考虑光照的无人机载线阵高光谱BRDF快速构建方法及系统

考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法及系统
技术领域
1.本发明涉及一种brdf构建方法及系统，具体涉及一种考虑光照变化的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法及用于实现该方法的系统。


背景技术：

2.双向反射分布函数brdf描述了入射光线经过某一表面反射后，在各个出射方向上的分布。在确定入射方向和出射方向时，可定义为出射方向的辐射亮度与入射方向的辐射照度之比。brdf在低空遥感，机载遥感，星载遥感中都是重要的地理定标参数，其准确程度也直接影响定标精度。一般对于固定目标区域的brdf数据采集，需要在不同天顶角下，固定拍摄高度，以不同的方位角间隔对目标区域拍摄，采集到对应的空间方位参数。传统的采集方法需要使用多种复杂设备搭建采集平台配合使用，设备本身的运行姿态和位置参数都对采集到的brdf数据影响较大，且由于设备本身的复杂性，对观测目标的选择极易受到地形和交通的影响，对于开展复杂地形和环境的brdf采集工作难度较大。传统方法在brdf的采集难度、成本、时间、精度、效率等问题上都有明显的局限性。目前，无人机及机载设备操作简单，携带方便，采集方式灵活，为brdf的采集与构建提供了新的手段。
3.brdf的采集与无人机平台搭载的仪器设备、飞行方案规划、拍摄环境状况，以及空间光照变化都有很大的关系。对于当前使用的光谱仪，跟拍相机等采集设备，采集到的brdf数据维度丰富性不高，固定机位拍摄方法难以保证数据的连续性，且很少考虑光照变化对数据的影响，对于复杂环境的brdf采集和构建效率较低。如何在充分考虑光照条件的前提下，提高数据的维度丰富性，优化无人机飞行方案，加快brdf的模型构建成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有brdf采集方法存在采集到的brdf数据维度丰富性不高、难以保证brdf数据的连续性，且很少考虑光照变化对brdf数据的影响，导致brdf数据可靠性不高，对于复杂环境的brdf采集和构建效率较低的技术问题，而提供一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法及系统。
5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
6.一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
7.步骤1、控制无人机以0
°
天顶角飞行至初始航高h，开始同步采集光照随时间变化数据，及目标采集区域的brdf数据和校正定标数据；
8.步骤2、控制无人机在天顶角θv从0
°
增大至预设最大角度的范围内，每间隔预设间隔角度以预设飞行轨迹完成一航次飞行；并在无人机每完成一航次飞行后，根据天顶角θv的变化对应调整飞行航高h和横移距离s；
9.天顶角θv与飞行航高h和横移距离s满足如下关系：
10.h＝h*cosθv；s＝h*sinθv；
11.在无人机飞行期间持续采集brdf数据和校正定标数据，及光照随时间变化数据；
12.步骤3、先根据无人机飞行的航次对brdf数据进行筛选、分类后，再根据校正定标数据对brdf数据进行预处理，最后将预处理后的brdf数据输入到brdf模型中得到模型参数，将模型参数根据时间与光照随时间变化数据进行匹配，获得不同光照条件下，以目标采集区域为中心的brdf分布；完成brdf的采集与构建。
13.进一步地，在步骤2中，所述预设飞行轨迹为：
14.沿边长为l的正多边形轨迹飞行n次，n＞1，n个正多边形轨迹相对应的一条边在水平方向上的中垂线根据飞行顺序依次设有预设夹角。
15.进一步地，在步骤2中，所述预设飞行轨迹为：
16.沿边长为l的正方形轨迹顺时针飞行3次，3个正方形轨迹相对应的一条边在水平方向上的中垂线根据飞行顺序依次设有30
°
的预设夹角；
17.所述边长l＝2*s；
18.所述预设最大角度为50
°
；
19.所述预设间隔角度为10
°
。
20.进一步地，在步骤3中，所述brdf模型为hapke模型；
21.所述hapke模型的计算公式为：
[0022][0023]
