關鍵詞：無人機 多角度遙感 BRDF 反射率 各向異性 作者：李二 日期：02/06/2021 - 03/06/2021
首先說明，這並非一篇言情小說，而是一篇飽含深情的故事。
1. 初識
那是在七年前的大約這個時候，我剛剛大學畢業來師大讀研，尚未入學，便隨老師和師兄們來到承德塞罕壩開展實驗。清晰的記得當時閆凱師兄是飛手，雖前一年剛經歷了根河摔機，卻依然頗有自信地拿起遙控器來操控無人機。我當時自然稚嫩青澀，即使讓我簡單碰一下，也會有一些緊張感。
彼時的無人機行業尚處於剛起步階段，DJI遠沒有現在這么廣為人知，穆老師在北京的一下專門生產無人機的公司購買的設備，個頭並不小，看着也有點危險，操控性也不盡如人意。
那個時候，組內的老師就看到了無人機這種靈活的遙感平台在多角度遙感中的潛在價值。似乎是2012抑或2013年購買之后，就多次開展無人機遙感測試與實驗，算是國內最早的一批涉及無人機遙感的研究團隊了。
在RAMM組的時候，閻老師一直期望通過地面與近地面多角度觀測，更為精細地挖掘多角度信息，改善現有BRDF模型存在的一些問題。一直盼望着我們能夠獲得一套很好的多角度數據。
漆師兄寫了一個計算無人機多角度航線的小軟件，非常實用。根據當地位置和時間，能夠方便地計算出
gonimetric pattern（半球面）和cross pattern（十字）類型多角度航線（主平面和垂直主平面）的航點位置以及雲台應旋轉的角度，這樣就能准確地控制天頂角和方位角了。
天不遂人願，每次執行多角度飛行時，無人機總會莫名其妙地拍到了其他非感興趣的地物，也就是角度每次都不太對勁。我們懷疑可能是三個原因造成的：1. 雲台旋轉的角度不准確； 2. 無人機定位精度太低；3. 航點半徑設置過大抑或是風的問題。
為了評估雲台旋轉角度是否准確的問題，剛開始我買了個望遠鏡，想飛行過程中仔細看看，后發現用處不大。我們在室內通過三角幾何關系精確獲取了無人機相機光心應觀測的位置，多次測試后發現並無太大問題。
無人機定位精度的問題我們當時也沒有想到比較好的辦法在野外進行測試評估，那款無人機的真實航點信息並無法導出，只有預設航點位置信息。后來在論文審稿階段有評審專家提出這個問題，我采用的是重建的正射影像貼圖在Google Earth上，大約還好（不過那是后話了，因為采用的是DJI了）。當時我們主要認為是定位精度的問題。
航點半徑印象中一般設置的是3-5米，也就是說，只要無人機到達航點附近的圓圈內，相機就被觸發拍攝了。這應該也是一個重要問題。 可以盡量設置小一些，不過即使如此，由於定位精度不准確，這自然也沒有太大意義了。
后來我們意識到，飛行高一些，footprint自然變大了，即便定位和旋轉角度不准確，那么依然有可能把我們所感興趣的區域包含進去。但是即便如此，依然沒有讓我得到一套完整（即包含主平面和垂直主平面）的多角度數據。
至少，在2014-2015這兩年的時間里，我慢慢地認識到了它的難以接觸，也逐漸感覺它越來越吸引人。
有沒有辦法准確地獲取每個樣方甚至每個像元的實際觀測角度？
有沒有辦法（半）自動化地實現每幅影像對應區域的提取？
怎么樣進行輻射校正，獲取雙向反射率？ 這些問題當時都困擾着我。我決定，一定要想辦法解決無人機多角度觀測問題。
順便說一下，我同時也做了地面多角度車的軟件，更加加深了我與近地面多角度遙感的緣分，這是我的小得意之作。
2. 相知
慢慢地，我也成長為組內飛行無人機的擔當了，也越發嫻熟，但始終綳在內心的那顆弦就是，獲取一套完整的多光譜多角度影像數據。
2016年，我和一家無人機公司的員工一起在北京房山永定河附近進行多角度飛行試驗，當時我們采用的是Terrcam miniMCA多光譜相機，這是一款極不穩定的相機，震動稍微一大，就接觸不良，無法工作了。
小賈工程師他們弄了一種防震膠貼，將相機粘在雲台上面，然后再用扎帶固定，進而調整重心之類的，至少是能用了。
小翟工程師是飛行行家，我畫好航線，他負責操控（另外一架更大的無人機了）。上午去的試驗場，又是出現各種小問題，直到下午三點多才飛起來。只是那個時間太陽天頂角已經將近60°了，基本觀測不到熱點了。
挺奇怪的，在北京附近，無人機的GPS模塊似乎也規矩了許多，於是有了幾年來的第一組相對完好的多角度多光譜數據。不過缺憾依然有：
由於時間、人員、儀器等各方面原因，僅僅有一個樣地的一個時相的數據； 由於太陽原因，我們沒有觀測到熱點。 不過，至少我能着手好好處理數據了。
我對Agisoft PhotoScan（現已改名為Metashape）這個攝影測量軟件還算比較熟悉，尤其是它提供了API接口，我們能夠方便地調用其中的大量函數。
