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偏振遥感图像处理技术研究 摘要 遥感探测的实质是观测物体反射或辐射的电磁波，再根据已知的物体的电磁 波特性，判断是否观测到了感兴趣的物体，或是把观测到的物体从其所在的环境 背景中分离出来，进而推断出观测到的是何种物体。一般的遥感技术观测的都是 电磁波的强度信息，即其幅度。这种方法的优点为观测方法简单、目标的反射特 性易于探知。它的缺点也同样显著，受气象和辐射条件影响大、多种目标特性相 似雨难于分辨、易于伪装等等。 偏振特性也是电磁波的固有属性，在遥感领域只是最近才得到较多的研究。 偏报信息的获取并不困难，只需要获取三个角度的线偏振强度信息即可。现有的 许多实验，如土壤湿度实验、大气辐射实验等，揭示了偏振测量能得到更多易于 区分目标的特征信息。显见，偏振探测在气象、农业、环境、军事等方面有巨大 的应用前景。不过，不同的目标反射的电磁辐射究竟会有怎样的偏振特性，现在 的知识还很少，仅有不够全面的定性分析以及很少的定量分析。 因而，当前偏振遥感探测的问题集中在两点： 1 偏振遥感信息较之强度遥感信息在解决哪些应用问题上有突出作用，即 遥感探测应用范围问题。 2 偏振信息在地球大气系统中的辐射传输及其形成机理，即偏振遥感探测 机理问题。 针对这两个问题，本文基于光谱偏振进行了目标识别机理研究，利用偏振 c c d 地面实验装置在野外和室内进行了大量的偏振遥感实验，对于所得图像进 行了定性和一些定量分析，对以上两个问题给出了一些初步的解答。 在实验中发现，在以下几种情况下，与传统的强度探测相比，偏振探测显示 出了相当的优势： 1 检测复杂自然背景下的人造目标的能力 2 检测经伪装的人造目标的能力 3 在低照度、低对比度及光照条件反差大的情况下，抗光照干扰显现图像 细节的能力 4 纹理分辨能力 针对以上各种情况的偏振图像，本文选取能够体现图像特点的不同偏振参 量，设计了有针对性的识别方案，获取了较好的识别效果。 1 提出了一种自动的图像预处理方法，对偏振图像进行自动对齐和校正。 2 对于陆地自然背景下的人造目标，如房屋等，其偏振度与自然背景的偏 振度相比较小，而且房屋的墙壁等较平整的表面处偏振度的变化不大。 不过不同的表面由于朝向及光照条件的不同，偏振度仍有可能有比较大 的差别，因而，本文提出了种基于自组织特征映射的神经网络分类算 法。可以很好地把人造目标识别出来。 3 对于背景主要是水体的偏振图像，则与陆地上的情况有相当的区别。这 种情况下的图像，往往距离较远，而目标较小，不易分辨：水体部分则 往往有较大的偏振度，而且由于波浪的关系，偏振度的方差会较大。因 此，一个较大的波浪等类似的噪声可能就会把目标的信息掩盖了。依据 这种信号特点，文中采用了种知识导向的模糊聚类的识别方法，并取 得了满意的效果。 4 检测经伪装的人造目标时，偏振度参数不是太有效。但是具有很好的纹 理分辨能力的偏振角度参数则显得非常有效。经伪装的人工表面，在反 射面的纹理上，通常总是无法做到与被伪装的自然物，如草地、雪地、 土壤、沙地等完全致的，因此伪装目标的入射光角度、反射光角度等 与背景有明显差异，导致偏振角度产生差异。因此，偏振角度的差异体 现了纹理的差异。我们对此提出了一种基于j s e g 方法的偏振图像识别 伪装方法。结果非常令人满意。 5 本文对于偏振图像的抗光照干扰的能力、土壤湿度检测、边缘检测等方 面的应用也进行了研究，证实了偏振图像能够有效地反映实际情况。在 抗干扰方面，无论是光照反差很大，或者是整体光照不足时，偏振图像 都能够很好地显示物体的细节。在土壤湿度检测方面，不同湿度的土壤 在偏振图像上直接显示为不同的灰度。在边缘检测方面，能够很好地检 测出物体实际的边缘，而具有很强的抗虚假边缘能力。 在遥感领域中，偏振技术仍然属于新技术和新方法。虽然它已经体现出了许 多优势，但仍需要大量的进一步研究，方能发挥其潜力。 a b s t r a c t r e m o t es e n s i n gi st h et e c h n i q u eo b s e r v i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e s e m i t t e do r r e f l e c t e db yt h eo b j e c t sa n df i n d i n go u tw h e t h e rt h eo b j e c ti n t e r e s t e di so b s e r v e db y m e a n so f c o m p a r i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r so b s e r v e dt ot h ek n o w n o n e so f t h e o b j e c t s i n t e r e s t e d i fs o ，i ti s r e q u i r e d t o s e p a r a t e t h eo b j e c tf r o mt h en a t u r a l b a c k g r o u n da n dr e c o g n i z