式中：r(μ0,u,g)为模型函数，μ0为入射角余弦值，u为出射角余弦值，g为入射角与出射角之间的相位角，ω为单次散射反照率，b(g)为后向散射函数，p(g)为相函数，m(μ0,u)为多次散射函数。
[0024]
进一步地，后向散射函数b(g)满足如下关系：
[0025][0026]
式中：b0是热点效应振幅，k是热点效应宽度；
[0027]
相函数p(g)满足如下关系：
[0028][0029]
式中：b,c为相函数参数；
[0030]
多次散射函数m(μ0,u)满足如下关系：
[0031]
m(μ0,u)＝h(μ0)h(μ)-1；
[0032]
式中：h(x)为h函数。
[0033]
同时，本发明还提供了一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建系统，用于实现无人机载线阵高光谱brdf快速采集与构建方法，包括高光谱成像仪、大气下行辐照度测量装置和校正定标组件；
[0034]
所述高光谱成像仪用于安装在无人机上，获取目标采集区域的brdf数据；所述大气下行辐照度测量装置用于设置在地面上，获取光照随时间变化数据；
[0035]
所述校正定标组件设置于目标采集区域处，用于采集校正定标数据。
[0036]
进一步地，所述校正定标组件包括灰度标靶和白板；
[0037]
所述灰度标靶和白板均铺设于目标采集区域处。
[0038]
进一步地，所述大气下行辐照度测量装置通过三脚架设置于地面上。
[0039]
进一步地，所述高光谱成像仪用于通过稳定云台安装在无人机上。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0041]
1、本发明通过无人机搭载高光谱成像仪根据预设的飞行轨迹获取不同天顶角、方位角处目标采集区域的brdf数据，实现多维度数据采集；并进行以校正定标数据为参考标准的预处理，再通过brdf模型进行数据拟合得到模型参数，最后结合获取的光照随时间变化数据进行匹配，获得不同光照条件下以目标采集区域为中心的brdf分布；本发明有效结合空间、时间、多角度、光谱信息等，实现丰富的多维度数据采集，采集时间连贯且充分考虑光照变化的影响，实现目标采集区域brdf的快速采集与构建。
[0042]
2、本发明通过控制无人机以正方形的轨迹飞行，每次飞行的正方形轨迹对应边的中垂线在水平方向具有预设夹角，可以使得在采集过程中，目标采集区域始终处于最中心位置，从而确保采集数据的方位一致性，实现多维度采集。
附图说明
[0043]
图1是本发明一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法实施例的流程图；
[0044]
图2是本发明一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法实施例中天顶角θv、初始航高h、飞行航高h、横移距离s的位置示意图；
[0045]
图3是本发明一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法实施例中无人机在天顶角θv＝10
°
，航高h＝49.2m，横移距离s＝8.68m处的飞行轨迹图；
[0046]
图4是本发明一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法实施例中在天顶角θv＝20
°
，航高h＝46.9m，横移距离s＝17.1m处的飞行轨迹图。
具体实施方式
[0047]
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法及系统作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
[0048]
本实施例一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建系统，包括高光谱成像仪、大气下行辐照度测量装置和校正定标组件。
[0049]
其中高光谱成像仪用于安装于无人机上，获取目标采集区域的brdf数据；优选的，为了提升高光谱成像仪在采集过程中的稳定性，将高光谱成像仪安装在稳定云台上，将稳定云台安装于无人机上；大气下行辐照度测量装置通过三脚架设置在地面上，确保大气下行辐照度测量装置在垂直目标采集区域表面方向上的方向准确性，获取光照随时间变化数据；高光谱成像仪与大气下行辐照度测量装置的时间同步性应保持一致；具体的，大气下行
