陸基條件下典型地物和偽裝光譜影響因子分析

周 冰， 李秉璇， 賀 宣， 劉賀雄， 王法臻

陸軍工程大學電子與光學工程系， 河北 石家莊 050000

引 言

現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭伴隨著偵察技術與精確制導技術的發(fā)展， 目標“發(fā)現(xiàn)”即意味著被摧毀， 對目標進行偽裝已經(jīng)成為戰(zhàn)場目標降低自身被發(fā)現(xiàn)概率、 提高戰(zhàn)場生存能力的首選方式。 經(jīng)過30余年的發(fā)展， 高光譜成像技術已經(jīng)成為對抗軍事偽裝的有效手段。 目前已知的偽裝手段還不能有效地欺騙高光譜偵察方式。

當前， 利用高光譜成像進行目標分類和探測的主要方式是衛(wèi)星遙感和高空航空偵察， 在已知的這兩種探測方式中， 偵察時間大致相同， 因此入射光的方向基本一致; 在衛(wèi)星遙感和高空航空偵察時， 一方面?zhèn)刹鞎r間隨機， 太陽的入射角度時刻變化； 另一方面?zhèn)刹斓姆较蛉我狻?高度在地面或者近地位置(無人機搭載偵察)， 探測方向相對變化無窮。 偵察過程受物體表面雙向反射分布函數(shù)(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)系數(shù)影響凸顯。 陸基條件下高光譜成像目標往往分布在山地、 平原等地區(qū)， 而遙感探測對于目標的觀測方式往往是垂直方向收集數(shù)據(jù)， 對于陸基條件下的高光譜成像而言， 探測角度、 太陽高度角、 探測器與光源的相對方位角都會對目標探測產(chǎn)生影響， 導致同種或者相似的地物產(chǎn)生不同的光譜曲線， 而這種反射率的變化將會對目標探測帶來影響。

對于地物的BRDF的測量， 前人已經(jīng)做了很多研究， 趙春燕為了提升光學衛(wèi)星遙感器的定標頻次， 提出了一種基于場地高光譜BRDF模型的高頻次絕對定標方法[1]。 中國科學院安徽光學精密機械研究所在敦煌輻射校正場開展了針對地表反射率在遙感器視角方向校正的BRDF特性分析， 測量了整個場地的BRDF值并建立了模型， 分析了場地對不同波段的方向特性[2]。 有報道針對坡地植物的反射比影響因子進行了分析， 結果證明了探測天頂角以及坡度、 坡向對植被高光譜遙感均有影響。 Wang針對黃銅表面的反射特性做了一系列實驗， 建立了BRDF模型并進行了分析[3]。 有學者也針對其他材料進行了一系列研究[4-6]。

目前， 尚無專門針對陸基應用情況下， 地物及偽裝的光譜曲線是否仍舊保持“同物同譜”、 “異物異譜”的特性進行研究。 有必要對高光譜圖像中的同一目標光譜特征受觀測幾何、 太陽入射角度、 探測器探測角以及探測器與光源方位角的影響， 確定地物光譜在不同觀測條件下是否存在光譜不確定性， 即“同物異譜、 異物同譜”現(xiàn)象； 如果存在， 需對影響的大小及規(guī)律進行總結， 并相應對后續(xù)目標探測算法提出改進意見。 特別要加強對作戰(zhàn)區(qū)域背景光譜特性的研究， 對不同地域典型地物的光譜要細化分析， 以便于更精確地確定特定背景的光譜參數(shù)， 以建立不同地區(qū)的光譜特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

挑選了北方地區(qū)常見的綠色植被、 迷彩雨衣以及兩種不同的迷彩偽裝板作為研究對象， 通過實驗從多個方向采集了各種材料的光譜曲線， 分析了不同探測角度、 太陽入射角以及地物方位角對陸基條件下高光譜成像的影響， 通過建立BRDF模型， 分析了不同偽裝材料的不同散射特性， 為陸基條件下高光譜成像實時偽裝識別提供了研究基礎。

1 實驗部分

1.1 研究方法

自然界的大部分物體都屬于非朗伯體， 一般使用BRDF模型對地物的各向異性進行描述。 其中BRDF的定義為反射幅亮度和入射幅亮度之比， 其計算表達式為式(1)

式(1)中， θi， φi； θr， φr表示入射太陽光的方位角、 天頂角以及反射光線的方位角、 天頂角。dEi表示光源在入射點附近面元上的入射輻照度，dLr為相應的反射輻亮度。BRDF半經(jīng)驗核驅動模型在不同的領域都得到了廣泛的應用， 其中RossThick-LiSparseR模型具有顯著的代表性， 其表達式如式(2)所示

R(θs，θv，φ，λ)=fiso(λ)+fvol(λ)Kvol+fgeo(λ)Kgeo

(2)

