A low-cost field and laboratory goniometer system for estimating hyperspectral bidirectional reflectance

Abstract

AbstractThe derivation of the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) from earth-surface features provides a more complete basis for the estimation of both surface composition and physical structure than is possible using single-angle reflectance measurements. With the increase in number of remote sensors capable of multi-angular earth observation and the increased use and sophistication of canopy BRDF models, the need for field and laboratory BRDF data and validation has correspondingly grown to ensure proper calibration and improved understanding of the directional reflectance properties of earth-surface features. Goniometers are specialized devices for near-surface measurement of bidirectional reflectance factors and are typically used in the field but can also be used in controlled laboratory settings. Current goniometer systems are often prohibitively expensive, however, and are not always robust for use in different field environments or the laboratory. This paper presents the University of Lethbridge Goniometer System (ULGS) as a low-cost, flexible, and capable alternative for estimating BRDF in a variety of field and laboratory situations. The ULGS uses an analytical spectral devices full-range hyperspectral spectroradiometer sensor (ASD-FR, 350–2500 nm) to acquire 217 unique angular hemispherical measurements (–60° to +60° zenith angle over the full 360° azimuth with an angular resolution of 10° in both dimensions). The system is manually operated, reducing the significant overhead (cost, design, and weight) associated with computer and robotic control systems. BRDF results are presented as example applications for three different field and laboratory targets: (i) a Lambertian calibration panel, (ii) a field grassland site in a river valley coulee, and (iii) laboratory-based measurements of a moss sample from Fluxnet-Canada. It was concluded that the ULGS hyperspectral goniometer is capable of estimating the directional reflectance properties of non-Lambertian structured canopies. Compared with other goniometer systems, the ULGS is considerably more accessible due to its much lower cost and feasibility to construct and its portability and versatility, yet it sacrifices little in terms of the quality and speed of BRDF data acquisition.La mise au point d'une fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle (FDRB) à partir des caractéristiques de la surface terrestre fournit la base la plus complète possible pour l'estimation de la composition et de la structure physique de la surface comparativement aux mesures de réflectance à angle unique. Avec l'accroissement du nombre de capteurs de télédétection capables d'effectuer des mesures multi-angulaires d'observation de la terre et grâce à l'utilisation plus répandue des modèles de couvert FDRB et à l'amélioration de ces derniers modèles, les besoins pour des données de terrain et en laboratoire FDRB et pour la validation ont augmenté parallèlement afin d'assurer un étalonnage approprié et une meilleure connaissance des propriétés directionnelles de la réflectance des caractéristiques de la surface de la terre. Les goniomètres, qui sont des instruments spécialisés pour mesurer les facteurs de réflectance bidirectionnelle près de la surface, sont utilisés couramment sur le terrain quoique ces derniers puissent être aussi utilisés dans un environnement contrôlé en laboratoire. Toutefois, les systèmes actuels de goniomètre sont souvent très chers et pas toujours robustes pour utilisation dans différents environnements de terrain ou en laboratoire. Dans cet article, on présente le système de goniomètre de l'Université de Lethbridge (ULGS), un système à faible coût, flexible et qui constitue une alternative valable pour l'estimation de la FDRB dans une variété de situations sur le terrain et en laboratoire. Le système ULGS utilise un spectroradiomètre hyperspectral ASD-FR (« analytical spectral devices full-range ») opérant entre 350–2500 nm pour acquérir 217 mesures hémisphériques angulaires uniques (avec un angle zénithal de –60° à +60° à travers les 360° en azimut et une résolution angulaire de 10° dans les deux dimensions). Le système est opéré de façon manuelle réduisant ainsi significativement les coûts d'investissement (coût, conception et poids) associés aux systèmes d'ordinateur et de contrôle robotique. Les résultats FDRB sont présentés comme des applications types pour trois cibles différentes de terrain ou en laboratoire : (i) un panneau d'étalonnage lambertien; (ii) un site de prairie dans un val de vallée de rivière; et (iii) des mesures en laboratoire d'un échantillon de mousse de Fluxnet-Canada. Il a été possible de conclure que le goniomètre hyperspectral ULGS est capable d'estimer les propriétés de la réflectance directionnelle des couverts structurés non-lambertiens. Comparativement aux autres systèmes de goniomètre, le système ULGS est nettement plus accessible en raison de son faible coût et de sa faisabilité de construction, jumelé à sa portabilité et sa versatilité et ce, sans faire de concessions en termes de qualité et de vitesse d'acquisition de données FDRB.[Traduit par la Rédaction]