路 鵬，呂海杰，蔣立軍*

（1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026；2.河南地礦職業(yè)學(xué)院電子及信息工程系，河南 鄭州 451464）

冰雪遙感從定性到定量逐步走向成熟，高質(zhì)量的遙感數(shù)據(jù)及各種研究資料為冰雪的研究提供便利。從早期，搭載在NOAA衛(wèi)星的AVHRR數(shù)據(jù)[1-3]，到Landsat衛(wèi)星上的MSS數(shù)據(jù)、高空間分辨率TM及ETM+數(shù)據(jù)[4]、后期應(yīng)用更廣泛的EOS衛(wèi)星上中分辨率MODIS數(shù)據(jù)[5][6]。遙感技術(shù)從可見光波段到微波波段被廣泛應(yīng)用到各種尺度的積雪覆蓋遙感研究中。特別是針對極地積雪及冰川調(diào)查研究，已經(jīng)在被國際上引發(fā)廣泛重視。

在遙感圖像上，自然地表的反射率除與被測物體幾何形態(tài)特征和物理結(jié)構(gòu)相關(guān)外，還與入射及觀測幾何角度有關(guān)。傳統(tǒng)的遙感技術(shù)以垂直觀測的方式來獲取目標(biāo)波譜，反映地物結(jié)構(gòu)的信息量卻非常有限。由于在可見光的大部分范圍內(nèi)，不同結(jié)構(gòu)的地物垂直光譜具有明顯的相似性，導(dǎo)致對同一類型地物很難進(jìn)一步區(qū)分和鑒別，難以實(shí)現(xiàn)遙感的真正定量化[7]。

依托科研項(xiàng)目研究內(nèi)容，轉(zhuǎn)化為本科生開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時，將鮮明的地域特色納入開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中。實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)由傳統(tǒng)的教師演示向?qū)W生練習(xí)為啟發(fā)式的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。圍繞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過教師與學(xué)生的互動，通過教師引導(dǎo)、激發(fā)學(xué)生思考，進(jìn)而實(shí)際動手操作解決問題的教學(xué)方法，鍛煉學(xué)生思考、分析和解決問題能力，提升實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)效果[8]。通過光譜實(shí)踐測量與遙感輻射理論相結(jié)合的方法，加深學(xué)生對理論教學(xué)部分的深入理解，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣。

1 實(shí)驗(yàn)原理與目的

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

雙向反射分布函數(shù)(BRDF，Bidirectional Reflectance Distribution Function)，由Nicodemus描述目標(biāo)物反射率與入射角度和觀測角度的函數(shù)。BRDF可以通過地表反射率全面反應(yīng)地表波譜特性的方向性、空間和時間等特性[9]。體現(xiàn)的是三維空間地表物體反射率的大小。

圖1 BRDF定義示意圖

李小文和Strahler在1986年定義了簡化模型，解決了BRDF測量上的難題：

其中，BRF為雙向反射率因子，即在相同的輻照度條件下，地物向方向的反射輻照度與一個理想的漫反射體在該方向上的反射輻射亮度之比。BRF也可以很好地表示地物的基本特征，并且表達(dá)簡潔易懂，在下面的研究中利用BRF代替BRDF的研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過實(shí)驗(yàn)測量，更深刻地理解雙向反射率分布函數(shù)的物理意義，并測量不同狀態(tài)下積雪的反射率值，從而了解積雪反射率曲線的特征，及不同狀態(tài)下的反射率曲線的異同。根據(jù)積雪的不同狀態(tài)及外界環(huán)境的差別。

2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中測量儀器為美國分析光譜設(shè)備(ASD)FieldSpec3Pro型光譜儀。該設(shè)備是現(xiàn)在國際上使用范圍最廣的光譜測量設(shè)備，可測量350-2500nm波長范圍內(nèi)地物的光譜曲線，探測器包括一個用于350-1000nm陣列，以及兩個用于1000-2500nm陣列的探測器。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)雙向反射率分布函數(shù)特點(diǎn)，對植被與積雪混合目標(biāo)進(jìn)行不同幾何觀測角度實(shí)驗(yàn)測量。具體步驟如下：

（1）將光譜儀按照要求進(jìn)行連接，開機(jī)預(yù)熱30分鐘以上，保證測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。然后對儀器進(jìn)行校正及設(shè)置。

（2）選擇測量目標(biāo)，每測一個新地物前先對儀器進(jìn)行校正，進(jìn)行白板標(biāo)定。標(biāo)定之前要保證白板水平放置，而且探頭視場要完全覆蓋在白板內(nèi)，保證白板內(nèi)沒有附近物體的陰影。