該模型將二向性反射分解為了各同向性反射、 體散射和幾何反射三部分的權重。 其中R是二向反射率， θ是光線照射天頂角， ?是觀測天頂角， σ是相對方位角。 Kvol和Kgeo分別為體散射核和幾何光學核。 三個常系數(shù)只與波長有關， 分別表示均勻散射、 體散射和幾何光學散射所占比例。

在模型中， 由于三個常系數(shù)僅與波長有關， 而體散射核Kvol和幾何光學核Kgeo可以通過探測角、 方位角以及太陽高度角進行計算， 拍攝的多組數(shù)據(jù)進行線性擬合可以得到三個常系數(shù)的值， 進而建立BRDF模型， 理論上可以求出在任意太陽高度角、 探測角以及方位角條件下目標的反射率。

1.2 實驗設計

實驗使用基于聲光可調諧濾波器(acousto-optictunablefiler,AOTF)的HIS-300型成像光譜儀， 成像波段間隔為4nm， 可以在449～801nm的光譜范圍內獲取89幅圖像， 每一幅圖像都記錄了在不同成像波長條件下地物的輻射亮度值。 實驗示意圖如圖1所示(a)所示， 其中A到D依次為淺色偽裝板、 深色偽裝板、 漫反射白板、 迷彩雨衣。 實驗過程中獲得的高光譜圖像灰度圖如圖1(b)所示。

圖1 拍攝場景示意圖Fig.1 Schematic diagram of shooting scene

實驗中， 設定對目標進行前向觀測時方位角為正， 后向觀測時方位角為負。 由于高光譜成像儀觀測距離較近， 應根據(jù)天氣條件以及成像角度及時的調整高光譜成像儀的光圈、 增益， 以避免出現(xiàn)探測器飽和的現(xiàn)象。 實驗的迷彩涂層樣板為淺綠色迷彩涂層板與深綠色迷彩涂層板， 均由軍內某研究所提供， 該研究所在研究迷彩涂層方面具有很高的權威性， 提供的迷彩涂層樣板與現(xiàn)役裝備基本一致， 通過研究偽裝板的光譜曲線可以合成目前裝備的涂層光譜。 同時選取經(jīng)過計量標定的聚四氟乙烯板(PTFE)作為實驗參考板， 用來對高光譜儀進行輻射定標， 使用PTFE進行輻射定標的公式見式(3)

式(3)中， θ為白板的漫反射系數(shù)， θ=0.989。

2 結果與討論

2.1 數(shù)據(jù)分析

2.1.1 太陽高度角對地物光譜曲線的影響

使用成像光譜儀對研究目標以及白板同時進行拍攝， 時間為上午9點， 每隔半小時拍攝一次， 共拍攝5次， 太陽高度角為43°時的幾何示意圖如圖2所示， 探測天頂角為27°， 地面的坡度大致為10°左右。

圖2 實驗的幾何示意圖(太陽高度角為43°)Fig.2 Geometry diagram of the experiment(Solar elevation angle is 43°)

如圖3所示， 從實驗結果中可以看出， 四種研究對象的光譜曲線與太陽高度角的關系區(qū)別較大。 在不同的太陽高度角光照射下， 如圖3(a)所示， 綠色植被的光譜發(fā)生了變化。 在449～689 nm之間， 綠色植被的光譜基本相似， 但波長大于689 nm， 綠色植被的光譜曲線隨著太陽高度角的變化較為明顯， 但其變化并非線性變化， 基本規(guī)律是隨著太陽高度角的升高反射比先升高， 在43°時達到最大， 隨著太陽高度角進一步增大， 綠色植被的反射比反而下降。 迷彩雨衣的光譜曲線與其他材料較為不同[如圖3(b)所示]， 基本隨著太陽高度角的增大， 迷彩雨衣的光譜整體發(fā)生了平移， 在太陽高度角為50°左右時， 整個波段的光譜強度都達到了最大值， 并在太陽高度角進一步增大時， 迷彩雨衣的光譜曲線強度下降。 而兩種綠色偽裝板的光譜由于圖中像素較少[如圖3(c,d)所示]， 光譜曲線受到噪聲的影響相比其他兩種材料較明顯， 迷彩偽裝板在可見光波段光譜曲線受太陽高度角變化的影響不很明顯， 但在近紅外波段顯現(xiàn)出了與綠色植被相同的變化規(guī)律， 隨著太陽高度角的增大， 淺色偽裝板的近紅外波段光譜逐漸上移后下降， 在50°左右達到峰值， 深綠色則在54°時反射比達到最大。

