CN111678867A - 一种rgb三波段定量测量水体偏光反射比的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于RGB三波段的水体偏光反射比定量测定方法与装置，所述装置由图像采集终端、偏振镜、计算机组成，基于该装置采集的图像，利用本发明提出的方法，能够定量估算目标水体的偏光反射比。偏光反射比包含光波不同振动方向的反射光的强度信息，比目前定量遥感中使用的反射比包含更多的信息，可应用于水体的偏振遥感研究和优化水下目标物遥感识别率，该方法和设备也可用于大气气溶胶反演、海冰卫星遥感反演等领域。
Description
技术领域
本发明属于水体遥感领域，具体涉及一种基于RGB三波段进行定量测量偏光反射比的方法和装置。
背景技术
遥感技术的基础是不同物体对电磁波所呈现出的不同的反射特性，目前遥感利用的信息主要集中在电磁反射强度特征上，最常用的是反射比，偏振也可以作为另一个有价值的遥感信息来源。光的偏振是指光波的振幅在不同方向上是不均匀的，虽然太阳光不是偏振光，但是经过水体反射后的阳光大多具有偏振性。利用光的这种特性可以反演目标物的某些性质，这是偏振遥感的物理基础。大多数遥感仪器是以探测目标的光谱辐射强度来提取各种有用信息，在测量光谱强度的同时，考虑光谱强度在不同方向的偏振性，能够得到更多易于区分目标的特征信息。水体反射的光具有较强的偏振性，水质状况、海面油膜等水体污染物能够改变反射光的偏振性，因此利用反射光的偏振信息可以进一步改善现有的基于反射强度的水质、溢油反演模型；在进行水下物体遥感识别时，水体反射光的存在会干扰有效信号，降低识别率，此时需要基于反射光的偏振原理，最大程度降低反射光的影响。因此在遥感中考虑水体反射光的偏振具有重要的意义。
偏光反射比是度量不同振动方向的、不同波段的发射光的强度的一个物理量，水体偏光反射比的测量是开展水体偏振遥感的基础，但目前还没有测量水体偏光反射比的相关设备。偏振镜是一种允许特定振动方向的光波通过的镜片，在摄影领域已经广泛使用，通过调整光栅方向，改变进入相机的反射光强度，偏振镜能够提升照片的艺术效果，但目前偏振镜不能定量获取摄影目标物的反射光偏振信息。本发明在常规偏振镜的基础上，加入刻度值、箭头等辅助标志，能够定量改变偏振镜的光栅方向，结合图像采集终端和计算机程序，利用本发明提出的方法和装置采集的图像，本发明能够定量估算水体的偏光反射比，应用于水体的偏振遥感研究和进行水下物体的遥感识别。
发明内容
本发明包括一套图像采集和处理系统，利用图像采集系统采集的图像，基于本发明提出的算法，估算目标水体的偏光反射比。所述图像采集装置包括图像采集终端和偏振镜。所述处理系统用于运行程序，计算偏光反射比。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种RGB三波段定量测量水体偏光反射比的装置，包括：
图像采集终端，用于采集基于RGB波段的光学图像；
偏振镜，固定在图像采集终端的镜头上，用于调整反射光强度；
处理系统，用于根据图像采集终端采集的光学图像计算水体偏光反射比。
所述图像采集终端为数码相机或多光谱相机。
所述偏振镜包括偏振镜片、固定部件和旋转部件，其中：
偏振镜片具有固定的光栅方向；固定部件固定在图像采集终端的镜头上；旋转部件上装有偏振镜片并与固定部件连接，能够在固定部件上旋转，用于改变偏振镜片的光栅方向；
所述固定部件外侧标有-180度～180度的刻度线，0度刻度线的位置装有气泡水平仪，水平气泡仪的长轴方向与所述固定部件的周长方向平行，用于使偏振镜片的光栅方向与重力方向垂直，便于调整反射光的偏振方向。
所述旋转部件上设有指示箭头，用于指示偏振镜片光栅的方向。
一种RGB三波段定量测量水体偏光反射比的方法，包括以下步骤：
