一种基于微表面镜面反射的车辆目标BRDF反演模型

本发明属于遥感与对地观测，尤其涉及一种基于微表面镜面反射的车辆目标brdf反演模型。

背景技术：

1、二向反射分布函数（bidirectional reflectance distribution function,brdf）是刻画地表物体反射能量在半球空间分布特征的核心物理量，在光学定量遥感、目标检测与识别等领域具有广泛的应用价值。为描述地物的二向性反射特征，国内外学者发展了一系列brdf模型。其中，半经验的线性核驱动模型因其形式简洁、计算效率高且具有一定物理基础，已成为多角度遥感领域应用最为广泛的brdf建模方法。核驱动模型将地表反射率表示为各向同性核、体散射核和几何光学核的线性组合，各核函数分别对应不同的物理散射机制。以modis（中分辨率成像光谱仪）二向性反射和反照率业务化产品采用的rossthick-lisparsereciprocal（rtlsr）模型为代表，该模型由基于辐射传输理论的rossthick体散射核与基于几何光学理论的lisparser几何光学核组合而成，目前已向全球用户提供业务化的反照率和二向性反射产品。围绕核驱动模型的改进与优化，已有诸多研究展开，例如对模型热点效应进行参数化校正（rtlsr_c模型）、将模型扩展应用于复杂地形区域以及面向无人机等多角度观测平台进行适配等。

2、然而，现有核驱动brdf模型主要针对自然地表的反射特性展开描述，对于图像中含有复杂三维结构及涂漆金属表面的车辆目标等，现有模型难以反演这类人工目标的光学双向反射特性。这类目标表面在微观尺度上由大量随机取向的微面元组成，入射光在镜面反射方向附近会产生强烈的定向反射，其反射能量分布与自然地表存在本质差异。torrance和sparrow于1967年提出了基于微面元理论的镜面反射brdf模型，该模型假设表面由大量微小镜面单元构成，通过微面元法线的高斯分布描述表面粗糙度，并引入菲涅尔反射和几何衰减因子，对金属、涂层等光滑材料的镜面反射峰具有良好的拟合能力。但t-s模型属于纯物理模型，其参数反演需要大量多角度观测数据且计算复杂，难以直接应用于大范围遥感反演。目前，将微面元镜面反射模型与核驱动框架进行有效融合，以同时兼顾自然地表与复杂结构目标反射特性的brdf建模方法，在国内外文献和专利中尚属空白。

3、由此可见，现有核驱动brdf模型主要针对自然地表光学反射特性设计，其体散射核与几何光学核都是基于自然目标的散射机制构建，针对车辆涂层、金属材料等目标时反演精度较低。此外，基于微面元理论的torrance-sparrow纯物理镜面反射模型虽能精确描述光滑表面的定向反射特性，但其参数反演需大量多角度观测数据且计算复杂，难以直接应用于大范围遥感反演与业务化产品生产。现有技术中缺乏一种将微面元镜面反射机制与核驱动模型框架进行有效融合的方案，从而无法兼顾自然地表的散射特征与复杂人造目标的镜面反射特征。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种基于微表面镜面反射的车辆目标brdf反演模型，在保持核驱动模型简洁高效的基础上，引入微面元镜面反射机制，构建一种能够同时适用于自然地表和复杂人造目标的二向反射分布函数建模方法，以提升混合地表场景中多角度反射率的拟合精度和模型适用性。

2、一种基于微表面镜面反射的车辆目标brdf反演模型，待测目标的反射率的计算公式为：

3、

4、其中，为探测光的入射天顶角；为观测天顶角；为由观测方位角与入射方位角之差形成的相对方位角；为探测光波长；为体散射核；为几何光学核；为镜面反射核；、、、分别为与探测光波长有关的各向同性核、体散射核、几何光学核和镜面反射核的权重系数。

5、进一步地，镜面反射核基于torrance-sparrow微面元理论构建，且镜面反射核的计算方法为：

6、

7、其中，

p为微面元法线分布函数，

g为几何衰减因子，

f为菲涅尔反射系数，

af为微面元面积。

8、进一步地，微面元法线分布函数

p的计算方法为：

9、

10、其中，为微面元法线方向分布的均方根斜率，用于表征由大量随机取向微面元组成的宏观表面的粗糙度参数，且

σ值越小，宏观表面越光滑，微观镜面反射峰越尖锐、越高；

σ值越大，宏观表面越粗糙，微观镜面反射峰越宽缓、越低；为微观镜面法线与宏观表面法线之间的夹角。

11、进一步地，粗糙度参数根据材料类型来确定，其中，对于车辆涂层材料，

σ的取值范围为0.10～0.25；对于抛光金属表面，

σ的取值范围为0.05～0.15；对于粗糙涂层或哑光表面，

σ的取值范围为0.20～0.40。

12、进一步地，粗糙度参数的确定方法为：

13、在∈[0.01,0.50]区间内以固定步长遍历粗糙度候选值，将每个粗糙度候选值代入反射率的计算公式，并拟合得到当前反射率对应的均方根误差，选择使均方根误差最小的粗糙度候选值作为当前探测波段的最优粗糙度参数。

