引言

現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)伴隨著偵察技術(shù)與精確制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，目標(biāo)“發(fā)現(xiàn)”即意味著被摧毀，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偽裝已經(jīng)成為戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)降低自身被發(fā)現(xiàn)概率?提高戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的首選方式。經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展，高光譜成像技術(shù)已經(jīng)成為對(duì)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(dāng)前，利用高光譜成像進(jìn)行目標(biāo)分類和探測(cè)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(cè)方式中，偵察時(shí)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(shí)，一方面?zhèn)刹鞎r(shí)間隨機(jī)，太陽(yáng)的入射角度時(shí)刻變化；另一方面?zhèn)刹斓姆较蛉我?高度在地面或者近地位置（無(wú)人機(jī)搭載偵察），探測(cè)方向相對(duì)變化無(wú)窮。偵察過(guò)程受物體表面雙向反射分布函數(shù)（BRDF）系數(shù)影響凸顯。陸基條件下高光譜成像目標(biāo)往往分布在山地?平原等地區(qū)，而遙感探測(cè)對(duì)于目標(biāo)的觀測(cè)方式往往是垂直方向收集數(shù)據(jù)，對(duì)于陸基條件下的高光譜成像而言，探測(cè)角度?太陽(yáng)高度角?探測(cè)器與光源的相對(duì)方位角都會(huì)對(duì)目標(biāo)探測(cè)產(chǎn)生影響，導(dǎo)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(huì)對(duì)目標(biāo)探測(cè)帶來(lái)影響。

對(duì)于地物的BRDF的測(cè)量，前人已經(jīng)做了很多研究，趙春燕為了提升光學(xué)衛(wèi)星遙感器的定標(biāo)頻次，提出了一種基于場(chǎng)地高光譜BRDF模型的高頻次絕對(duì)定標(biāo)方法。中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所在敦煌輻射校正場(chǎng)開(kāi)展了針對(duì)地表反射率在遙感器視角方向校正的BRDF特性分析，測(cè)量了整個(gè)場(chǎng)地的BRDF值并建立了模型，分析了場(chǎng)地對(duì)不同波段的方向特性。有報(bào)道針對(duì)坡地植物的反射比影響因子進(jìn)行了分析，結(jié)果證明了探測(cè)天頂角以及坡度?坡向?qū)χ脖桓吖庾V遙感均有影響。Wang針對(duì)黃銅表面的反射特性做了一系列實(shí)驗(yàn)，建立了BRDF模型并進(jìn)行了分析。有學(xué)者也針對(duì)其他材料進(jìn)行了一系列研究。

目前，尚無(wú)專門針對(duì)陸基應(yīng)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(jìn)行研究。有必要對(duì)高光譜圖像中的同一目標(biāo)光譜特征受觀測(cè)幾何?太陽(yáng)入射角度?探測(cè)器探測(cè)角以及探測(cè)器與光源方位角的影響，確定地物光譜在不同觀測(cè)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(duì)影響的大小及規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，并相應(yīng)對(duì)后續(xù)目標(biāo)探測(cè)算法提出改進(jìn)意見(jiàn)。特別要加強(qiáng)對(duì)作戰(zhàn)區(qū)域背景光譜特性的研究，對(duì)不同地域典型地物的光譜要細(xì)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(kù)。

挑選了北方地區(qū)常見(jiàn)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(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)從多個(gè)方向采集了各種材料的光譜曲線，分析了不同探測(cè)角度?太陽(yáng)入射角以及地物方位角對(duì)陸基條件下高光譜成像的影響，通過(guò)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(shí)時(shí)偽裝識(shí)別提供了研究基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)部分

2.1 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(duì)地物的各向異性進(jìn)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(jì)算表達(dá)式為式（1）

式（1）中，θi，φi；θr，φr表示入射太陽(yáng)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(diǎn)附近面元上的入射輻照度，dLr為相應(yīng)的反射輻亮度。BRDF半經(jīng)驗(yàn)核驅(qū)動(dòng)模型在不同的領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，其中Ross Thick-LiSparseR模型具有顯著的代表性，其表達(dá)式如式（2）所示

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(quán)重。其中R是二向反射率，θ是光線照射天頂角，是觀測(cè)天頂角，σ是相對(duì)方位角。Kvol和Kgeo分別為體散射核和幾何光學(xué)核。三個(gè)常系數(shù)只與波長(zhǎng)有關(guān)，分別表示均勻散射?體散射和幾何光學(xué)散射所占比例。

