地物偏振遥感探测技术规范

地物偏振遥感探测技术规范

Standard on polarimetric remote sensing measurements over land surfaces

目次

前言 (3)

1 适用范围 (4)

2 规范性引用文件.......................................................................................................... 错误!未定义书签。

3 术语和定义 (4)

4 地物偏振遥感探测内容 (6)

4.1 基本原则 (6)

4.2 基本原理 (7)

4.3 探测步骤 (12)

5. 质量控制 (13)

6 偏振特性分析 (14)

6.1 地物偏振反射的多角度物理特征 (14)

6.2 地物偏振反射的多光谱化学特征 (14)

6.3 地物偏振反射的粗糙度和密度结构特征 (15)

6.4 地物偏振反射的高信号背景比滤波特征 (15)

6.5 地物偏振反射的辐射传输能量特征 (15)

前言

偏振是与光强、频率、相位并列的遥感电磁波的四个主要物理特性。地球表面和大气中的目标在反射、散射和透射及发射电磁辐射的过程中，会产生由它们自身性质决定的特征偏振，即偏振特性中蕴涵着目标的多种信息。偏振遥感正是利用这一特征为遥感目标提供新的、潜在的信息。偏振作为一种新兴的对地观测方法，为了更好利用偏振技术服务地球观测，制定本指南。

地物偏振遥感探测技术规范

1 适用范围

本标准规范了地物偏振遥感探测的数据采集与管理方式、内容、处理流程、成果形式和成果质量控制等。

本标准适用于利用偏振探测进行地物偏振特性的分析、偏振仪器的构建、地物物理化学特征分析等多个方向的应用时，对地物偏振数据的采集与管理。

2 术语和定义

2.1 偏振Polarization

波的振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振。偏振是横波的特有现象，是电磁波的重要特征。

2.2 线偏振Linear polarization

线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动。

2.3 圆偏光和椭圆偏振光Circular and elliptical polarized light

圆偏光和椭圆偏振光是光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈圆或椭圆。

2.4 非偏振光Non-polarized light

普通光源中各个分子或原子内部运动状态的变化是随机的，从统计规律上

来说，相应的光振动将在垂直于光速的平面上遍布所有可能的方向，而且所有可能的方向上相应光矢量的振幅（光强度）都是相等的。这种在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量呈对称分布的光就称为非偏振光。

2.5 部分偏振光Partly polarized light

一般情况下自然界的光线是完全偏振光和自然光的混合，为部分偏振光。

2.6 斯托克斯分量Stokes parameters

偏振光的一般表现形式为椭圆偏振光，完全描述椭圆偏振光需要三个独立的参量。英国物理学家斯托克斯于1852年提出了斯托克斯分量，成为最常选用描述偏振光的宏观可测参量。斯托克斯分量包含4个参数，其中只有三个是相互独立的，可表示为S=[I,Q,U,V]。其中I为光强，Q为水平方向的线偏振光，U 为45°方向的线偏振光，V表示为右旋圆偏振光。

2.7 偏振度Degree of linear polarization

相位互不相关且相互正交的两个特殊方向上所对应的最大和最小光强之差与之和之比为偏振度，也即部分偏振光的总强度中完全偏振光所占的比例。

2.8 偏振反射率Polarized reflectance

物体反射的偏振辐射能量占总辐射能量的百分比，称为偏振反射率。其值为偏振度和反射率的乘积。

2.9 反射率Reflectance

物体反射的辐射能量占总辐射能量的百分比，称为反射率。

2.10 天顶角Zenith angle

天顶角，是光线入射方向与天顶方向的夹角。

2.11 方位角Azimuth angle

方位角从某点的指北方向线起顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角。

2.12 散射角Scattering angle

散射角是指入射方向与观测方向之间的角度。

3 地物偏振遥感探测内容

3.1 基本原则

偏振作为一种新的遥感观测手段，并作为常规遥感的补充，具有“弱光强化”、“强光弱化”的重要物理特征，以极大延伸遥感暗亮两端探测区。这种能力归纳为地物偏振遥感的五大特征：多角度反射物理特征、多光谱化学特征、粗糙度与密度结构特征、信息-背景高反差比滤波特征与多次散射能量辐射传输特征。为了对地物的这些偏振遥感特征进行科学探测，需把握以下三个原则：科学可行性原则：探测目的要明确，探测原理要正确，探测对象和探测手段要选择恰当，整个设计思路要满足本学科的基本科学准则。

单一变量原则：在控制偏振信息的各种因素中，保持其他因素不变，只改

变其中一个因素，观察其对获取的偏振信息的影响。

平行重复的原则：对所做探测的实验在同样条件下，进行多次重复实验，以获得一般结论，切不可只进行少数几次测试轻易得出结论。

3.2 基本原理

假设入射辐射为单位辐射量，辐射在地表，地表内部及二者之间都会发生多次散射作用，而最后传感器获得的出射辐射，是这三者的总和。一般而言，入射到地表的辐射，或被直接散射回大气中，或被吸收，或进入到地表内部中。进入到地表内部的辐射会与地表内部的物质，如水分等发生生化作用，也会部分被散射，部分被吸收。但是与地表散射不同的是，这部分散射是与地表内部的物质含量相关的，其对辐射的调制作用体现在反射率上，这部分辐射是非偏振的。辐射与地物进行相互作用的示意图如图1所示。

图1辐射与地物相互作用示意图

设地物的散射反照率为ω，地表直接被反射的概率为s r ，在地表内部向上

散射的概率为ρ，向下散射的概率为τ。根据菲涅尔原理，我们知道在地表直

接被反射的辐射是部分偏振的，也就是说s r 可以进一步分解为：

s sp snp r r r =+

其中，sp r 代表线偏振部分，而snp r 代表非偏振部分。