14、进一步地，几何衰减因子

g的计算方法为：

15、

16、其中，

β为探测光入射方向与反射方向之间夹角的一半。

17、进一步地，镜面反射核基于torrance-sparrow微面元理论构建，且多个随机取向的微面元组成的宏观表面满足如下几何关系：

18、设宏观表面法线为n，入射方向为ωi，观测方向为ωv，定义半角向量h为入射方向与观测方向的角平分线方向：

19、

20、定义为微观镜面法线与宏观表面法线之间的夹角，

β为探测光入射方向与反射方向之间夹角的一半，则和

β与半角向量h之间满足的关系如下：

21、

22、

23、其中，为入射方向与观测方向之间的夹角，即散射角。

24、进一步地，权重系数、、、采用带非负约束的线性最小二乘法来确定如下：

25、

26、其中，

n为多角度观测数据点，为第

j个观测角度的实测反射率，

kvol,j、

kgeo,j、

ks,j分别为体散射核、几何光学核、镜面反射核在第

j个观测角度的值。

27、进一步地，车辆目标brdf反演模型的使用方法为：

28、步骤一、获取多角度观测数据：通过卫星遥感、无人机航拍或地面brdf测量装置，获取目标区域在不同入射天顶角、观测天顶角和相对方位角下的多角度反射率数据；

29、步骤二、数据预处理与角度计算：根据观测几何计算各角度反射率数据点的入射天顶角

θi、观测天顶角

θv、相对方位角

φ以及散射角

ξ；

30、步骤三、确定模型参数：根据目标区域的土地覆盖类型，确定用于确定体散射核与几何光学核具体取值的热点校正参数

c1和

c2，同时确定镜面反射核的粗糙度参数

σ；

31、步骤四、计算各核函数值：根据各角度反射率数据、热点校正参数

c1和

c2、粗糙度参数

σ，分别计算、、；

32、步骤五、线性最小二乘反演：以各核函数值为设计矩阵，以实测反射率为观测向量，求解带非负约束的线性最小二乘问题，获得四个权重系数、、、；

33、步骤六、模型应用：利用反演得到的权重系数和核函数，预测任意观测几何条件下的车辆目标反射率。

34、进一步地，体散射核的计算方法为：

35、

36、其中，为入射方向与观测方向之间的夹角，

c1为用于增强体散射核在热点方向的反射拟合能力的第一热点校正参数；

37、几何光学核的计算方法为：

38、

39、其中，

θi′、

θv′、

ξ′分别为考虑地表球面几何后的等效入射天顶角、等效观测天顶角、等效散射角，

c2为用于增强几何光学核在热点方向的反射拟合能力的第二热点校正参数，

o(·)为用于描述观测方向与反射方向之间的阴影重叠面积的重叠函数。

40、有益效果：

41、1、本发明提供一种基于微表面镜面反射的车辆目标brdf反演模型，通过在经典线性核驱动rtlsr_c模型框架中引入基于torrance-sparrow微面元理论的镜面反射核，构建四分量brdf模型，实现对车辆等待测目标的地表二向反射特性的精确表征；本发明能够显著提升针对复杂结构车辆目标的反射拟合精度，模型能够同时刻画自然地表的体散射、几何遮挡散射以及复杂车辆目标的微面元镜面反射，从而在含有车辆等目标的混合像元中实现了更高的多角度反射率拟合精度。

42、2、本发明提供一种基于微表面镜面反射的车辆目标brdf反演模型，采用典型材质经验值或自动优化方式确定粗糙度参数

σ，避免了传统brdf模型反演中参数过多导致的不适定问题，在保证模型精度的同时提高了大范围遥感应用的效率和可行性；同时，改进的核驱动模型结合了高精度的基于微面元镜面反射核，并保持了核驱动模型的高效计算特性，模型整体仍保持各分量核函数线性加权形式，参数可通过常规最小二乘法快速求解。