et h eo b j e c td e t e c t e d n o r m a l l yr e m o t es e n s i n go b s e r v e s t h e i n t e n s i t yo ft h ew a v e s t h ea d v a n t a g eo f t h ea p p r o a c hi st h a tw ec a no b s e r v eo b j e c t s w i t h s i m p l e i n s t r u m e n t sa n dc a no b t a i nt h ec h a r a c t e r so fo b j e c t se a s i l y b u ti t s d i s a d v a n t a g e sa r eo b v i o u st o o t h eo b s e r v a t i o ni se a s i l ys t r o n g l yi n f l u e n c e db yt h e w h e t h e ra n di l l u m i n a t i o n t h e r ea r em a n yo b j e c t sh a v es i m i l a rc h a r a c t e r ss ot h a ta r e h a r dt or e c o g n i z ea n d e a s yt od i s g u i s e p o l a r i z a t i o ni so n eo f t h ei n t r i n s i cp r o p e r t i e so f t h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，b u ti ti s m o r er e s e a r c h e di nr e m o t es e n s i n gf i e l do n l yi nr e c e n ty e a r s i ti sn o th a r dt oo b t a i n p o l a r i z a t i o n i n f o r m a t i o nb e c a u s ei tc a nb ec a l c u l a t e dw i t hi n t e n s i t i e so ft h r e a d p o l a r i z a t i o no ft h r e ed i f f e r e n td i r e c t i o n s m a n ye x p e r i m e n t ss u c ha s s o i lm o i s ta n d a t m o s p h e r er a d i a t i o n i n d i c a t et h a tw ec a ng e tm o r ec h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o no f o b j e c t s i ti so b v i o u s t h a tt h e r ei sl o t so f p o t e n t i a la p p l i c a t i o n i np o l a r i z a t i o nd e t e c t i o n i nf i e l d so fm e t e o r o l o g y , a g r i c u l t u r e ，c i r c u m s t a n c ea n dm i l i t a r y h o w e v e r , n o w p e o p l e s k n o wl i t t l ea b o u tt h ep o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r so ft h er e f l e c t e d l i g h t f r o m d i f f e r e n t o b j e c t s ，b e c a u s e o ft h ei n s u f f i c i e n t q u a l i t a t i v ea n a l y s e s a n do n l yaf e w q u a n t i t a t i v ea n a l y s e s t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c h t a r g e t o fp o l a r i z a t i o nr e m o t e s e n s i n g i sa i m e di n f o l l o w i n g t w oa s p e c t s ： 1 i nw h i c hf i e l dm e t h o d sb a s e do np o l a r i z a t i o ni n f o r m a t i o nc a ng e tb e t t e r r e s u l tt h a nt