基于无人机平台对戈壁定标场进行BRDF 特征观测及建模

英文: A field UAV system (FUAS) with dual spectrometers for BRDF measurement

摘要

本文介绍了一种用于双向反射分布函数测量的野外无人机系统，该系统集成无人机光谱仪测量系统、地基光谱仪测量系统、太阳光度计与全天空成像仪。无人机用于获取半球空间内的野外多角度光谱数据，地基光谱仪则持续监测太阳漫射板，记录野外漫射光与光照强度的动态变化。通过数据筛选、几何校准、光谱校正、漫射光校正及模型拟合等系列处理，结合目标物与同太阳几何条件下的漫射板辐亮度数据，计算出野外双向反射因子。基于贝叶斯反演算法，采用RossThick-LiSparse互易模型对戈壁场地的无人机多角度反射率数据进行拟合，在表征BRDF特征时展现出高模拟精度（相对均方根误差<5%，不确定性<1%）。将反演模型参数计算的BRDF与MODIS BRDF产品进行对比，在MODIS七个波段内相对偏差保持在约5%，表明基于FUAS BRDF数据构建的模型能准确描述定标场的方向性反射特征。该FUAS在野外精准定标与环境监测领域展现出显著应用潜力。

FUAS描述

图1 BRDF测量系统的组成和观测模式

图2 地面同步测量系统 (a)地面分光计测量系统；(b)太阳漫射器；(c)太阳光度计；(d)全天成像仪

研究过程

图1  FUAS数据测量与处理流程图

图2 表面图像和底图之间的匹配样式

图3 每一次测量飞行时漫反射与总太阳辐射的比率 

图4 由无人机安装的光谱仪在555(a-c)、858(d-f)和1240(g-i)纳米处测量的沙漠表面反射率的角分布

图5 基于所有观测和所有VZA(N=1159)的BRF，比较格尔木站点无人机光谱仪测量的BRF与基于RTLSR模型的模拟BRF在波长469 nm(a)、555 nm(b)、645 nm(c)、858 nm(d)、1240 nm(e)、1640 nm(f)、2130 nm(g)的散点图

图6 与图5相同，但针对鹤壁站点

图7 基于无人机的七个通道的BRDF在MCMC反演中的RTLSR模型参数的不确定性

图8 用RTLSR模型(紫线)计算的无人机模拟BRF与30°SZA俯瞰格尔木站MCD43C1(红色散射体)得到的BRF的比较

研究结论

原文链接：

https://doi.org/10.1080/01431161.2025.2562603