用于物候观测的多光谱光场成像技术研究

发布时间：2020-05-20 05:03

【摘要】：本文选题于国家重大科研仪器研制项目—— 中国物候观测网‖自动监测系统研制,立足解决目前中国物候观测缺乏长期稳定监测的多光谱设备问题,提出基于植被的特征谱段位置统计不变性的快照式多光谱光场成像技术方案。论文就基于微透镜阵列的多光谱光场成像理论模型、系统设计、模拟仿真和数据处理开展了研究工作。首先采用矩阵方式描述了光场基本理论,包括利用四维光场的双平面矩阵表达方式、光场传递及光场采集记录过程所涉及的矩阵运算。给出了双平面间共轴空间平移、离轴空间平移、垂轴旋转或沿轴旋转以及透镜作用下的光场矩阵变换方程,介绍了相机阵列式、针孔式及掩膜编码式等几种光场获取方式的矩阵采样模型。其次,系统研究了微透镜阵列型光场成像模型,根据微透镜阵列在光路中的位置及其所起作用的不同将基于微透镜阵列的光场成像方式分为子视场式和子孔径式两种。分别针对这两种不同形式,定义了光场传递中涉及的平面,全面考虑各种平移及旋转误差下推导了从三维场景中的点到探测器焦平面的光场传递模型,基于微透镜阵列和探测器的离散性建立了光场采样模型,基于光线辐射信息不变性和探测器响应线性性建立了辐射传递模型。采用matlab计算机软件对两种形式模型进行数值仿真,得到了与理论一致的焦平面信号分布。通过比较,确立了微透镜阵列子视场式多光谱光场成像方案并建立了测谱模型。再次,讨论了多光谱光场相机中的主透镜与微透镜距离、微透镜与探测器距离、主透镜和微透镜F数等重要关系。基于物候监测多光谱相机的需求和特征波段位置不变性的特点,设计了由像方远心光路和微透镜阵列耦合探测器一体化的焦平面组件构成的九通道多光谱光场相机,从降低成本出发,设计了可通过调焦实现场景成像和目标测谱的九通道光场光谱仪,采用ASAP软件进行了光线追迹仿真,用搭建的原理系统进行了验证,均证明了原理的可行性。最后,研究了多光谱光场相机的数据处理方法,分别建立了光场重建、多光谱重建、图像重聚焦、立体重建的处理模型及处理方法,研究了其中相应的参数标定及简化处理方法。采用高光谱数据模拟产生了多光谱光场数据,采用商业光场相机获得原始光场数据,采用相关的方法进行处理,得到了不同位置的清晰多光谱图像和距离信息,验证了方法的有效性。
【图文】：

物候观测,相机,美国

用于物候观测的多光谱光场成像技术研究光，虽有部分相机增加了近红外波段的探测，但又不能同时成像。在谱遥感图像处理方面我国的科研人员也做了不少的工作[4, 7]，但高光谱本非常高，不利于形成大范围的推广。所以，我国对物候的观测手段平还有差距，研发可长期、稳定、连续、精确监测并记录我国物候变设备具有非常重要的意义[8]。物候观测技术发展现状1国外发展现状美国科学家设计研制了物候相机网络[3, 4]，如图 1-1，将高分辨率数码摄像头）安装在北美和欧洲部分地区的 169 个试验站点。设备覆盖可红外波段，使用太阳能供电，安装在植被顶部 5-10m，为了减少光晕镜头朝南，可拍摄 20%的天空和 80%的植被，并可定时向网络传输数

网络图,物候,日本

可拍摄 20%的天空和 80%的植被，并可定时向网络图 1-1 美国物候观测相机在其物候眼网络（Phenological Eyes Network，，PEN）[6]项目 9 个站点，在欧洲、北美设置了 10 个站点，其设备配置包含高光谱辐射计、气溶胶探测器、LAI 检测仪等多种设备，顶层、中部和地面均有安置。可实现物候、植被反射率、光数、碳、水循环模型和云覆盖等大气参数的长期监测。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q142.2;TP391.41

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