在模型中，由于三個(gè)常系數(shù)僅與波長(zhǎng)有關(guān)，而體散射核Kvol和幾何光學(xué)核Kgeo可以通過(guò)探測(cè)角?方位角以及太陽(yáng)高度角進(jìn)行計(jì)算，拍攝的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合可以得到三個(gè)常系數(shù)的值，進(jìn)而建立BRDF模型，理論上可以求出在任意太陽(yáng)高度角?探測(cè)角以及方位角條件下目標(biāo)的反射率。

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得的高光譜圖像灰度圖如圖1（b）所示。

圖1拍攝場(chǎng)景示意圖

實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定對(duì)目標(biāo)進(jìn)行前向觀測(cè)時(shí)方位角為正，后向觀測(cè)時(shí)方位角為負(fù)。由于高光譜成像儀觀測(cè)距離較近，應(yīng)根據(jù)天氣條件以及成像角度及時(shí)的調(diào)整高光譜成像儀的光圈?增益，以避免出現(xiàn)探測(cè)器飽和的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(quán)威性，提供的迷彩涂層樣板與現(xiàn)役裝備基本一致，通過(guò)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(shí)選取經(jīng)過(guò)計(jì)量標(biāo)定的聚四氟乙烯板（PTFE）作為實(shí)驗(yàn)參考板，用來(lái)對(duì)高光譜儀進(jìn)行輻射定標(biāo)，使用PTFE進(jìn)行輻射定標(biāo)的公式見(jiàn)式（3）

式（3）中，θ為白板的漫反射系數(shù)，θ=0.989。

結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)分析

3.1.1太陽(yáng)高度角對(duì)地物光譜曲線的影響

使用成像光譜儀對(duì)研究目標(biāo)以及白板同時(shí)進(jìn)行拍攝，時(shí)間為上午9點(diǎn)，每隔半小時(shí)拍攝一次，共拍攝5次，太陽(yáng)高度角為43°時(shí)的幾何示意圖如圖2所示，探測(cè)天頂角為27°，地面的坡度大致為10°左右。

圖2 實(shí)驗(yàn)的幾何示意圖（太陽(yáng)高度角為43°）

如圖3所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，四種研究對(duì)象的光譜曲線與太陽(yáng)高度角的關(guān)系區(qū)別較大。在不同的太陽(yáng)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449~689nm之間，綠色植被的光譜基本相似，但波長(zhǎng)大于689nm，綠色植被的光譜曲線隨著太陽(yáng)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(yáng)高度角的升高反射比先升高，在43°時(shí)達(dá)到最大，隨著太陽(yáng)高度角進(jìn)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(yáng)高度角的增大，迷彩雨衣的光譜整體發(fā)生了平移，在太陽(yáng)高度角為50°左右時(shí)，整個(gè)波段的光譜強(qiáng)度都達(dá)到了最大值，并在太陽(yáng)高度角進(jìn)一步增大時(shí)，迷彩雨衣的光譜曲線強(qiáng)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(jiàn)光波段光譜曲線受太陽(yáng)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(yáng)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(dá)到峰值，深綠色則在54°時(shí)反射比達(dá)到最大。

圖3 不同太陽(yáng)高度角下四種研究對(duì)象的光譜曲圖3不同太陽(yáng)高度角下四種研究對(duì)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

當(dāng)探測(cè)角以及探測(cè)器與太陽(yáng)的方位角不變時(shí)，之所以會(huì)發(fā)生這種變化，主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)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(cè)角時(shí)反射比值最大，其他方向逐漸減小。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本上符合該研究提出的理論，從實(shí)驗(yàn)中可以看出，陸基條件下綠地植被的光譜曲線在可見(jiàn)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(yáng)高度角的增大，可見(jiàn)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(yáng)高度角的影響變化較大。實(shí)驗(yàn)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(nèi)的植被并非天然生長(zhǎng)而成，而是人工修建而成，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)與理論結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。對(duì)于偽裝板，陸基條件下的高光譜特性相對(duì)于綠地植被較為不同，由于在場(chǎng)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(duì)于迷彩雨衣，其反射比曲線基本上隨著太陽(yáng)高度角的變化在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)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(yáng)高度角進(jìn)一步增大，光譜反射比反而減小，導(dǎo)致迷彩雨衣和偽裝板與綠地植被的最大反射比對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)高度角不同的原因可能是人造偽裝物的表面比較平整，導(dǎo)致其光譜反射比在50°附近達(dá)到最大。

3.1.2探測(cè)器與光源方位角對(duì)光譜曲線的影響

為了研究探測(cè)器與光源的方位角對(duì)光譜曲線的影響，在上午9點(diǎn)對(duì)偽裝板和迷彩服以及綠地進(jìn)行拍攝，實(shí)驗(yàn)中，保持34°的探測(cè)角分別在12°，49°，87°和152°相對(duì)方位角分別對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行拍攝，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖4（a—d）所示。