调整图像采集终端，使图像采集终端镜头对准目标水体且保持水平姿态，此时水平仪为水平方向、偏振镜片的光栅方向为重力方向，此时箭头指向的刻度值为0度；
调整偏振镜的光栅方向依次为0度、45度、90度、-45度，并分别对目标水体采集基于RGB波段的光学图像；
将采集的基于RGB波段的光学图像输入处理系统，处理系统提取光学图像中各像元点处的RGB亮度值，根据RGB亮度值，得到目标水体R波段、G波段、B波段的水体偏光反射比。
所述根据RGB亮度值，得到目标水体R波段、G波段、B波段的水体偏光反射比通过以下公式得到：
其中，I表示亮度值，下标i表示R波段、G波段、B波段中任意一种，括号内的0°、90°、40°和-45°分别表示偏振镜的光栅方向，S0i，S1i，S2i，S3i分别为斯托克斯矢量的四个元素，其中S0i为反射光强度，S1i为线偏振的方向，S2i为线偏振的强度，S3i为圆偏振分量。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明在常规偏振镜的基础上加入气泡水平仪、刻度线和偏振镜片光栅方向指示箭头，能够安装在现有大部分技术成熟的普通数码相机或者多光谱相机上获取水体的RGB三波段亮度值，定量估算目标水体的偏光反射比，操作简便，具有较高的精度。
附图说明
图1为一种偏光反射比定量测量装置的图像采集示意图；
其中，①-图像采集终端；②-偏振镜；③-目标水体
图2为偏振镜侧视图；
其中，④-旋转部件；⑤-固定部件；⑥-偏振镜片
图3为偏振镜俯视图；
其中，④-旋转部件；⑤-固定部件；⑦-刻度；⑧-指示箭头；⑨-气泡水平仪。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种基于图像RGB值的水体偏光反射比定量测定方法与装置，通过偏振镜片和图像采集终端获取多幅目标物的图像，该图像序列在一个像元点处的RGB值包含了目标水体反射偏振光的反射比信息；通过本发明提出的方法，能够定量估算水体的偏光反射比，用于分析水体的反射特征、改善水质、溢油反演模型、提高水下物体遥感识别准确率，亦可陆地遥感、大气气溶胶研究等领域。
所述的RGB三波段的偏光反射比由包含四个元素的斯托克斯矢量表示，即[S0，S1，S2，S3]，每个波段对应一个斯托克斯矢量。
所述的斯托克斯矢量中的各元素由图像采集终端提供的图像中的RGB各波段的亮度值计算所得。
所述的偏振镜，其特征在于安装在图像采集终端的镜头上，用于调整反射光的强度。所述偏振镜包括镜片、固定部件和旋转部件三个主要部件。镜片具有特定的光栅方向，固定部件上有螺丝，用于将偏振镜固定在相机镜头上，旋转部件上装有偏振镜片，与固定部件连接，但能够在固定部件上旋转，改变偏振镜片的光栅方向。
所述的偏振镜的固定部件上标有刻度，刻度值的范围为-180～180度；0度刻度线的位置安装一气泡水平仪，用于使偏振镜片的光栅方向与重力方向垂直，便于调整反射光的偏振方向。。
所述的偏振镜的旋转部件上标有一个指示箭头，表示偏振镜片的光栅方向。
所述的照片采集终端为普通数码相机或者多光谱相机，能够采集水体反射光谱的RGB三波段的亮度，用于水体偏光反射比的估算。
所述处理系统为一普通电子计算机，能够存储文件、运行Python计算机编程语言。
所述水体偏光反射比计算程序基于Python语言写成，以图像采集系统采集的照片为输入文件，读取照片文件各像元处的RGB亮度值，目标像元点处的RGB亮度值是一个三个元素的矢量，用[IR，IG，IB]表示，三个元素分别是R、G、B三个波段的亮度值，根据公式(1)，计算目标水体的各波段斯托克斯矢量，即偏振反射比。公式(1)为R波段偏光发射比的计算公式，式中I表示亮度值，下标R表示R波段，括号内的0°、90°、40°和-45°分别表示偏振镜的光栅方向(以面向目标物顺时针旋转方向为正)。G波段和B波段的偏光反射比斯托克斯矢量计算方法与R波段相同，可参考公式(1)，在此不再列出。
