空间特性光谱反演及对户外光谱修正的可行性研究.pdf

第44卷，第2期光谱学与光谱分析Vol.44,No.2,pp336-346

2024年2月SpectroscopyandSpectralAnalysisFebruary,2024

空间特性光谱反演及对户外光谱修正的可行性研究

高峰1.2，徐嘉翊1,2，罗华平1,2*

1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300

2.自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔843300

摘要户外高光谱探测可以快速获取样品的光谱信息，但受环境光线和样品二向反射特性的影响，采集

到的光谱并不能准确反映样品的真实信息，对户外探测精度有一定影响。为了提高户外高光谱探测精度，提

出了一种使用空间特性光谱对户外光谱进行修正的方法，以冬枣、红提、小白杏为研究对象，使用Walthall、

Shibayama、Ross-li、Roujean与Rahman这5种BRDF模型反演3种果品的空间特性光谱，利用反演的空间

特性光谱对户外光谱进行修正，之后分别建立暗室光谱、户外光谱与修正光谱的品质预测模型。反演结果表

明：3种果品的空间特性光谱均有较好的反演效果，反演误差从低到高依次为冬枣、小白杏、红提，平均决

定系数R²分别为0.957、0.947、0.927，平均误差分别为3.56%、4.90%、8.23%；5种BRDF模型中，

Walthall模型的反演效果最佳，平均决定系数R²与误差分别为0.949、5.33%，Ross-li模型的反演效果最

差，平均决定系数与误差分别为0.934、6.05%。户外光谱修正结果表明：户外光谱经过修正后噪声减少，

光谱更为平滑，且光谱趋势与暗室光谱一致，受反演效果影响，冬枣光谱的修正效果最佳，而红提与小白杏

的修正光谱中噪声较多。品质预测模型结果表明：3种果品的品质预测模型预测效果差异较大，从高到低依

次为冬枣、小白杏、红提，可能与3种果品的品质不同有关；5种BRDF模型得到的修正光谱所建立的模型

预测效果不同，但无显著差异；预测模型中，使用暗室光谱建立的预测模型最优，修正光谱建立的模型预测

能力优于户外光谱建立的模型，表明户外光谱经过修正后模型预测能力得到提升。BRDF模型能够较好地反

演果品的空间特性光谱，修正后的光谱与暗室光谱较为接近，修正光谱建立的模型优于户外光谱建立的模

型，表明使用空间特性光谱对户外光谱进行修正的方法是可行的，可为提高户外无损检测的精度提供一种

新的思路。

关键词二向反射分布函数；空间特性光谱；光谱反演；修正；可行性研究

中图分类号：0433.4文献标识码：AD0l:10.3964/j.issn,1000-0593(2024)02-0336-11

二向性反射是自然界物体对电磁波反射的基本现象，一

引言般用双向反射分布函数（bidirectionalreflectancedistribution

function，BRDF)来表达4，由于BRDF具有方向性，可以通

进行户外探测时，探测器接受到的不仅包含样品本身反过BRDF模型反演来预测任意角度下的反射率。目前BRDF

射和散射的光线，还会受到户外环境光线的影响，使得采集模型广泛应用于大气、土壤、植被、冰雪等领域中，Zheng

到的光谱中存在部分与样品品质无关的信息。受样品的二向等[5]利用Ross-li模型反演华北地区的植被、土壤、农田以及

反射特性影响，人射天顶角、探测天顶角和相对方位角也会城镇的地表反射率，并对比了不同季节的地表反射率变化。

对光谱产生一定影响[1-3]。为了降低环境光线以及角度因素陶炳成等[6]使用Ross-li模型对敦煌辐射校正场的多角度观

对光谱数据的干扰，通常使用室内暗室环境采集光谱，虽然测数据进行拟合，并与卫星遥感反射率进行