文献综述
植被是生物地球化学循环如碳循环、氮循环、水循环等地表过程中的重要控制因子，通过植被遥感提供的植被宏观变化信息，可为地表系统过程模拟提供关键参数，所以对于植被的遥感研究极为重要。在近年的遥感研究中，在利用多波段、多时相、高光谱的遥感数据来提高遥感对地物识别能力的同时，越来越多的学者将针对地物双向反射及它的孪生姊妹偏振反射的测量作为新型遥感手段来进行研究，努力使定性遥感走向定量遥感。通过这些手段得到的信息在资源调查农作物估产、农林牧业发展、军事目标识别、地质勘探、矿、土壤分析、环境监测、灾害估计、海洋开发利用、遥感数据订正等方面有着特殊意义（乔延利等，2001；杨之文，2004；张绪国等，2008；麻金继等，2009）。 20 世纪 70 年代以来，遥感对地和大气的观测主要采取垂直收集数据的方式，利用目标地物的辐射强度来推求目标的表面状态、温度、物质组成及其他一些物理化学特性，以获得地面的二维信息（宋开山等，2004）。遥感解译的主要依据是根据不同的地物具有不同的吸收、反射和发射电磁波的能力来分辨地球表层的地物分布，并假定目标地物的反射光谱在2π空间内分布是一致的，即所谓的朗伯体（赵云升等，2000）。但实践证明，这种假定引发的结论与实际相差较大，不尽合理。另外，随着遥感应用的深入研究，传统的解译模式已经不能满足实际的需要，现实表明人们不仅需要地面目标的平面信息，如位置和大小，而且还需要了解更高层的信息，即目标的三维信息（赵云升等，2005）。
因此，在20世纪70年代末，美国Suit G.，Goel N. S.， Strahler A. H.及中国的李小文等一小批学者首先开始了分布函数BRDF （Bidirectional Reflectance Distribution Function ，即双向反射分布函数）的研究（Li Xiaowen et al.，1985；Lucht W et al.，2000；Wang Jun-Fa et al.，2001）。美国学者 Nicodemus 于 1970 年正式提出双向反射分布函数 ，公式为：
(1)
式中(θ，φ)分别是球坐标下的天顶角和方位角，下标i ,r 分别代表入射量和反射量；dL r (θi ，φi ，θr ，φr )为(θr ，φr ) 方向上的反射亮度dE i (θi ，φi )为(θi ，φi )方向上的入射照度，则双向反射分布函数定义为沿(θr ，φr ) 方向出射的辐射亮度 dL r (θi ，φi ，θr ，φr )与沿(θi ，φi )方向入射到被测表面的辐照度dE i (θi ，φi ) 之比。图1是描述光束和目标表面关系的BRDF 几何图。BRDF 被定义为两个无穷小量的比值 ，这不适用于实际测量 ，在实际测量时 ,BRDF 在非零区间近似为常数 ，可将上式改写成如下形式:换一种方式飞行
(,,,)(,,,)(,)
r i i r r r i i r r i i i dL f dE θϕθϕθϕθϕθϕ=
(2)
图1 BRDF 参数示意图
Fig.1 Sketch of BRDF parameters
通常情况下所说的双向反射分布函数指的就是式(2)。它表示不同入射条件下材料表面在任意观测角的反射特性（王安祥等，2008）。结合公式从图中看见，双向反射分布函数表示不同入射条件下物体表面在任意观测角的反射特性 ，它所确定的反射特性只取决于物体表面本身的特性 ，因此它是有效地描述目标表面在半球空间的光辐射特性的最佳物理量，所以通过研究BRDF 可以实现对目标地物的空间分布结构的反演。
至今为止，国内外大批科学家在地物双向反射方面做了很多的研究，并在对植被、土壤、矿物、水体等各类地物BRDF 研究中取得了丰硕的成果。20世纪末，学者们基本确定了影响地物双向反射的主要因子包括相对方位角（以下简称“方位角”）、观测角、波段、光线入射角、地物的种类及类型等；并一般认为理想状态下地物反射率在后向散射方向出现最大值，前向散射方向出现最小值，并且随观测角、光线入射角的角度增加而增大；反射率因地物不同而随波段的变化具有不同的趋势（JouniI.Peltoniemi et al.，2005；Robert Joyce et al.，2001；David J. Diner et al.，1999；JunichiSusaki et al.，2004；乔延利等，2001；黄俊梅等，2005）。(,,,)(,,,)(,)
批判理论
r i i r r r i i r r
i i i L f E θϕθϕθϕθϕθϕ
=
在新世纪对于BRDF的研究更加深入，李云梅等研究发现植被的双向反射与其结构（可以用叶面积指数LAI、叶面积体密度FAVD、叶倾角分布LAD等参数来描述）密切相关，此外物候也对植被BRDF具有很大影响（李云梅，2001）；宋开山，赵虎等发现了土壤（宋开山等，2004）、矿物（穆猷，2009）的双向反射则与干湿状态有很大关系；赵云升等的研究表明水体BRDF反射特性受污染情况的影响很大（赵云升等，2006）。现如今，BRDF
的研究广泛地在地物遥感、涂层材料开发、环境监测等诸多领域中进行（Ray Leuning et al.，2006；张卡等，2004；尹王保等，2003；冯晓明等，2005）。
在研究地物双向反射的同时学者们发现偏振反射是其的孪生姊妹，很多学者将二者结合在一起研究，即偏振BRDF。光的传输特征可以用其强度和偏振状态加以描述。如果光在传输的过程中，其电矢量始终存在优势取向，而不是在所有方向上随机振动，则称之谓偏振状态（韩志刚等，1998）。遥感技术的基础是物体对电磁波所呈现的特性，其中包括光谱强度和偏振特性以及物体本身的几何特征。目前，遥感利用的信息主要集中在电磁强度特性和几何特征。地物和大气在反射光的过程中，会产生由它们自身性质决定的特征偏振，因而偏振光中蕴含着大量的其它光学特性所不具有的遥感信息。通过测量目标辐射和反射光的偏振强度值、偏振度、偏振角、偏振椭率和辐射率，可以解决传统光度学观测无法解决的一些问题，具有比辐射测量更高的精度，在取得高精度偏振测量结果的同时，还能够提供辐射量的测量数据，是传统遥感观测手段的有益补充美国航天飞机带回的的400多幅地球偏振图像，充分证明了这点（晏磊等，2010）。
光的偏振现象早在1669年就被发现了，但在遥感方面的应用和BRDF一样起步很晚（宋开山等，2000），不过它的发展却是很快。偏振反射测量开始于1964年的天文学领域，旨在确定天体的物质组成，从那以后，很多学者对物体的偏振反射特性进行了研究（Talmage D.