h o s eb a s e do ni n t e n s i t yi n f o r m a t i o n ? i e ，t h ea p p l i c a b l ea r e ao f p o l a r i z a t i o nd e t e c t i o n 2 ，t h e p r i n c i p l e o ft r a n s m i s s i o no f p o l a r i z a t i o n i n f o r m a t i o ni ne a r t h a t m o s p h e r es y s t e m ，i e p o l a r i z a t i o nd e t e c t i o nt h e o r y f o rt h e s et w oa s p e c t s ，t h i sp a p e rd os o m er e s e a r c hi no b j e c tr e c o g n i t i o nb a s e do n p o l a r i z a t i o n ，p e r f o r m l o t s e x p e r i m e n t sb y t h eo n t h e - f l o o r p o l a r m e t r i c c c d i n s t r u m e n t si n d o o ra n do u t d o o r ，a n a l y z et h ed a t a ，a n df i n do u tp r e l i m i n a r ya n s w e r s i ti s p r o v e dt h a tp o l a r i z a t i o nd e t e c t i o n i s p r i o rt o t h ec o n v e m i o n a li n t e n s i t y d e t e c t i o ni nt h e s ei n s t a n c e s ： 1 m a n m a d e o b j e c td e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o ni nn a t u r a lb a c k g r o u n d 2 d e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o no fo b j e c ti nd i s g u i s e 3 d e t a i lc a p t u r ea b i l i t yi nl o wl u m i n a n c e 4 t e x t u r ei d e n t i f i c a t i o na b i l i t y f o rd i f f e r e n ti m a g e s ，w e a d o p t t h ep e r t i n e n ts c h e m e sb a s e do ne f f e c t i v ed i f f e r e n t f e a t u r e sa n d g a i ng o o d r e s u l t s ： 1 p r o p o s e am e t h o do fa u t o m a t i ci m a g er e c t i f i c a t i o nf o r p o l a r i z a t i o ni m a g e s 2 p r o p o s eac l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h mb a s e do ns e l f - o r g a n i z e da r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r kt o r e c o g n i z e m a n m a d eo b j e c t sf r o mn a t u r a l b a c k g r o u n d t h e a l g o r i t h mw o r k s o nt h ef a c tt h ed e g r e eo f p o l a r i z a t i o no fm a n m a d eo b j e c ti s u s u a l l y l e s st h a nt h a to f b a c k g r o u n d ， 3 t h ea p p r o a c ht oh a n d l et h e i m a g e s o fw a t e rs u r f a c ei sr a t h e rd i f f e r e n t b e c a u s et h e r ea r ew a v e s ，t h ed e g r e eo f p o l a r i z a t i o no f t h ep a r to fw a t e ri s l a r g e rt h a ns o i la n db u i l d i n g