光学精密机械研究所、中国科学院合肥物质科学研究院、东北师范大学、河北省气象科学研究所 本标准起草人：晏磊、杨彬、姜会林、陈伟、吴太夏、赵永强、孙山林、林沂、郭忠义、刘佳、范之国、孙晓兵、卢珊、相云 T/CI 0032021 地表-地物偏振遥感探测技术规范 1 适用范围 本标准规范了地表-地物偏振遥感探测的数据采集与管理方式、内容、处理流程、成果形式和成果质量控制等。本标准适用于利用偏振探测进行地表-地物偏振特性的分析、偏振仪器的构建、地表-地物物理化学特征分析等多个方向的应用时，对地表-地物偏振数据的采集与管理。2 术语和定义 2.1 偏振 Polarization 波的振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振。偏振是横波的特有现象，是电磁波的重要特征。2.2 线偏振 Linear polarization 线偏振光在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动。2.3 圆偏光和椭圆偏振光 Circular and elliptical polarized light 圆偏光和椭圆偏振光的光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈圆或椭圆。2.4 非偏振光 Non-polarized light T/CI 0032021 普通光源中各个分子或原子内部运动状态的变化是随机的，从统计规律上来说，相应的光振动将在垂直于光速的平面上遍布所有可能的方向，而且所有可能的方向上相应光矢量的振幅（光强度）都是相等的。这种在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量呈对称分布的光就称为非偏振光。2.5 部分偏振光 Partly polarized light 一般情况下自然界的光线是完全偏振光和自然光的混合，为部分偏振光。2.6 斯托克斯分量 Stokes parameters 偏振光的一般表现形式为椭圆偏振光，完全描述椭圆偏振光需要三个独立的参量。英国物理学家斯托克斯于 1852 年提出了斯托克斯分量，成为最常选用描述偏振光的宏观可测参量。斯托克斯分量包含 4 个参数，可表示为S=I,Q,U,V。其中 I 为总光强，Q 为 X 轴方向的线偏振光分量，U 为 45方向的线偏振光分量，V 表示为右旋圆偏振光分量。2.7 偏振度 Degree of linear polarization 相位互不相关且相互正交的两个特殊方向上所对应的最大和最小光强之差与之和之比为偏振度，也即部分偏振光的总强度中完全偏振光所占的比例。2.8 偏振反射率 Polarized reflectance 物体反射的偏振辐射能量占总辐射能量的百分比，称为偏振反射率。其值为偏振度和反射率的乘积。T/CI 0032021 2.9 反射率 Reflectance 物体反射的辐射能量占总辐射能量的百分比，称为反射率。2.10 天顶角 Zenith angle 天顶角，是光线入射方向与天顶方向的夹角。2.11 方位角 Azimuth angle 方位角从某点的指北方向线起顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角。2.12 散射角 Scattering angle 散射角是指入射方向与观测方向之间的角度。3 地表-地物偏振遥感探测内容 3.1 基本原则 偏振作为一种新的遥感观测手段，并作为常规遥感的补充，具有“弱光强化”、“强光弱化”的重要物理特征，以极大延伸遥感暗亮两端探测区。这种能力归纳为地表-地物偏振遥感的五大特征：多角度反射物理特征、多光谱化学特征、粗糙度与密度结构特征、信息-背景高反差比滤波特征与多次散射能量辐射传输特征。为了对地表-地物的这些偏振遥感特征进行科学探测，需把握以下三个原则：科学可行性原则：探测目的要明确，探测原理要正确，探测对象和探测手 T/CI 0032021 段要选择恰当，整个设计思路要满足本学科的基本科学准则。单一变量原则：在控制偏振信息的各种因素中，保持其他因素不变，只改变其中一个因素，观察其对获取的偏振信息的影响。平行重复的原则：对所做探测的实验在同样条件下，进行多次重复实验，以获得一般结论，切不可只进行少数几次测试轻易得出结论。3.2 基本原理 假设入射辐射为单位辐射量，辐射在地表，地表内部及二者之间都会发生多次散射作用，而最后传感器获得的出射辐射，是这三者的总和。一般而言，入射到地表的辐射，或被直接散射回大气中，或被吸收，或进入到地表内部中。进入到地表内部的辐射会与地表内部的物质，如水分等发生生化作用，也会部分被散射，部分被吸收。