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公路是人类活动密集的区域,随着我国城市化的发展和公路里程的迅速增长,路面质量监测面临越来越繁重的工作压力。目前,路面质量监测仍然以人工巡查的方式为主,效率低主观性高,急需便捷高效的监测手段。遥感技术能够短时间获取大面积区域的影像,成像光谱技术的出现及其在空间和光谱分辨率上的进步,极大地增强了遥感探测地表属性的能力。这些优点使光学遥感技术成为探测路面质量的一种潜在手段。
明确路面的光谱特性及路面质量变化在光谱上的表现是遥感探测路面质量的基础。国内外相关的研究成果较少,本研究基于沥青路面和混凝土路面的大量实测光谱数据,围绕光学遥感探测路面属性的几个关键基础性问题——路面的光谱特征、路面的光谱特性随道路属性变化的表现、路面光谱特性受环境影响的变化规律等开展了原创性的预研工作。本文的主要贡献总结如下:
1.获取了多种属性路面的大量可靠的光谱数据。提出了一种典型路面在可见光.近红外范围内的光谱特征模型,此模型确定了路面反射率光谱中位置稳定的5个包络线节点和多个光谱特征指数,可以定量表征路面的光谱特性。对数据的分析结果表明,典型道路的光谱在可见光-近红外区域没有明显的吸收特征,属性道路差异主要体现在光谱整体形状的差异上,形状差异能够通过该模型进行定量表征。光谱的相邻波段之间存在较强的相关性,利用基于少数波段的光谱特征指数向量,可以对路面的很多属性进行有效表征,但特征指数对路面属性的表征性存在一定的不确定性。
2.基于双光谱仪测量法获取了大量高时间分辨率的典型路面光谱时间序列数据。并以此为依据定量分析了光谱短时变化的幅度和速度,探讨了引起道路光谱变化的关键要素和测量中的不确定性因素。研究结果表明,典型路面反射率主要随太阳高度角而改变,路面反射率在清晨和傍晚时变化较大,在其他时间基本保持稳定。影响双光谱仪法测量精度的主要因素包括光谱仪暗电流漂移、仪器辐射响应差异和参考板反射率随环境的变化,本研究设计了一套预处理流程以减小上述因素的影响。
3.对道路的表观光谱一时间变化现象进行了理论探讨和解释:太阳高度角较小时,路面反射率显著升高主要由费涅耳反射因子显著升高引起;在垂直向下观测的几何条件下,粗糙路面的前向散射、后向散射和镜面反射效应均不明显,因而使其他时段的路面光谱反射率基本保持稳定。TS-ON模型(粗糙表面反射模型)可以较好地拟合该现象的主体变化部分,但由于模型忽略反射光的偏振现象或数据预处理出现误差,部分光谱变化区域存在拟合偏差。基于该模型可以对多数样本的粗糙度等参数进行有效反演,但受反演策略、样本时间范围选取和数据预处理质量等影响,反演结果也存在一定的不确定性。