s o b j e c t si ns u c hi m a g e sa r eo f t e nr e l a t i v e l yi n s m a l ls c a l es ot h e ym a yb ec o n f u s e db yal a r g ew a v e f o rt h e s er e a s o n sa f u s s yc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d i sa p p l i e d 4 i ti sn o ts oe f f e c t i v et od e t e c to b j e c t si nd i s g u i s ew i t hd e g r e eo f p o l a r i z a t i o n h o w e v e gt h ea n g e lo fp o l a r i z m i o ni sr a t h e re f f e c t i v eb e c a u s eo fi t sn i c e r a b i l i t y o ft e x t u r ei d e n t i f i c a t i o n t h e a n g e l o fp o l a r i z a t i o n r e p r e s e n t s t h e t e x t u r eo f o b j e c t sa n dt h et e x t u r eo fs u c ho b j e c t sc o u l dn o tb em a d es a m ea s t h a to ft h en a t u r a lo b j e c t s d i s g u i s e d s ow ec a ni n t r o d u c ear e c o g n i t i o n m e t h o db a s e du p o nj s e g a p p r o a c h a n dg a i ns a t i s f i e dr e s u l t s 5 t h er e s e a r c hi n p o l a r i z a t i o n i m a g e s a b o u tr o b u s t n e s si n v a r i e t y o f i l l u m i n a t i o n s ，s o l i dm o i s t u r ed e t e c t i o na n dr e a le d g ed e t e c t i o ni sa l s od o n e i tt u r n so u tt h a t p o l a r i z a t i o ni m a g e sc a nc o n t a i n d e t a i l sn o t o n l y i n u n b a l a n c i n gi l l u m i n a t i o nb u ta l s oi nl o wl u m i n a n c e ，c a ns h o wr e a le d g e s i n s t e a do ft h ee d g e so fs h a d o w , a n de a ni n d i c a t et h em o i s t u r eo fs o i l a l l t h e s ec h a r a c t e r sa r ev e r yp r o m i s i n g p o l a r i z a t i o nt e c h n i q u ei sn o v e li nr e m o t es e n s i n gf i e l d s n o w a l t h o u g hm a n y a d v a n t a g e so f t h et e c h n i q u ea r ef o u n d ，l o t so ff u r t h e rw o r k sa r er e q u i r e db e f o r ei tc a n f o l f i l li t sp o t e n t i a l sa n db e c o m e p r a c t i c a l 致谢 衷心感谢我的导师刘政凯教授。感谢刘老师三年来对我的悉心指导、细致帮 助、不断启发与不倦教诲。他渊博的专业知识，正直宽容的为人让我获益匪浅。 他严谨的治学态度和工作精神将使我终身受益。特此表示最衷心的感谢和敬意! 感谓f 信息处理中心的俞能海副教授。俞老师对我的学习、工作和生活给予了 无微不至的指导、关心与照顾，使我感受到家庭般的温暖。他勤奋的工作精神和 正直热情的为人也给我留下了深刻的印象。 衷心感谢我的研究项目的合作者、硕士研究生单列同学。他和我一起参加 野外实验获取数据，一起讨论实验方案和图像处理方法，一起设计了图像处理软 件的框架。许多创新的思想与有效的方法都是在与单列同学的讨论和共同研究中 发现的。没有单列同学的出色的工作，我们在此研究方向中，不可能获取现在的 研究成果，也就不会有本篇论文了。 感谢信息处理中心的张荣副教授与李厚强博士三年来给予我的帮助和支 持。 