圖3 不同太陽高度角下四種研究對象的光譜曲線(a)： 綠地植被的光譜曲線； (b)： 迷彩雨衣的光譜曲線；(c)： 淺綠色偽裝板的光譜曲線； (d)： 深綠色偽裝板的光譜曲線Fig.3 Spectral curves of four research objects under different solar altitudes(a)： Spectral curves of green vegetation； (b)： Spectral curves of camouflage rain coats；(c)： Spectral curve of light green camouflage board； (d)： Spectral curve of dark green camouflage board

當探測角以及探測器與太陽的方位角不變時， 之所以會發(fā)生這種變化， 主要是因為實驗研究的三種物體均為非朗伯體， 存在二向性反射。 有研究曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)植物的葉片在主平面入射角等于探測角時反射比值最大， 其他方向逐漸減小。 實驗的結果基本上符合該研究提出的理論， 從實驗中可以看出， 陸基條件下綠地植被的光譜曲線在可見光波段的反射比變化不比其在近紅外波段更敏感， 并且隨著太陽高度角的增大， 可見光和近紅外波段的植被反射比并不呈現(xiàn)線性變化， 在近紅外波段的反射比受到太陽高度角的影響變化較大。 實驗的誤差可能是由于植物葉片表面的灰塵以及粗糙水平不一致， 而且校園內的植被并非天然生長而成， 而是人工修建而成， 因此實驗結果會與理論結果產(chǎn)生一定的誤差。 對于偽裝板， 陸基條件下的高光譜特性相對于綠地植被較為不同， 由于在場景中偽裝板的像素較少， 因此其光譜受到噪聲的影響較大， 反射比曲線比較雜亂， 在紅外波段的反射比最大值出現(xiàn)在50°。 對于迷彩雨衣， 其反射比曲線基本上隨著太陽高度角的變化在整個波長范圍內發(fā)生平移， 其基本規(guī)律與迷彩偽裝板類似， 在33°～50°之間， 光譜反射比逐漸增大， 隨著太陽高度角進一步增大， 光譜反射比反而減小， 導致迷彩雨衣和偽裝板與綠地植被的最大反射比對應的太陽高度角不同的原因可能是人造偽裝物的表面比較平整， 導致其光譜反射比在50°附近達到最大。

2.1.2 探測器與光源方位角對光譜曲線的影響

為了研究探測器與光源的方位角對光譜曲線的影響， 在上午9點對偽裝板和迷彩服以及綠地進行拍攝， 實驗中， 保持34°的探測角分別在12°， 49°， 87°和152°相對方位角分別對場景進行拍攝， 實驗結果分別如圖4(a—d)所示。

圖4 不同方位角下三種研究對象的光譜曲線(a)： 綠地植被的光譜曲線； (b)： 迷彩雨衣的光譜曲線；(c)： 淺綠色偽裝板的光譜曲線； (d)： 深綠色偽裝板的光譜曲線Fig.4 Spectral curves of three research objects under different azimuths(a)： Spectral curves of green vegetation； (b)： Spectral curves of camouflage rain coats；(c)： Spectral curve of light green camouflage board； (d)： Spectral curve of dark green camouflage board

實驗結果可以看出， 四種研究對象光譜曲線隨著方位角變化的基本規(guī)律相同， 在相對方位角從12°到157°的過程中， 研究對象光譜曲線都是先下降后上升， 在不同波長呈現(xiàn)的規(guī)律具有差異性， 如圖4(a)所示， 綠色植被的光譜曲線比較平滑， 在449～601 nm以及701～801 nm之間的光譜受方位角的影響較大， 601～701 nm之間的光譜變化則比較小， 整體上呈現(xiàn)“兩頭翹， 中間平”的規(guī)律， 迷彩雨衣和迷彩偽裝板的光譜則沒有明顯的規(guī)律， 如圖4(b,c)所示。 三種研究對象的光譜隨著方位角的增大光譜反射比曲線都是先增大后減小， 其光譜值在接近90°左右達到最低值， 得出這樣的結論是因為當探測光線和入射光線在同一平面內時， 以此平面為對稱面， 理論上在對稱面上， 探測天頂角等于入射天頂角時反射率最高， 由對稱面兩側偏離探測角， 反射率隨著方位角的增大呈現(xiàn)降低的趨勢， 但過了90°之后， 隨著接近對稱面， 反射率又進一步提高。 實驗中， 之所以152°的光譜反射比比12°時的反射比更大， 主要是因為后向觀測時探測器收集的光線較多， 同等條件下反射比要比前向觀測更大。