< al.，1986）。偏振反射特性最早着重于目标识别方面的定性研究，即不同物体偏振反射特性的差异。纽约大学的Walter G. Egan在1999年和2002年分别对C－130型飞机和B－52型飞机进行偏振反射特性研究，试验中对飞机四个方向(水平、垂直、±45°)进行偏振数字成像，分析了飞机不同位置及天空的偏振度，并将光亮处与阴影处作对比，发现天空与飞机存在很强的偏振对比(取决于观测环境)（Egan W. G.et al.，2000；Egan W. G.et al.，2002）；英国P. N. Raven等人对月桂和毛蕊花分别做了偏振反射特性测量，发现这两种迥然不同的叶子的偏振性质相比光度有着更显著的差异(Raven P. N.et al.,2002)；在研究不同物体偏振反射特性差异的同时，研究者们也对具体的偏振反射特性规律进行了研究。中科院安徽光机所孙晓兵等发现来自人工目标及自然背景的光波偏振角参数是一个与物体表观及固有特性直接相关的一
个本征信息，偏振角参数能够较好地描述物体不同的表面取向可以用来表征目标及背景的状态特性（孙晓兵等，2005）。东北师范大学赵云升等对玉米（宋开山等，2000）、乔木（赵云升等，2000a；赵云升等，2005a；宋开山等，2004b）、草本花卉的单叶（赵云升等，2000a；宋开山等，2004），土壤（宋开山等，2004a），矿物（赵云升等，2005b）和水体（赵云升等，2000b；赵云升等，2006；赵云升等，2005a）的研究、北京大学赵虎对矿物的研究（赵虎等，2004a；赵虎等，2004b；赵虎等，2004c；赵虎等，2003）、中科院上海技物所杨之文等对草地和建材的研究（杨之文等，2005）均发现偏振反射比与由光线入射天顶角、观测天顶角及观测相对方位角等组成的观测几
何及地物自身的物理化学特性、观测波长位置、偏振角度关系很大。赵云升等总结了多角度偏振二向反射与二向性反射之间的关系，即透光方向与消光方向的光的光强算术平均数为入射前光强的一半；且二向反射比、45°偏振反射率、透光方向与消光方向光强的算术平均数的反射率三者在对应的方位角、天顶角、观测角以及通道上均相等（赵云升等，2005），并且对橄榄岩（赵云升等，2005），水面溢油（赵云升等，2006）、植物叶片等（宋开山等，2000：宋开山等，2004）进行了实验验证，同时在这些实验中也指出不同地物在不同的波段、不同光线入射天顶角、不同观测角的条件下，它们的偏振反射比存在共性，即在0°偏振时反射率出现最大值而在90°偏振时反射率出现最小值国防科技大学就伪装网的偏振反射特性研究，证明了偏振度随反射率的降低而增大（张朝阳等，2009）。在最近几年，由于研究的深入，偏振反射特性研究正由定性走向定量，吴太夏对Hapke模型进行了改进，提出了土壤BPDF模型（Wu Taixia et al.,2005）。韩阳测量了丁香叶片的高光谱偏振信息与叶绿素含量，建立了二者之间的回归模型（韩阳等，2009）。（赵虎等，2004）推导了利用地物反射偏振度求取其表面密度的公式，并利用该公式计算了一些岩石样本的表面密度，与已知岩石的主矿物密度大致做了比较。（杜嘉等，2007）桂嘉推导了海水的偏振特性与海水密度之间的函数关系，并进行了实验验证。偏振反射特性研究正迈入一个崭新的阶段。
虽然双向反射和偏振反射的特性研究进展很快，但研究主要集中在土壤、水体、矿物方面，对于植被研究却是不足的。国内外植被研究方面比较少，而且现阶段植被偏振BRDF 反射特性研究主要集中在
密植被(Dense vegetation cover)如森林、玉米等。而对于草本植物，该研究更是鲜有报道。而且现阶段的植被偏振BRDF反射特性研究在研究方法和研究内容上也存在一定的问题，如现研究由于仪器原因，多是在室内模拟环境下进行的测量，野外测量罕见，并大都是单叶测量，缺乏自然环境下的大范围测量；植物的绿量、叶倾角、水分等因子也是能够在很大程度上影响其偏振测量的，但是这些因子往往不列入研究。
本研究基于自行设计的BRDF地表测量平台，采用研究区3个草本植被样方的偏振BRDF数据及其他有关研究数据分析草本植被偏振BRDF的主要特性，以期在一定程度上完善草本植被及其它地物的偏振BRDF研究。
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