感谢本实验室的博士生李学龙，邵肖伟，庞彦伟，陈羽中，硕士生钮峰、吴 皓、宋璧、徐东、张正卿、王毅，以及其他同学对我的鼓励和支持，是他们真挚 的友谊和无私的帮助才使得本论文能够顺利完成。同时也感谓f 信息中心这个集 体，她活跃的学术气氛与和睦的学习环境，使得本人能够顺利、愉快的完成学业。 在这罩的学习和生活将令我终生难忘! 最后，我也要向一直关心和鼓励我的家人和亲戚朋友表示感谢。 期江讪 中同_ f = 学技术人学坝i 坞位论文 第一章绪论 第一章绪论 第一节遥感 遥感是一种远离目标，通过非直接接触而判定、测量并分析目标性质的技术。 通常的探测目标是地球表面及其周围的物体。对这些目标，主要是利用从目标反 射或辐射的电磁波来进行探测。一般情况下，此类探测是通过飞机或人造卫星进 行的n 自然界的物体都以电磁波的形式表现出与其物理、化学特征相关的信息。一 切物体，由于其种类及环境条件的不同，因而具有反射或辐射不同波长的电磁波 的特性。遥感的机理就是利用适当的技术把这些物体的电磁波信息加以获取、处 理，最后重构或反演出该物体的原状态和特性。因此遥感也可以说是一种利用物 体反射或辐射电磁波的固有特性，通过观测电磁波达到识别物体及物体存在的环 境条件的技术。 最常用的遥感探测技术是光学遥感，其信息流程大致如图1 1 所示：来自太 阳的可见光穿过大气层，射向目标物。目标物反射的光辐射再穿过大气层由光学 遥感器接收。观测者对由光学遥感器获取的图像进行分析处理后反演推出目标物 的状态，这样就完成了一次遥感过程。 图i - l 光学遥感的信息流程图 中用科学投求人学坝i 学位论义 第一章结论 遥感过程主要包含以下过程有关： 电磁辐射源( 太阳等) 本身的变化： 电磁辐射与观测目标的相互作用； 电磁辐射从观测目标到传感器的传输过程； 传感器的检测过程； 将测值转变为有物理意义的量： 为达到研究、检测目的而进行的进一步数据处理。 第二节偏振遥感探测机理 偏振是各种矢量波共有的一种性质，对各种矢量波来说，偏振是指用一个场 矢量来描述空间某一个固定点所观测到的矢量波随时间变化的特性l2 1 。偏振也是 电磁辐射矢量性质的体现，即在与电磁波传播方向垂直的方向上，具有方向敏感 性。它也是电磁波横波特性的必然结果。偏振的电磁波是由沿同一方向传播且在 与传播方向相互垂直的不同方向上具有不同相位和振幅的全体电磁波相互作用 的结果。 根据偏振电磁波的性质，可把偏振分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振三种。线 偏振是指偏振电场的振幅分量始终在与电磁波传播方向垂直的一个平面内，而且 该平面的法线方向不随时间而变化，因此在与传播方向的一个平面内电场分量投 影为一条直线。圆偏振指电磁波在与传播方向垂直的方向上具有不变的电场振幅 大小，但电场方向随时间而旋转，因此在与传播方向垂直的平面内电场分量的投 影是一个圆，圆偏振与两个振幅相互垂直且具有固定相位差的电磁波具有相同的 效果。椭圆偏振是指电场分量在与传播方向垂直的平面内的投影不仅随时间而旋 转，面且振幅也随时间变化而不同。显然线偏振和圆偏振是椭圆偏振的特例。 自然界存在的偏振大多为线偏振。太阳辐射被大气散射后起偏为线偏振光； 自然光入射到金属表面和具有较强吸收的介质表面，其反射光通常是圆偏振光和 椭圆偏振光p 】。 一、 目标的偏振特性 要对目标进行偏振探测，则需要了解特定目标的偏振特性。对于大多数遥感 中闭手= 学拙术人学坝1 1 学位论文 第一章绪论 探测来说，探测目标集中于大气及地表。下面就大气环境和地表目标等来简述偏 振探测目标的偏振特性。 i 地球一大气系统中辐射传输过程的偏振效应 通过地球一大气系统至地表的电磁辐射，其强度和偏振念，总体上是受大气 分子、气溶胶及地球表面的反射与辐射共同影响的。偏振效应还与电磁辐射的波 长有关。 大气的偏振效应：卫星上观测到的穿过大气层的可见光及近红外辐 射是偏振的，其强度、空间和时间变化特征与大气气溶胶以及地球 表面反射辐射的背景等相关联。通过偏振的动态监测，可以反演大 气及地表有关信息：大气气溶胶散射的偏振特性主要与粒子的尺度、 化学成分以及总量有关。因此通过偏振技术测量可以改善气溶胶的 测量精度，尤其是在化学成分分析方面1 4 l 。 云：分析研究表明，云的偏振特性能更敏感地反映其微小结构的变 化，因此，云中的水滴与冰晶很适宜应用偏振探测洲们。另外，偏振 对平流层的一些飘尘的监测也是有作用的。引。 2 地球表面的偏振 对于自然表面和人工目标，反射辐射的偏振特性取决于其表面的固有属性， 如其介质特性、结构特征、粗糙度、水分含量、观察角、辐照度等条件f s 。 沙和土壤：土壤反射辐射的偏振与其结构、化学及矿物组成有关， 土壤水分的含量也严重地影响到偏振度的大小。沙和土壤的反射偏 振度与照明条件、观测条件有关，偏振的分布也是较为明显的1 们，如 在观测方位9 0 1 1 0 度范围内可以观测到最大偏振效果。 岩石：岩石偏振辐射的变化与其金属含量以及所受碳氢污染程度有 关o m i 。岩石的偏振图像有助于它的识别和标记，因而这些特征已经 被广泛地应用于行星探测方面。 植被：具有不同叶面角度密度函数的两种小麦的偏振辐射有明显的 差别，小麦的抽穗期是估产监测的最重要的时期，目前的一般遥感 探测手段还很难给出结果，而通过偏振效应则可清晰地反映小麦这 一特殊生长形态i l i j 。 