2.1.3 探測角度對光譜曲線的影響

探測角同樣也是影響地物光譜曲線的重要影響因素， 使用高光譜儀對淺色偽裝板、 迷彩雨衣以及綠地植被從后向40°到正向50°分別進行測量并記錄光譜值， 在室內進行實驗， 鹵鎢燈是填充氣體內部具有部分鹵族元素或者鹵化物的充氣白熾燈， 發(fā)出的光線在近紅外和白光波段與太陽光光譜比較近似， 因此本實驗使用鹵鎢燈模擬光譜進行實驗， 光譜的入射天頂角為40°， 分別從后向40°到正向50°之間每隔10°對三種研究對象成像， 選取449， 649， 725和801 nm四個波段進行分析， 實驗結果如圖5(a,b,c)所示。

圖5 不同探測角下三種對象的光譜曲線(a)： 綠地植被的光譜曲線； (b)： 淺色偽裝板的光譜曲線；(c)： 迷彩雨衣的光譜曲線Fig.5 Spectral curves of three types of objectsunder different detection angles(a)： The spectral curve of green vegetation;(b)： The spectral curve oflight camouflage board;(c)： The spectral curve of camouflage raincoat

從實驗圖中可以看出， 三種研究對象的光譜與不同探測角的關系呈現(xiàn)出相同的規(guī)律， 在白光和近紅外波段中， 探測角對地物光譜的影響較小， 研究對象的光譜變化不是很明顯， 但在實驗中發(fā)現(xiàn)， 三種研究對象均在某個探測角度反射比出現(xiàn)極大值， 綠地植被在后向30°時反射比達到最高， 偽裝板在后向10°左右時反射比達到最高， 迷彩雨衣在后向20°左右反射比達到最大， 其原因主要是三種材料的粗糙度從小到大順序依次為偽裝板、 迷彩雨衣和綠地植被， 粗糙度越大， 探測角的“熱點”就越靠近垂直方向， 并且偽裝板與迷彩雨衣的光譜吸收率相對綠地植被要高， 這也造成了偏離垂直方向光譜反射比下降。

2.2 BRDF模型分析

為了深入分析典型綠地植被與偽裝材料的反射特性， 使用采集到的多張影像分別計算Kvol和Kgeo通過同一波段數(shù)據(jù)進行線性擬合求出fiso，fgeo和fvol三個系數(shù)的值， 通過分析不同材料的三種不同系數(shù)的值， 可以分析出不同材料在不同波長的反射特性。 綠地植被與人造偽裝材料最主要的區(qū)別就是綠地植被具有明顯的紅邊效應， 因此主要分析近紅外波段(725～801 nm)之間的地物反射特性， 兩種材料的模型參數(shù)如圖6所示。

圖6 近紅外波段綠地植被和迷彩偽裝板的BRDF參數(shù)(a)： 綠地植被； (b)： 迷彩偽裝板Fig.6 BRDF parameters of greenbelt vegetationand camouflage board(a)： Green vegetation parameter value；(b)： Model Parameter values of camouflage board

從圖中模型分析的結果可以看出， 在近紅外波段， 兩者的散射特性存在明顯的差別。 在近紅外波段范圍內， 偽裝板和綠色植被的模型參數(shù)區(qū)別很大， 可以認為fiso是當太陽天頂角為0°時垂直觀測的反射率。fvol代表散射類型， 如果其值大于零則代表后向散射占主導， 反之則為前向散射為主， 隨著波長增大， 綠地植被前向散射越來越強， 而偽裝板在725～760 nm時都為后向散射占主導， 760～801 nm時為前向散射占主導。

3 結 論

挑選了綠地植被和三種人造偽裝材料， 通過不同的實驗， 細致地分析了太陽高度角、 方位角以及探測角對陸基條件下高光譜成像的影響。 從實驗結果中可以看出， 雖然三種材料的反射特性存在不同， 但在不同的太陽高度角、 方位角以及探測角整體上呈現(xiàn)相同的規(guī)律。 對于太陽高度角來說， 當探測角一定時， 陸基條件下的地物光譜一般隨著太陽高度角的增大升高先升高再降低， 其中， 人造偽裝物的光譜隨著太陽高度角的變化整個光譜曲線都發(fā)生變化， 反射比曲線呈現(xiàn)出平移的規(guī)律， 而綠地植被在白光波段變化不是很明顯， 在近紅外波段的變化很明顯， 隨著太陽高度角的增大先升高后減低； 對于方位角而言， 三種材料隨著方位角的增大光譜反射一般先升高后降低， 同時后向觀測時的光譜反射比一般比正向觀測反射比高； 對于探測角進行的實驗， 發(fā)現(xiàn)三種材料的光譜與探測角的關系并不是很大， 但三種材料在不同的探測角度上出現(xiàn)“熱點”現(xiàn)象。 對綠地植被和迷彩偽裝板的BRDF參數(shù)進行了分析， 分析其BRDF模型的不同特點。 研究結論可以作為下一步高光譜圖像分類的新依據(jù)， 并為陸基條件下的高光譜圖像分析奠定了基礎。