辐照度测量装置由分析光谱装置和余弦矫正器组成，二者均固定在三脚架上；校正定标组件设置于目标采集区域处，用于采集校正定标数据。校正定标组件包括灰度标靶和白板；灰度标靶和白板均铺设于目标采集区域处。
[0050]
基于上述的一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建系统，下面对一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法进行说明，具体包括以下步骤：
[0051]
步骤1、控制无人机以0
°
天顶角飞行至初始航高h，开始同步采集目标采集区域的brdf数据和校正定标数据，及光照随时间变化数据；初始航高可根据目标采集区域的范围进行具体设定；在本实施例中设计为50m，在本发明的其他实施例中，也可设计为40m、60m或70m等；
[0052]
步骤2、控制无人机在天顶角θv从0
°
增大至预设最大角度的范围内，在本实施例中，设计预设最大角度为50
°
，在本发明的其他实施例中，也可设计最大角度为40
°
或60
°
等，能够满足目标采集区域的全部采集需要即可；每间隔预设间隔角度以预设飞行轨迹完成一次飞行；在本实施例中，预设间隔角度为10
°
，在本发明的其他实施例中，根据对精度要求的不同，也可设计为8
°
或15
°
等；在无人机每完成一次飞行后，为了确保在下次飞行时，目标采集区域相对于无人机飞行轨迹始终处于中心位置，需要根据天顶角θv的变化对应调整飞行航高h和横移距离s；具体的，天顶角θv与飞行航高h和横移距离s满足如下关系：
[0053]
h＝h*cosθv；s＝h*sinθv；
[0054]
具体的，无人机的预设飞行轨迹为：沿边长为l的正多边形轨迹飞行n次，n＞1，n个正多边形轨迹相对应的一条边在水平方向上根据飞行顺序依次设有预设夹角；边长l＝2*s；在本实施例中，无人机沿边长为l的正方形轨迹顺时针飞行3次，3个正方形轨迹相对应的一条边在水平方向上的中垂线根据飞行顺序依次设有30
°
的预设夹角；如图3所示，是无人机在天顶角θv＝10
°
，航高h＝49.2m，横移距离s＝8.68m处的飞行轨迹，图4是在天顶角θv＝20
°
，航高h＝46.9m，横移距离s＝17.1m处的飞行轨迹。如下表所示，为本实施例中，天顶角θv与飞行航高h和横移距离s的对应数据：
[0055]
天顶角、航高和横移距离数据表
[0056][0057]
并且在无人机飞行期间持续采集目标采集区域的brdf数据和校正定标数据，及光照随时间变化数据；
[0058]
步骤3、先根据无人机飞行的航次对brdf数据进行筛选、分类后，再根据校正定标数据对brdf数据进行预处理，最后将预处理后的brdf数据输入到brdf模型中通过最小化误差拟合得到模型参数，最小化误差可选择最小二乘法、梯度下降法、牛顿法、高斯牛顿法等；优选的，在本实施例中，brdf模型选用hapke模型；
[0059]
hapke模型的计算公式为：
[0060][0061]
式中：r(μ0,u,g)为模型函数，μ0为入射角余弦值，u为出射角余弦值，g为入射角与出射角之间的相位角，ω为单次散射反照率，b(g)为后向散射函数，p(g)为相函数，m(μ0,u)为多次散射函数。
[0062]
其中，后向散射函数b(g)满足如下关系：
[0063][0064]
式中：b0是热点效应振幅，k是热点效应宽度。
[0065]
相函数p(g)满足如下关系：
[0066][0067]
式中：b,c为相函数参数。
[0068]
多次散射函数m(μ0,u)满足如下关系：
[0069]
m(μ0,u)＝h(μ0)h(μ)-1；
[0070]
式中：h(x)为h函数。
[0071]
将模型参数根据时间与光照随时间变化数据进行匹配，即可获得不同光照条件下，以目标采集区域为中心的brdf分布；完成brdf的采集与构建。

技术特征：
1.一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、控制无人机以0
°
天顶角飞行至初始航高h，开始同步采集光照随时间变化数据，及目标采集区域的brdf数据和校正定标数据；步骤2、控制无人机在天顶角θ
v
从0
°
增大至预设最大角度的范围内，每间隔预设间隔角度以预设飞行轨迹完成一航次飞行；并在无人机每完成一航次飞行后，根据天顶角θ
v
的变化对应调整飞行航高h和横移距离s；天顶角θ
v
与飞行航高h和横移距离s满足如下关系：h＝h*cosθ
v