水表面：自然水体表面的镜反射遵从菲涅耳法则。在偏振遥感探测 中田科学技术人学坝i 学位论义 第一章绪论 中，一是可以利用水体表面的偏振分布特征有效减弱太阳闪耀对目 标探测的影响，二是可以利用这些太阳闪耀的耀斑来获取水面状态 信息，如波向、波高等，特别是对油膜的分布区域判断相当有效”f 1 1 3 1 。另外，偏振对水体中的悬浮粒子的特性、尺度及浓度等的探测 均是有效的。 人工目标：总体上来说，人工目标所其有的偏振信息与其构成、形 态和状态有关，水泥路面与柏油路面、钢铁与橡胶、真实环境与模 拟环境等均可以应用偏振识别信息1 1 4 j 。 同非偏振测量相比，偏振测量能得到更多易于区分目标的特征信息。大量实 验研究证实，地物目标，特别是人工目标( 伪装) 的偏振信息在有效识别和抗干 扰方面有着重要的实用价值。对于地面暗目标、暗背景或大角度低照度情况下， 反射辐射虽然幅度的量值不大，但偏振效应十分明显。 二、 偏振探测的特点 目前大多数对地和大气进行观测的遥感仪器。都采用传统的光强度探测方 法。无论成像与否，均是以不同波段获取目标的辐射强度来推求目标的表面状态、 温度、成分及其它物理化学特性。 电磁波在经历某种介质或界面的反射、折射和散射等光学过程以后其偏振状 态会改变。反之，可以根据偏振状态的变化确定该介质和界面的性质。这是使用 偏振测量技术进行可见光和红外遥感和探测的根本原理1 1 5 】i “i 。 偏振探测和强度探测两者的探测手段都是荻取来自目标的辐射能量，而偏振 探测系统中放置了一个线偏振器，通过测得的某些角度上的辐射能量来反演目标 的偏振态。 与传统的光度学和辐射度学的遥感方法相比，偏振遥感有以下几方面的优 点： 1 ) 偏振遥感可以解决传统方法无法解决的一些问题。例如关于云和气溶胶 的粒径分布问题。 2 ) 在取得偏振测量结果的同时，还能够提供辐射量的测量数据。也就是说， 偏振测量包括了辐射测量。 3 ) 一些耳标发射和反射的电磁波的偏振度及其方向与其表面法线的方向有 中罔科学拙术人学钡i 学位论文 鹕一章绪论 关，利用这一特性，可以检测目标表面的朝向，故可有效地提高对目标 的识别程度。 三、偏振遥感探测的应用前景 野夕 和实验室的测量表明利用偏振图像可以和强度图像一样对自然目标进 行区别和特性表征。偏振测量可以表征自然表面如粗糙度、湿度，而强度测量很 难进行。偏振状态对于识别不同的地面目标( 自然地物、人工设施) 、大气、云 层等，都是极有价值的信息。特别是，对反射辐射强度对比度低的表面，偏振测 量手段几乎不受影响，利用偏振数据可以有效识别。例如海洋中的舰船、大气背 景下的导弹甚至烟雾笼罩下的装甲车，由于其表面偏振差异较大，往往会引起较 大的偏振度。这无疑对军事领域具有极高的应用价值。 利用偏振技术能够在全球范围内提取和分析地球和大气的辐射偏振信息，它 取得的数据对于云和大气气溶胶的探测、地质勘探、找矿、土壤分析、环境调查、 资源调查、农作物估产、灾害估计、农林牧业发展、海洋开发利用等方面具有重 要价值，在军事领域里更有特殊意义。 1 偏振遥感在大气、环境科学中的应用 大气气溶胶对地球气候有较大影响。为研究这种相关性，需要较多的有关气 溶胶全球分布状况及特性的知识。 多种实验和仪器探测说明，在一定的天顶角和观测角度下，由于气溶胶引起 的多次反射的原因，观测得到的偏振度与气溶胶的光学厚度相关。因此，偏振测 量能够区分不同的气溶胶模式，而这些信息是强度测量难以做到的1 4 1 1 1 7 - 2 0 i 。 2 偏振遥感在农业生产、环境保护中的应用 偏振技术是农业甩间信息获取的关键技术，可对农业提供农罔小区作物生长 环境、生长状况和空间变异等信息。偏振遥感在农业中的主要用途，在于利用高 分辨率偏振遥感信息，获取小区域长势与背景的差异，从而提供农业实施处方农 作所需的信息1 2 1 i 。 1 ) 农作物长势及病虫害的监测：运用高分辨率偏振传感器，在不同的 作物生长期，实旄全面监测。利用偏振技术，进行空间定性、定位 分析，判断农作物的长势，监测可能的病虫害发生的范围和强度， 为定位处方农作提供依据5 2 ”。 中周科学技术人学坝i 。学位论文 笫一章结论 2 ) 测定叶绿素的含量：对农作物的偏振测量数据进行分析，可获知叶 绿素含量、叶绿素密度与干物质累积之问的关系1 2 引。 3 ) 监测土壤水分含量的时空变化1 2 4 i 1 2 5 i ，能为何时、何处以何量灌溉提 供佐证资料，科学地指导灌溉。 3 偏振遥感在土壤湿度研究中的应用 土壤湿度是水文学、气象学以及农业科学研究领域的一个重要参数。大面积 的土壤湿度监测是农业水管理以及农作物旱情监测的一个重要内容，而区域尺度 乃至全球尺度的土壤信息是陆过程模式研究必不可少的一个参量，对改善区域及 全球气候模式预报结果起着重要的作用。偏振遥感技术的发展为区域尺度土壤湿 度的监测提供了有效手段。 水的独特的热特性和介电特性为遥感土壤湿度提供了物理基础。不同的含水 量的土壤介电特性是不同的，据此可建立后向散射系数和土壤水分含量的关系。 并且随着土壤湿度的增加，土壤将会发生从粗糙表面到光滑表面的转变。同时， 当土壤变得潮湿时，由于水分的吸收，减少了入射光的散射及入射到土壤中的穿 透力。