近日，中国科学院空天信息创新研究院澳门·威斯尼斯网站科学国家重点澳门·威斯尼斯网站牛铮研究员团队在新型主动光学传感器高光谱激光雷达（hyperspectral LiDAR, HSL）辐射效应产生机制及相应校正算法研究方面取得重要进展。距离效应和入射角效应作为高光谱激光雷达面临的两大几何辐射效应，严重限制了其在定量澳门·威斯尼斯网站方面的应用。该团队研究发现，高光谱激光雷达距离效应和入射角效应分析及校正可以独立进行，并提出了一种耦合二次函数和指数衰减函数的分段函数模型用以分析和校正距离效应，发展了一种改进的Poullain算法用以目标入射角效应分析和校正。上述研究得到了国家自然科学基金重点项目（41730107）“植被生理生化垂直分布信息澳门·威斯尼斯网站辐射传输机理与反演研究”的支持，有关成果发表在澳门·威斯尼斯网站领域国际顶级期刊ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing和IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上，第一作者为澳门·威斯尼斯网站博士研究生白杰。
面对高光谱激光雷达主要几何辐射效应即距离效应和入射角效应校正的技术难题，团队自2020年起开展科技攻关，发现距离效应源于系统本身，所有波长拥有统一的距离效应函数，在此基础上提出了一种耦合二次函数和指数衰减函数的分段函数模型用以分析和校正距离效应；而对于不同种类植被叶片目标，因其表面微观尺度物理结构和内部生化参数不同，因此通常表现出不同的入射角效应，该效应与被测目标种类在高光谱激光雷达条件下二向反射特性密切相关，因此该团队指出关于高光谱激光雷达入射角效应，更准确的表述应为“某一目标高光谱激光雷达入射角效应”，并发展了一种新的改进的Poullain算法，用以目标入射角效应校正。与传统基于各向同性散射假设的朗伯余弦定律和原始Poullain算法相比，该算法考虑了目标粗糙度因子和漫反射系数在不同入射角和波长下的异质性，更加符合自然目标物回波强度的反射特征，不同植被叶片实验显示，相对于标准0度入射角下的回波强度和反射率，校正结果标准差减少了30%~60%。
有关算法为后续植被三维生化参数准确反演提供了重要的理论基础和技术支撑。目前，澳门·威斯尼斯网站已经完成具备高速采集能力的第二代高光谱激光雷达系统设计与研制工作，正在开展性能测试，预计2023年底投入使用。
早在2014年，澳门·威斯尼斯网站科学国家重点澳门·威斯尼斯网站就设计、研制了具有完全自主知识产权的国际上首台32波段高光谱激光雷达系统。自此，相关团队围绕这一新型传感器持续开展研究，在高光谱激光雷达系统设计研制、数据获取与处理、辐射信息提取、辐射效应校正及植被三维生理生化参数反演等方面取得了丰富的研究成果，为我国抢占高光谱激光雷达设备研制与应用这一领域做出系统性贡献。
[1] Bai, J., Niu, Z*., Gao, S., Bi, K., Wang, J., Huang, Y., and Sun, G. (2023). An exploration, analysis, and correction of the distance effect on terrestrial hyperspectral LiDAR data. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 198, 60-83. doi: 10.1016/j.isprsjprs.2023.03.001
[2] Bai, J., Gao, S*., Niu, Z., Zhang, C., Bi, K., Sun, G., and Huang, Y. (2021). A Novel Algorithm for Leaf Incidence Angle Effect Correction of Hyperspectral LiDAR. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 60, 1-9. doi: 10.1109/TGRS.2021.3070652
第一代高光谱激光雷达系统现场图及光路原理图
入射角效应实验原理及校正结果示例