（3）到達(dá)每個測點(diǎn)首先用GPS定位，測量該地區(qū)的地理位置及海拔高度，同時將這些信息記錄在測量記錄表內(nèi)。

（4）完成白板定標(biāo)之后便可以對地物進(jìn)行測量。由于探頭的視場角為25°，根據(jù)目標(biāo)區(qū)域大小計(jì)算探頭的高度。每個測量點(diǎn)測量10條光譜，后期做均值，以便提高測量精度。

（5）在測量植被與積雪混合反射率時，由于東北植株普遍較高，很難探測到植被冠層頂部，試驗(yàn)中測量對象選擇高度為120厘米的松樹苗。為測量不同積雪覆蓋度下植被與雪的混合反射率。

（6）利用雙向反射率分布函數(shù)分析不同角度積雪反射率的敏感度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 角度變化對反射率的影響

測試幾何參數(shù)包括太陽天頂角和太陽方位角。觀測天頂角和觀測方位角，研究選取主平面的信息進(jìn)行分析，不考慮太陽方位角和觀測方位角的變化，只分析太陽天頂角和觀測天頂角的敏感度。這些因素影響植被接收太陽能量的大小，對BRF的影響不可忽略。將測量所得的植被及積雪反射率輸入雙向反射率分布函數(shù)中，分析反射率對觀測角度變化的敏感度。設(shè)定太陽方位角-80°到80°，間隔40°。

圖2中可以看出，反射率在四個波段的數(shù)據(jù)關(guān)于0°對稱，并且前向和后向反射率隨著觀測天頂角的增加而降低。因?yàn)槌尸F(xiàn)出的對稱性，下面主要研究觀測天頂角為0°到80°區(qū)域，“熱點(diǎn)”處BRF值隨太陽天頂角的增加而降低。隨著太陽天頂角的增加，觀測天頂角對BRF值的敏感度降低。在近紅外波段與可見光波段的不同是，隨太陽天頂角增加，除熱點(diǎn)附近的BRF值降低外，其他BRF值是增加的。

圖2 太陽天頂角在可見光和近紅外波段的敏感度分析

背景值設(shè)定樹冠上積雪的覆蓋率從0.1到0.9變化，間隔0.2。對于樹上和下墊面都有雪的情況，圖3所示，在四個波段中樹冠上積雪覆蓋率的增加使得BRF的值也隨之增加，但是觀測天頂角的敏感度不隨樹冠上積雪的覆蓋率變化而改變。在近紅外波段（圖3（d）），積雪覆蓋率對BRF的敏感度比前三個波段降低，但是仍然體現(xiàn)出BRF的規(guī)律增加，并且BRF的值也比前三個波段高。

圖3 樹冠上積雪覆蓋率在可見光波段和近紅外波段敏感度分析

5 總結(jié)

基于雙向反射分布函數(shù)的光譜測量實(shí)驗(yàn)，打破學(xué)生二維空間反射率的局限，開拓三維空間意識，提高本科生科學(xué)素養(yǎng)[11]。本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)不但可以幫助學(xué)生驗(yàn)證科學(xué)原理和加深理解理論知識，還可以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析能力、實(shí)踐動手能力和解決問題能力，有助于訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維，創(chuàng)新意識。因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個教學(xué)活動中一項(xiàng)非常重要的工作[12]，是培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力、終身學(xué)習(xí)發(fā)展、適應(yīng)時代要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以持續(xù)提升遙感人才的培養(yǎng)水平[13]。

當(dāng)代大學(xué)生對新鮮的事物感興趣，對古板守舊的東西沒有太大的興趣[14]。在高校實(shí)踐教學(xué)中，除常規(guī)固定式實(shí)驗(yàn)，自主創(chuàng)新及開放性實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)在國內(nèi)各高校大力推廣的實(shí)踐形式。該實(shí)驗(yàn)有利于鍛煉大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，由被動性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為主動性實(shí)驗(yàn)，取得了良好效果。配合學(xué)校地理位置的優(yōu)勢，將創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與當(dāng)?shù)氐乩硖厣嘟Y(jié)合，不拘泥于教材及課堂上的說教，更直接真實(shí)地展示本專業(yè)應(yīng)用實(shí)踐，該方法使同學(xué)們走向不同地區(qū)時帶著一雙發(fā)現(xiàn)的眼睛，強(qiáng)化了創(chuàng)新意識，培養(yǎng)科學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、終身學(xué)習(xí)習(xí)慣和創(chuàng)新思維[15]。