可以建立土壤表面粗糙度、土壤纹理结构与土壤湿度之间的对应关系。偏 振测量对于目标表面粗糙度和表面纹理非常敏感，因而可以建立土壤湿度与偏振 特性之间的关系1 2 4 惮i 。 土壤湿度 图1 2 土壤湿度与偏振度的关系图 图1 - 2 中给出的是土壤湿度与偏振度值之间的分布关系2 6 1 。可以看出，偏振 度值随着土壤湿度的增加会随之增大。实验表明：偏振度对于土壤表面潮湿程度 中周科学技术人学碳i j 学位论文 第一章绪论 具有较强的依赖性，而对于土壤类型、大气薄雾、表面倾斜度和方向具有较小的 依赖性。倘若认为全部观测角为常数时，偏振度表现出对于观测入射角具有较强 的独立性。 4 偏振遥感在军事中的应用 1 ) 导弹安全飞行 当战略导弹和战术导弹再入大气层时。在出现卷云的高度范围内，其周 围流场要经历从层流到湍流的转变，组成卷云的冰晶对再入弹头具有强烈的 侵蚀作用，从而影响命中准确度，甚至对弹体造成严重损害。因此，判断导 弹着陆区是否存在卷云，是军方一直希望解决的问题。利用偏振技术能在全 球范围内，迅速地了解卷云和其它云层的分布情况f 2 7 1 ，进而确保导弹安全飞 行准确命中目标。对于保障飞机的飞行安全，也有重要意义。 2 ) 导弹制导 大气气溶胶严重影响海面水面舰艇及其它军种的电光系统的使用性能 ( 例如巡航导弹的激光制导、电光成像侦察系统等) ，而气溶胶的探测较之其 它气象要素的取得更为困难，军方一直被此问题所困扰。偏振技术具有探测 大气气溶胶的能力1 他引，它取得的数据对于导弹准确命中目标，提高电光成 像侦察系统的实际效能起重要作用。 3 ) 军事目标识别 导弹在发射过程中会产生大量的烟雾和长长的尾焰，它们对入射辐射会 产生强烈的偏振，国外军事部门已经注意到这一问题，正积极开展研究利用 偏振信息识别导弹的技术途径【2 褂。美国海军则注意到水下目标有特殊的偏振 现象，也在进行有关利用偏振信息探测水下目标方法的研究| 2 9 l 。 4 ) 利用偏振技术估测船舶航行参数 船只活动时的航行参数是造船学和水运工程等领域中必须考虑的问题。 观测船舶活动及其产生的船尾迹的遥感方法有很多，如合成孔径雷达成像技 术等。偏振遥感技术对估测船舶航行参数可以起到重要的促进作用1 3 0 i 。 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 由于船舶产生的船尾迹的尺度比船舶本身要大得多，而且其形状特征及 传播速度等与船只航速、航体轮廓密切相关，故而通过研究船尾迹的特征来 研究船体及其活动特征，是较优的方法。而偏振探测技术对于水面状态信息 的获取正有较强的能力3 1 i ，因此应用于船舶航行参数的估测是自然而然的。 5 ) 海况监测 利用空间遥感监铡海洋快速、便捷。已有的研究表明：海水是否被污染 ( 例如油漏) 1 3 2 1 ，海面上有无云雾、云雾粒径分布状况1 5 j 【6 i i 训，海浪的高低1 3 4 i 以及海面风速的大小3 5 i 等都会在海面辐射的偏振状态之反映出来。这样，偏 振技术就为深入研究海洋、进而开发海洋创造了一定的条件4 1 1 3 1 】| 3 6 i 。 第三节偏振遥感技术 近几年，国外有关偏振遥感应用等方面的研究和学术交流十分活跃，s p i e 连续多年设置关于偏振遥感方面的讨论主题。九十年代以来，i e e e 每年一次的 项级国际会议i n t e r n a t i o n a lg e o s c i e n c ea n dr e m o t e s e n s i n gs y m p o s i u m ( i g a r s s ) 也逐渐以偏振遥感方面的研究为热点内容。 一、国外偏振探测技术的发展 1 随着空间技术的发展，国外已多次在航天器上使用偏振仪器探测行星的云 层和表面。1 9 7 7 年8 、9 月间美国先后发射了由旅行者1 号和2 号携带的 光度偏振计p p s ，1 9 7 8 年5 月美国又发射了由先锋金星轨道器携带的光 度偏振计o c p p 。 2 美国于1 9 9 0 年开始研制地球观测扫描偏振计( e o s p ) ，安装于美国的地 球观测系统( e o s ) 航天器上。其测量目的有二，第一为云的特性( 包括 光学厚度、粒子大小、相态和云顶气压) ，第二为平流层和对流层大气的 气溶胶光学厚度。此外，其测量结果尚可用于其它e o s 仪器海洋和陆地 测量数据的大气订正，探索气溶胶大小和光学性质的变化，以及探索地表 特征与植物和土壤性质的关系。 3 ，同本在2 0 世纪9 0 年代为日本冈山天文台1 8 8 近红外相机( o a s i s ) 研 制了红外偏振器。该偏振器与o a s i s 配备，实现近红外成像偏振观测。 中国科学技术大学顶i ：学位论文 第一章绪论 偏振器包括可旋转的消色差半波片和固定的制冷偏振片，通过旋转半波片 对入射光的调制取得线偏振量。此仪器用于研究恒星形成区星云和磁场结 构。 4 已获欧空局资助的红外空间观测卫星( i s o ) 将在2 5 2 0 0 m 的波长范 围内以前所未有的灵敏度更详尽地探测从太阳系到银河系以外的天体。该 卫星主要由一台大型液氮低温恒温器、一台主镜直径为6 0 c m 的望远镜和 4 台科学仪器组成。