但是其中的各種坐標系轉換着實讓我廢了很大的力氣，我花了好久時間才搞清楚如何將重建的三維點投影到影像中以及如何將影像像元計算對應的三維點位置。基於此，我可以實現像元的實際觀測幾何計算以及不同影像中相同區域的提取。
我們也花了一些力氣對相機進行定標，采用積分光源進行絕對定標以及采用標准反射率參考板進行相對定標的方式都做了。
有了這個數據之后，其實我個人並未想好做做點什么事才好，因為日常的時間一種在弄植被蓋度相關的算法，所以對於改進BRDF模型之類的事情不太感冒。所以后面各種看文獻以及與人討論，做點什么事情合適。
在與劉守陽博士和李文娟博士的幾次討論中，文娟師姐當時在分析作物的reproductive organ對冠層反射率的影響（現已發表在RSE上），我想不妨做一下森林背景各向異性對於冠層的影響到底如何。
其實很早以前大家就已經意識到了背景影響挺重要的，但是找了一圈文獻，也沒有一種便捷地提取背景各向異性特征的方法，更沒有細致分析不同太陽角度、冠層結構、土壤特性條件下，不同觀測角度時土壤背景的影響如何。
鑒於此，我決定要發展一種提取土壤背景各向異性的方法，同時分析它的影響。
3. “七年”之癢
接下來開始了比較繁瑣的數據處理了，我把這個miniMCA了解地很透徹了，然后數據處理也做的差不多了，最終形成了一個自動提取土壤各向異性的技術流程，然后加上了三維場景構建與三維輻射傳輸模型模擬分析，並整理為一篇文章。
文章一開始投稿了RSE，幾個月后，收到了審稿意見，陳鏡明主編說，有大修意見也有拒稿意見，但是他覺得這個工作很重要也挺有價值，於是給了大修。期望我們能夠增加一些樣方，增加一些太陽幾何條件，增加地面驗證數據，讓結論更為sound。
然而，此時我還在國外，並不方便在這邊開展實驗。穆老師積極聯系公司制造我自行設計的地面多角度觀測架（手動式），順便購買了兩個新的小型MAPIR多光譜相機（單價1萬），而且組織師弟師妹們在懷來進行無人機多角度實驗。
師弟師妹們（陳珺、李偉華、李益、劉鑫莉）非常靠譜，用DJI的無人機，三四天之內就獲取了3個樣地各兩組多角度觀測數據集，包含無人機多角度、地面多角度、地面配套參數測量等。應該說，這次數據非常全面了。特別感謝他們。
我又花了一個月的時間仔細整理數據、處理數據、模擬分析等，但是發現了一個極為關鍵的問題：
這款多光譜相機因為采用的是拜耳陣列的方式，雖然鏡頭上濾光片，但是其傳感器單元采集到的紅光與綠光波段混入了大量近紅外信號，無法使用，也沒有辦法剔除，僅有近紅外波段的信號是可信的。
我極為郁悶，但只有硬着頭皮用現有的NIR波段數據去修改文章，只是依然擔心主編和審稿人會因為僅有一個波段的問題，提出進一步的實驗要求。
經過3個月審稿，果不其然，主編和審稿人都說為什么沒有紅綠波段呢？期望我們加入。那個時間已經是冬天了，無法開展實驗了，跟主編說過之后，陳老師答應繼續給我們一些時間。可是，后來疫情來了，也無法進行實驗了，便請求陳老師撤稿了。
合作作者Jan Pisek建議投ISPRS P&RS，這是比較適合的。 2020年11月份，我將RSE審稿人要求修改的其他部分修改完成之后，投稿到了ISPRS。
ISPRS在定量遙感這塊沒有RSE要求的那么嚴格，因此還算順利，4個審稿人給的意見都比較正面，我修改的也十分認真，盡可能最大限度地在各方面讓審稿人滿意。總共花了6個月的時間，論文被順利接收了。
磕磕絆絆，終於將多角度遙感觀測的初步問題解決了一些。從2014年到2021年，正好七年時間，伴隨着這篇論文的發表。也算是順利地度過了七年之癢。
只是，遲到的發表還被認可嗎？其他比我們做的晚的團隊似乎也已經把我們落下。幸好，不同團隊關注的重點以及具體研究的方向並不相同，我們可以在各自的研究目標下做出不同的東西。
4. 相守
我想，我已經fall in love with 無人機多角度遙感了，我們未來還有很多事情要做，還有很多路要走。
我們已經嘗試了多角度高光譜成像，只是目前的數據仍不完善，期待着用完整的無人機數據以及LiDAR和其他配套數據構建一個良好的數據集，並作出初步處理，以數據文章的形式公布和分享，方便所有感興趣的學者使用；
我們也已經開始做一套metashape插件，將多角度數據處理的整個流程直接集成進去，同時增加一些其他的功能。
我們也在嘗試其他工作，比如***（暫且不說了，等做的差不多再匯報吧）。
我盼望着自己，能夠做的更加深入，能夠長期與無人機多角度一起，走下去。