但是与地表散射不同的是，这部分散射是与地表内部的物质含量相关的，其对辐射的调制作用体现在反射率上，这部分辐射是非偏振的。辐射与地表-地物进行相互作用的示意图如图 1 所示。图 1 辐射与地表-地物相互作用示意图 设地表-地物的散射反照率为，地表直接被反射的概率为sr，在地表内部向上散射的概率为，向下散射的概率为。根据菲涅尔原理，我们知道在地表直接被反射的辐射是部分偏振的，也就是说sr可以进一步分解为：sr 地球表面 T/CI 0032021 sspsnprrr=+其中，spr代表线偏振部分，而snpr代表非偏振部分。进入到地表内部，与其相互作用后，辐射被向上散射的总概率为：(1)isrr=则辐射被吸收的概率ia 以及向下透射的概率it 为(1)(1)isar=(1)istr=传感器接收到的辐射与地表及部相互作用后的总能量则可以简单表述为：(1)ssrrr=+则传感器探测到的偏振度为：(1)spssrprr=+而一般情况下，spr可以认为是常量，即是与波长无关的量。当地表的反射率较低时，即表现为较小值，从视觉效果来看，目标会显得很暗，则偏振度p表现为较大值，则实现了“弱光强化”的过程；反之，当地表的反射率较大时，即表现为较大值，从视觉效果来看，目标会显得很亮，则偏振度p表现为较小值，则实现了“强光弱化”的过程。若测得地表的反射率为 R，则对应的偏振反射率可表示为：=。基于上述原理，可实现对地表-地物偏振特性的不同尺度的相关分析、角度分析、波段分析、斯托克斯分量分析，以获取地表-地物的多角度反射物理特征、多光谱化学特征、粗糙度与密度结构特征、信息-背景高反差比滤波特征与多次散射能量辐射传输特征，地表-地物偏振遥感探测的分析关系如图 2 所示。T/CI 0032021 图 2 地表-地物偏振遥感探测 在进行探测时，不可缺少的是多角度探测几何的设置、光源系统、二向性反射光度计系统、仪器的波段设置及控制系统的选择。3.2.1 多角度探测几何 进行多角度探测，需要确立坐标系系统。规定如下：探测天顶角以垂直向下探测为 0，光的前向方向为正，后向方向为负；探测方位角以光源所在方位为 0，顺时针旋转。如图 3 所示。相关分析 建模 单角度 多角度 单波段 多波段 偏振态 斯托克斯分量 地物特性与偏振光谱 偏振探测仪器 室内、室外 地面 高空 卫星 地表-地物偏振遥感探 定性 定量 定标 T/CI 0032021 i：入射天顶角；r：探测天顶角；r：探测方位角 图 3 测量几何示意图 图 4 倾斜探测示意图 垂直探测和倾斜观测时，探测视场的面积将发生变化，如图 4 所示，为探测器全视场角/2，为探测天顶角，y 为垂直探测，即探测天顶角 0时的视场半径，此时视场为圆形。倾斜观测时，即探测天顶角变化时，视场变化为椭圆，此时 y 对应拉长为 z。由示意图可得：y=x tan z=h tan(+)-tan()3.2.2 光源系统 在光源系统中，采用溴钨灯等稳定光源为照射光源，加光学成像系统，使光线在被照射的目标物上获得均匀光斑，该光斑要大于被测物体尺寸。如果是xyFOVzhwr r i x y z di d T/CI 0032021 进行室外测量，则选择太阳光为光源，在晴朗无云的天气进行。在实验室测量时，为了能改变光源入射角，设置了光源支架，光源支架上每隔一定角度设定一个入射方位，其范围从天顶角算起，应该能在 060变化，这样光源在支架上可以根据测量需要来调节光源入射角度的大小。同时光源的入射处还安装可以旋转的偏振片，光经过偏振片后形成不同偏振态的偏振光，最后照射在目标地表-地物上。在室外测量时，则应每隔一段时间进行测量，以保证在不同时间时，太阳天顶角的改变。3.2.3 二向性反射光度计系统 该光度计的探测架应是可以转动的，其方位角为 0360，并且可以每隔一定方位角度为采集数据，这样在水平方向上一次可以测到多个角度数据。此时所测的数据就是地表-地物的多角度二向性反射光谱；当配有偏振片时，对准偏振片的 0，即为透光轴方向，所测数据定义为地表-地物的 0偏振数据；对准 90，即为消光轴方向，所测数据定义为地表-地物的 90偏振数据。3.2.4 仪器的波段设置及控制系统 地表-地物的偏振和反射特性会随波长而改变，若对地表-地物特性熟悉，可只设定固定几个特征波段（即多光谱），若对地表-地物特性不熟悉，则采用高光谱传感器。为了进行数据的快速采集，减少人为的干预，可以采取自动控制系统，即探测架在载物台上通过计算机控制能自动旋转并采集数据，这样实现计算机直接对光谱数据进行自动测量、采集、存储和显示。