；s＝h*sinθ
v
；在无人机飞行期间持续采集brdf数据和校正定标数据，及光照随时间变化数据；步骤3、先根据无人机飞行的航次对brdf数据进行筛选、分类后，再根据校正定标数据对brdf数据进行预处理，最后将预处理后的brdf数据输入到brdf模型中得到模型参数，将模型参数根据时间与光照随时间变化数据进行匹配，获得不同光照条件下，以目标采集区域为中心的brdf分布；完成brdf的采集与构建。2.根据权利要求1所述的考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法，其特征在于，在步骤2中，所述预设飞行轨迹为：沿边长为l的正多边形轨迹飞行n次，n＞1，n个正多边形轨迹相对应的一条边在水平方向上的中垂线根据飞行顺序依次设有预设夹角。3.根据权利要求2所述的考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法，其特征在于，在步骤2中，所述预设飞行轨迹为：沿边长为l的正方形轨迹顺时针飞行3次，3个正方形轨迹相对应的一条边在水平方向上的中垂线根据飞行顺序依次设有30
°
的预设夹角；所述边长l＝2*s；所述预设最大角度为50
°
；所述预设间隔角度为10
°
。4.根据权利要求1-3任一所述的考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法，其特征在于：在步骤3中，所述brdf模型为hapke模型；所述hapke模型的计算公式为：式中：r(μ0,u,g)为模型函数，μ0为入射角余弦值，u为出射角余弦值，g为入射角与出射角之间的相位角，ω为单次散射反照率，b(g)为后向散射函数，p(g)为相函数，m(μ0,u)为多次散射函数。5.根据权利要求4所述的考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法，其特征在于，后向散射函数b(g)满足如下关系：式中：b0是热点效应振幅，k是热点效应宽度，g为入射角与出射角之间的相位角；
相函数p(g)满足如下关系：式中：b,c为相函数参数；多次散射函数m(μ0,u)满足如下关系：m(μ0,u)＝h(μ0)h(μ)-1；式中：h(x)为h函数。6.一种考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建系统，用于实现权利要求1-5任一所述的考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建方法，其特征在于：包括高光谱成像仪、大气下行辐照度测量装置和校正定标组件；所述高光谱成像仪用于安装在无人机上，获取目标采集区域的brdf数据；所述大气下行辐照度测量装置用于设置在地面上，获取光照随时间变化数据；所述校正定标组件设置于目标采集区域处，用于采集校正定标数据。7.根据权利要求6所述的考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建系统，其特征在于：所述校正定标组件包括灰度标靶和白板；所述灰度标靶和白板均铺设于目标采集区域处。8.根据权利要求6或7所述的考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建系统，其特征在于：所述大气下行辐照度测量装置通过三脚架设置于地面上。9.根据权利要求8所述的考虑光照的无人机载线阵高光谱brdf快速构建系统，其特征在于：所述高光谱成像仪通过稳定云台安装在无人机上。

技术总结
本发明涉及一种考虑光照的无人机载线阵高光谱BRDF快速构建方法及系统，主要解决现有BRDF采集方法存在采集到的BRDF数据维度丰富性不高、难以保证数据的连续性，且很少考虑光照变化对数据的影响，对于复杂环境的BRDF采集和构建效率较低的技术问题。该系统包括高光谱成像仪、大气下行辐照度测量装置和校正定标组件；所述高光谱成像仪用于安装在无人机上，获取目标采集区域的BRDF数据；所述大气下行辐照度测量装置用于设置在地面上，获取光照随时间变化数据；所述校正定标组件设置于目标采集区域处，用于采集校正定标数据。用于采集校正定标数据。用于采集校正定标数据。


技术研发人员：李海巍 王卓 宋丽瑶 杨起 陈铁桥 张耿 李思远
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/7/22