圖4不同方位角下三種研究對(duì)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

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，四種研究對(duì)象光譜曲線隨著方位角變化的基本規(guī)律相同，在相對(duì)方位角從12°到157°的過(guò)程中，研究對(duì)象光譜曲線都是先下降后上升，在不同波長(zhǎng)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449~601nm以及701~801nm之間的光譜受方位角的影響較大，601~701nm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(méi)有明顯的規(guī)律，如圖4（b，c）所示。三種研究對(duì)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(dá)到最低值，得出這樣的結(jié)論是因?yàn)楫?dāng)探測(cè)光線和入射光線在同一平面內(nèi)時(shí)，以此平面為對(duì)稱面，理論上在對(duì)稱面上，探測(cè)天頂角等于入射天頂角時(shí)反射率最高，由對(duì)稱面兩側(cè)偏離探測(cè)角，反射率隨著方位角的增大呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，但過(guò)了90°之后，隨著接近對(duì)稱面，反射率又進(jìn)一步提高。實(shí)驗(yàn)中，之所以152°的光譜反射比比12°時(shí)的反射比更大，主要是因?yàn)楹笙蛴^測(cè)時(shí)探測(cè)器收集的光線較多，同等條件下反射比要比前向觀測(cè)更大。

3.1.3探測(cè)角度對(duì)光譜曲線的影響

探測(cè)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(duì)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(jìn)行測(cè)量并記錄光譜值，在室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鹵鎢燈是填充氣體內(nèi)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(yáng)光光譜比較近似，因此本實(shí)驗(yàn)使用鹵鎢燈模擬光譜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(duì)三種研究對(duì)象成像，選取449，649，725和801nm四個(gè)波段進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5（a，b，c）所示。從實(shí)驗(yàn)圖中可以看出，三種研究對(duì)象的光譜與不同探測(cè)角的關(guān)系呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，在白光和近紅外波段中，探測(cè)角對(duì)地物光譜的影響較小，研究對(duì)象的光譜變化不是很明顯，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，三種研究對(duì)象均在某個(gè)探測(cè)角度反射比出現(xiàn)極大值，綠地植被在后向30°時(shí)反射比達(dá)到最高，偽裝板在后向10°左右時(shí)反射比達(dá)到最高，迷彩雨衣在后向20°左右反射比達(dá)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(cè)角的“熱點(diǎn)”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(duì)綠地植被要高，這也造成了偏離垂直方向光譜反射比下降。

圖5不同探測(cè)角下三種對(duì)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

3.2BRDF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(jì)算Kvol和Kgeo通過(guò)同一波段數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合求出fiso，fgeo和fvol三個(gè)系數(shù)的值，通過(guò)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(zhǎng)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(yīng)，因此主要分析近紅外波段（725~801nm）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

從圖中模型分析的結(jié)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(nèi)，偽裝板和綠色植被的模型參數(shù)區(qū)別很大，可以認(rèn)為fiso是當(dāng)太陽(yáng)天頂角為0°時(shí)垂直觀測(cè)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(dǎo)，反之則為前向散射為主，隨著波長(zhǎng)增大，綠地植被前向散射越來(lái)越強(qiáng)，而偽裝板在725~760nm時(shí)都為后向散射占主導(dǎo)，760~801nm時(shí)為前向散射占主導(dǎo)。

結(jié)論

挑選了綠地植被和三種人造偽裝材料，通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)，細(xì)致地分析了太陽(yáng)高度角?方位角以及探測(cè)角對(duì)陸基條件下高光譜成像的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yáng)高度角?方位角以及探測(cè)角整體上呈現(xiàn)相同的規(guī)律。對(duì)于太陽(yáng)高度角來(lái)說(shuō)，當(dāng)探測(cè)角一定時(shí)，陸基條件下的地物光譜一般隨著太陽(yáng)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(yáng)高度角的變化整個(gè)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(yáng)高度角的增大先升高后減低；對(duì)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(shí)后向觀測(cè)時(shí)的光譜反射比一般比正向觀測(cè)反射比高；對(duì)于探測(cè)角進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)三種材料的光譜與探測(cè)角的關(guān)系并不是很大，但三種材料在不同的探測(cè)角度上出現(xiàn)“熱點(diǎn)”現(xiàn)象。對(duì)綠地植被和迷彩偽裝板的BRDF參數(shù)進(jìn)行了分析，分析其BRDF模型的不同特點(diǎn)。研究結(jié)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(chǔ)。

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審核編輯 黃宇