T/CI 0032021 3.3 探测步骤 地表-地物偏振遥感探测一般采取以下步骤：T/CI 0032021 图 5 探测步骤 将光谱仪固定至多角度装置 光谱仪开机预热，存储电脑开机；光源打开；多角度装置初始化 令样本（白板）与多角度装置球心所在水平面重合 调整探测角度至所测方位 光谱形态显示稳定后，存储必要的 n 条光谱(n2)变换偏振态或加减偏振片 变换白板/样本 变换偏振态或加减偏振片 测量完成 光谱数据处理、光谱质量检验及误差原因分析 合格 分析应用 否 是 是 否 开始 T/CI 0032021 4.质量控制规范 获取地表-地物的偏振遥感数据后，需要对数据质量进行评估，以实现质量控制，并在数据说明中详细记录数据质量信息。影响数据质量的因素很多，主要包括以下 5 项，即环境及杂散光误差、探测仪器误差、偏振器误差、白板误差和样本及摆放误差。具体关系如图 6 所示：图 6 误差来源分析 5 偏振特性分析技术规范 获取的地表-地物偏振信息主要是为了更了解地表-地物的各项特性，主要探测仪器误差 白板误差 样本及摆放误差 光源随机性误差及偏振误差 探测角度定位误差 光谱仪探测误差 白板绝对反射率标定 白板多角度误差 白板的偏振误差 样本制备误差 样本摆放误差 偏振器误差 偏振器光学误差 调整偏振器刻度误差 环境及杂散光误差 环境及杂散光误差 相同条件下样本测量结果与白板测量结果相比，消除 消光比 10-5，忽略 定 位 精 度0.1 10间隔，忽略 微小，忽略 参考现有成果，对结果有一定影响，但误差可接受，后续研究考虑 制备工艺限制 重要，靠质量检验标准检验 误差来源 T/CI 0032021 包括：地表-地物的多角度反射物理特征、多光谱化学特征、粗糙度与密度结构特征、信息-背景高反差比滤波特征与多次散射能量辐射传输特征。5.1 地表-地物偏振反射的多角度物理特征 地表-地物偏振具有多角度物理特征，在不同角度表现出不同的偏振特征。在反射、散射、透射电磁辐射的过程中，会产生由地表-地物自身性质决定的多角度光谱特征和偏振光谱特征。研究不同地表-地物的多角度光谱特征和偏振反射特性，寻求出它们在空间内多角度反射光谱规律以及偏振反射规律。当入射角较小时，偏振反射较小，地表-地物更多的表现为朗伯体特性；但是当光线以大角度入射时，偏振反射会增强。但是一般在镜面方向，偏振反射并不会出现明显的跳跃间断点，而是连续平滑的上升。5.2 地表-地物偏振反射的多光谱化学特征 地表-地物偏振反射具有多光谱化学特征，可以反映地表-地物的化学成分信息。反射比与偏振度的波谱相比，反射比是波峰处，偏振度一般对应是波谷；反射比是波谷处，偏振度一般对应为波峰。自然光照射到电介质表面，被物体表面反射及折射，一般变成了部分偏振光。偏振度的基本定义是部分偏振光的总强度中完全偏振光所占的比例。由于完全偏振光随波长不同、测量角度不同均在变化，偏振片的吸收、反射、折射等对光有损失（这部分能量由地表-地物的多光谱化学特征决定），因此其波谱表现的反比关系并不恒定，即不存在恒定的反比系数。只是在波谱上表现为有峰谷对应相反的定性关系。T/CI 0032021 5.3 地表-地物偏振反射的粗糙度和密度结构特征 地表-地物偏振反射具有粗糙度和密度结构特征，可以用于反演地表-地物粗糙度和密度信息。物体的表面粗糙度、结构纹理、化学成分、含水量、光入射角度的不同，都会影响反射光波的偏振特征。可以利用偏振反射光谱来分析地表-地物表面的物理性质和化学性质。地表-地物表面密度就可以通过地表-地物的偏振反射光谱计算得出。利用高光谱的偏振反射光谱特性，通过偏振反射光谱，能得到物质的折射率随波长的变化，进而深入刻画和揭示地表-地物的粗糙度和密度结构特征。5.4 地表-地物偏振反射的高信号背景比滤波特征 地表-地物偏振反射具有高信号背景比滤波特征，即具有“强光弱化”、“弱光强化”的特点，在常规式遥感在光线太强或太弱的情况下很难获取有用信息的情况下，偏振遥感可以有效获得地表的特性。从两个角度对强反射地表的偏振特性进行研究，以辐射传输理论、斯托克斯参数与强（弱）反射地表反射和偏振特征之间的关系为理论基础，系统分析强（弱）反射地表偏振信息的方向特征和偏振光谱特性；建立强（弱）反射地表-地物的偏振特性与地表-地物性质之间的关系。5.5 地表-地物偏振反射的辐射传输能量特征 地表-地物偏振反射具有辐射传输能量特征，即影响了传感器获得的能量分布。辐射学和光度学的遥感已经开展多年，偏振遥感的产生是空间遥感技术发展的新方向。偏振遥感与传统遥感相比有其独特之处，它可以解决普通光度学 T/CI 0032021 遥感无法解决的一些问题，这主要的原因就是可以利用偏振更好地刻画辐射能量的分布。比如说植被在高光谱上的表现除了与植被冠层结构、入射/观测方向有关外，还与叶片光学特性有关，要想彻底了解叶片内部化学成分，就必须使用偏振的手段剔除表面镜面反射的影响。