其中一台仪器为成像光偏振计( i s o p h o t ：2 5 2 0 0 “m ) ，使得i s o 能够在此波长范围内进行宽段或窄段光度测量和偏振 测量。 5 2 0 世纪9 0 年代初期，以美国j p l 为代表提出了偏振成像光谱仪的概念， 并于9 0 年代中期完成了基于a o t f ( 声光可调滤光片) 偏振超光谱成像 系统的地面样机p h i ，在3 0 0 0 0 英尺高度具有l 米的空问分辨能力。 6 9 0 年代j p l 同样支持发展了基于l c t f ( l i q u i dc r y s t a lt u n a b l ef i l t e r ) 的 可调波段成像光谱仪。l c t f 是基于液晶在电场下折射率的改变原理来调 谐波段。l c t f 与a o t f 相比虽然光谱分辩和调谐速度较低，但其具有孔 径大、视场宽、波形畸变小、功耗低、波长任意可调且带宽稳定等特点。 实际上l c t f 本身就可以设计成个线偏振器件，因而很方便地构成了光 谱偏振成像系统。 7 美国空军实验室研制了在反射模式下基于傅立叶变换的光谱偏振计。此偏 振计包括偏振态发生器和偏振态分析器，而每个器件中又包括一个固定的 线偏振片和旋转的四分之一线性延迟片。此仪器用于定量化研究偏振度与 物质表面反射率的关系。 8 美国军方研制的多波段红外s t o k e s 成像计( m i s i p ) 是测量场景中对应 像元的s t o k e s 参量的仪器。系统可在中波红外( 3 5 u m ) 及长波红外 ( 8 1 2 m ) 波段进行实时测量。 9 2 0 世纪9 0 年代初法国l i l l e 大学发展了航空p o l d e r 偏振仪，后经 c n e s 支持作为搭载于日本国家空间发展局( n a s d a ) 的高级地球观测 卫星( a d e o s - - i ) 卫星的航天偏振仪于1 9 9 6 年发射升空。 中国科学技术大学硕：i ：学位论文 第一章结论 p o l d e r ( 地球反射偏振和方向测定仪) 是台在可见光和红外光谱区中 测量被地球大气系统反射的太阳辐射的偏振和方向性而设计的宽视场辐 射计。p o l d e r 的原始仪器在1 3 个不同视角下成像，其中的3 个通道设 有偏振测量功能。 p o l d e r 仪器从空间收集被地球大气系统反射的太阳辐射偏振性和方向 性的全球观测结果，其主要目标为例f 3 7 j ： 确定对流层中气溶胶的物理性质，从而改善对它们的分类和研究 它们的变化和循环： 改善与气候有关的云层物理、化学和辐射特性方面的知识( 云顶 高度、结构、星体反照率) 研究云一气溶胶辐射之问的相互作用以及云、水蒸气和气溶胶对 地球辐射收支( e r b ) 的影响； 通过海洋浮游植物研究碳的初级生产能力的改变，改善海洋在碳 的循环中的作用的认识； 改善对植被表面反射比的物理表征，以便取得在模拟大陆生物圈 动态特征中使用的指标和其它参数。 2 0 0 2 年1 2 月，又成功发射了p o l d e r2 ，并在2 0 0 3 年4 月传回了第一 批数据。 二、国内偏振探测技术的现状 国内有关偏振的研究基础比较薄弱，仅在少数高校和科研单位开展一些工 作。在航天偏振探测系统发展方面，国内上海技术物理研究所在有关项目的支持 下完成了一台能在全球范围内测量云和气溶胶、地表物体等目标偏振特性的遥感 仪器星载扫描分光偏振计1 3 8 l 。 1 9 9 8 年，安徽光机所基于l c t f 研制出一台随机调谐波段偏振c c d 相机桌 面系统。后于2 0 0 0 年1 0 月又进一步设计制作了多波段偏振c c d 样机地面实验 装置。装置中偏振片与滤光片均位于镜头前面，具有结构紧凑、体积小、稳定可 靠、波段可调、空间分辨能力高等特点f 卵i 。 三、偏振图像处理技术现状 偏振遥感技术虽已进行过多年研究，然而研究重点集中在偏振机理的研究以 中困科学投术大学? i k i j ：学位论文 第一章绪论 及偏振仪器的设计。而偏振图像的处理技术未有突破性的进展，也没有一种能够 适用于大多数偏振图像的一般处理方法。现有的处理方法属于已有的遥感图像处 理方法范畴。 偏振图像处理技术有较鲜明的特点。偏振遥感技术的重点在于找到能够体现 目标与背景的区别的偏振信息。而偏振图像处理的目标则是如何利用偏振信息的 优势，因此各种算法往往是和偏振信息的特点紧密结合的。 1 彩色合成技术 人眼对彩色比对狄度敏感得多，虽然只能分辨几十种不同的灰度级，却能分 辨几千种不同的颜色。因此，在图像处理里常用各种彩色增强方法与彩色合成方 法来增强图像的视觉效果。 在偏振图像处理中，常用的彩色合成方法通常是基于h s i 彩色模型的。 2 s t o k e s 矢量图 偏振度p 和偏振角0 ，以及s t o k e s 参量，取值范围与h s i 彩色模型中的饱 和度、色度及亮度非常相似。可以令尸、2 0 、1 分别映射到s 、h 和i ，这样， 每一个像素点的偏振信息就转化为h s i 空间中的一个矢量。然后，通过已有的 各种矢量量化算法，可以方便地进行分类等处理。 3 目标识别算法 模式识别是图像处理中的重要内容，其功能为把一种研究对象，根据它的某 些特征进行识别并分类的综合技术。它所研究的对象范围较广，包括文字、声音、 图像、数字等等，统称为模式。模式数据可以是对象的定量或定性的描述。 图像通常给出了