其中，S0R，S1R，S2R，S3R分别为斯托克斯矢量的四个元素，其中S0R为反射光强度，S1R为线偏振的方向，S2R为线偏振的强度，S3R为圆偏振分量。
将图像采集终端固定在三脚架上，镜头对准目标水体，如图1所示。
如图2、图3为本发明装置使用的偏振镜，将偏振镜安装在图像采集终端的镜头上，使镜头尽量保持水平，镜头对准目标水体，调整相机角度，使得固定部件上水平仪中的气泡位于中间，调整旋转部件，使旋转部件上的红色箭头对准0度刻度线，此时水平仪为水平方向、偏振镜片的光栅方向为重力方向，此时箭头指向的刻度值为0度(刻度位于偏振镜的固定部件)。
使用图像采集终端的手动模式，设置终端的焦距、白平衡、快门时间、感光度，针对同一目标水体的偏光反射比测量均使用同一设置值，设置偏振镜的光栅方向分别为为0度、45度、90度和-45度(使用偏振镜旋转部件上的箭头和固定部件上的刻度值调整偏振方向)，分别对目标水体采集图像，记录不同的光栅方向对应的图像文件名，便于在偏光反射比计算程序中读取图像文件。
将采集的图像传输到计算机中，运行程序，读取采集的图像，按照公式(1)计算出目标水体RGB三个波段的斯托克斯矢量，即各波段的偏光反射比。
Claims (7)
1.一种RGB三波段定量测量水体偏光反射比的装置，其特征在于，包括：
图像采集终端，用于采集基于RGB波段的光学图像；
偏振镜，固定在图像采集终端的镜头上，用于调整反射光强度；
处理系统，用于根据图像采集终端采集的光学图像计算水体偏光反射比。
2.根据权利要求1所述的一种RGB三波段定量测量水体偏光反射比的装置，其特征在于，所述图像采集终端为数码相机或多光谱相机。
3.根据权利要求1所述的一种RGB三波段定量测量水体偏光反射比的装置，其特征在于，所述偏振镜包括偏振镜片、固定部件和旋转部件，其中：
偏振镜片具有固定的光栅方向；固定部件固定在图像采集终端的镜头上；旋转部件上装有偏振镜片并与固定部件连接，能够在固定部件上旋转，用于改变偏振镜片的光栅方向。
4.根据权利要求3所述的一种RGB三波段定量测量水体偏光反射比的装置，其特征在于，所述固定部件外侧标有-180度～180度的刻度线，0度刻度线的位置装有气泡水平仪，水平气泡仪的长轴方向与所述固定部件的周长方向平行，用于使偏振镜片的光栅方向与重力方向垂直，便于调整反射光的偏振方向。
5.根据权利要求3所述的一种RGB三波段定量测量水体偏光反射比的装置，其特征在于，所述旋转部件上设有指示箭头，用于指示偏振镜片光栅的方向。
6.一种RGB三波段定量测量水体偏光反射比的方法，其特征在于，包括以下步骤：
调整图像采集终端，使图像采集终端镜头对准目标水体且保持水平姿态，此时水平仪为水平方向、偏振镜片的光栅方向为重力方向，此时箭头指向的刻度值为0度；
调整偏振镜的光栅方向依次为0度、45度、90度、-45度，并分别对目标水体采集基于RGB波段的光学图像；
将采集的基于RGB波段的光学图像输入处理系统，处理系统提取光学图像中各像元点处的RGB亮度值，根据RGB亮度值，得到目标水体R波段、G波段、B波段的水体偏光反射比。
7.根据权利要求6所述的一种RGB三波段定量测量水体偏光反射比的方法，其特征在于，所述根据RGB亮度值，得到目标水体R波段、G波段、B波段的水体偏光反射比通过以下公式得到：
其中，I表示亮度值，下标i表示R波段、G波段、B波段中任意一种，括号内的0°、90°、40°和-45°分别表示偏振镜的光栅方向，S0i,S1i,S2i,S3i分别为斯托克斯矢量的四个元素，其中S0i为反射光强度，S1i为线偏振的方向，S2i为线偏振的强度，S3i为圆偏振分量。
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