Mittels der bidirektionalen Reflektanzverteilungsfunktion (BRDF) können z. B.

Rückschlüsse auf den Gesundheitszustand von Waldgebieten und anderen Bodenflächen gezogen oder andere klimarelevante Aerosolparameter abgelei- tet werden.

Die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion ist abhängig von der Wellen- lange des untersuchten Lichts und der Strahidichten der einfallenden unreflek- tierten Strahlung. Diese wiederum sind abhängig von Azimut-und Zenitwinkel des Sonnenstandes bzw. dem Beobachtungsazimut-und dem Beobachtungs- zenitwinkel. Der Ausdruck bidirektional weist also darauf hin, daß die Funktion nicht nur von Zenit und Azimut des Beobachtungspunktes, sondern auch von Zenit und Azimut der Lichtquelle (Sonne) abhängig ist.

Zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilungsfunktion werden Da- ten von Satelliten (Z. B. NOAA 6/7) genutzt oder Messungen mit Spektro-bzw.

Radiometern vorgenommen. Ein solches Spektralphotometer ist z. B. aus dem Prospekt"SP1A"der Firma Dr. Schulz & Partner bekannt, mittels dessen die Globalstrahlung gemessen wird. Dabei wird das Spektralphotometer an einer Drehvorrichtung befestigt, die das Schwenken des Spektralphotometers um zwei Achsen in alle Richtungen erlaubt. Um aus der gemessenen Strahldichte den Reflektanzfaktor zu ermitteln, wird meistens die Strahldichte über einer Referenzfläche ("Weißscheibe") bestimmt. Dies ist vorzugsweise eine Spek- tralonplatte mit einem genau definierten Reflexionsvermögen, daß unabhängig von der Richtung der ein-und ausfallenden Strahlung sein soll. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist deren mangelnde Auflösung. Bei Messung in einer Filterstellung und Schrittweiten von 1° in Azimut-und Zenitrichtung benö- tigt die Vorrichtung 18 Stunden Zeit für eine Messung, da alle zwei Sekunden

gefahren und gemessen werden kann. Bei einer Schrittweite von 5° in Azimut- und Zenitrichtung kann alle drei Sekunden eine Messung durchgeführt werden.

Damit dauert die Meßreihe eine Stunde und fünf Minuten. Da die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion vom Azimut-und Zenitwinkel des Sonnenstandes abhängig ist, muß die Vermessung sehr zügig durchgeführt werden, um einen nahezu konstanten Sonnenstand sicherzustellen. Um dies bei der Vermessung des gesamten Halbraumes zu gewährleisten, muß bei dem bekannten Verfah- ren entweder der Offnungswinkel (Field of View) und/oder die Schrittweite für die Azimut-und Zenitwinkel relativ groß gewähit werden. In der Regel benutzt man einen Offnungswinkel und eine Schrittweite von 5° bis 15° und mißt dann in entsprechend vielen Einstellungen, die teilweise manuell vorgenommen wer- den, den gesamten unteren Halbraum. Im Ergebnis liegt eine bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion mit einer Auflösung von 5° bis zu 15° Winkel- schrittweite vor. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung ist die man- gelnde Genauigkeit der ermittelten Referenz, da die Konstanz des Reflexions- vermögens nicht vollständig gewährleistet ist, sowohl an den verschiedenen Punkten der Spektralonplatte als auch bezogen auf die Abhängigkeit von der Blickrichtung.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilung zu schaffen, mit der eine verbesserte Auflösung der bidirektionalen Reflektanzver- teilungsfunktion erreichbar ist.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Pa- tentansprüche 1 und 4. Durch die Ausgestaltung der optischen Detektorein- richtung als CCD-Zeilen-Kamera kann jeweils simultan, entsprechend dem Offnungswinkel der Kamera, ein Segment der abzutastenden Oberfläche aus- gemessen werden und eine horizontale Verstellung der Detektoreinrichtung zur Erfassung einzelner Meßpunkte ist entbehrlich. Dadurch kann die Ausmessung der Oberfläche um den Faktor 2000 schneller erfolgen, so daß die Fehler auf- grund einer Sonnenstandsänderung vernachlässigbar sind. Die Zeitdauer für eine Meßreihe einschließlich Polarisationsmessung beträgt ca. 65 Sekunden

bei einer Auflösung von bis zu 0,5°. Solche weitwinkligen CCD-Zeilen-Kameras sind seit langem aus der Luft-und Raumfahrttechnik bekannt. Eine beispielhaf- te Beschreibung einer derartigen Kamera ist dem Fachartikel"Weitwinkel-Ste- reokamera WAOSS-Konzept und Arbeitsweise, Sandau et al. ; bild & ton, 9/10, 1992, S. 224 ff. entnehmbar, auf den hier bezüglich der Ausbildung der Kamera ausdrücklich Bezug genommen wird. Das Verfahren geht davon aus, daß nach Neigung der CCD-Kamera um 90°-0, 5 IFOV die Pixel der CCD-Zeilen als Ze- nitwinkel interpretiert werden können, die Messung bei unterschiedlichen Azi- mutwinkeln aber durch Rotation der geneigten Kamera um eine vertikale Achse realisiert werden kann, so daß eine parallaktische Montierung von Azimut-und Zenitdistanz wie beim Stand der Technik entbehrlich ist. Darüber hinaus entfällt das Erfordernis einer Weißscheibe, die im Stand der Technik aufgrund der nicht exakt lambertschen Eigenschaften eine weitere Fehlerquelle darstellt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un- teransprüchen.

Zur Erfassung und Unterdrückung der durch die Eigenpolarisation der CCD- Zeilen-Kamera verursachten Meßfehler kann mindestens eine weitere Refe- renzmessung durchgeführt werden, bei der bestimmte Punkte der Oberfläche in einer unterschiedlichen CCD-Zeilen-Position vermessen werden. Da die Ei- genpolarisation der CCD-Zeilen-Kamera bekannt ist, kann mittels der beiden Meßdaten der Meßfehler herausgerechnet werden.

Durch die schnelle Erfassung aller Meßpunkte kann zur Bestimmung der Refe- renz auf eine Spektralonplatte verzichtet werden und die Referenz direkt durch Schwenkung der Drehvorrichtung um 180° um die horizontale Achse und Wie- derholung der Messung in Himmelsrichtung ermittelt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbei- spieles näher erläutert. Die Fig. zeigen : Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung bei Erfassung der Meßdaten,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung bei Erfassung der Referenz und Fig 3 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung bei Erfassung einer weiteren Referenz zur Kompensation der Meßfehler auf- grund der Eigenpolarisation der CCD-Zeilen-Kamera.

Die Vorrichtung zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilung um- faßt eine CCD-Zeilen-Kamera 1 und eine Drehvorrichtung 2, auf der die CCD- Zeilen-Kamera 1 montiert ist. Mittels der Drehvorrichtung 2 ist die CCD-Zeilen- Kamera 1 sowohl um eine vertikale Achse 3 als auch um eine horizontale Ach- se 4 schwenkbar. Bekannte CCD-Zeilen-Kameras weisen meist drei CCD-Zei- len auf, wobei die Zeilenbreite 5184 Pixel umfaßt. Diese Zeilen sind zum Zwek- ke der Stereo-Bildverarbeitung derart angeordnet, daß die mittlere Zeile senk- recht nach unten und diezwei anderen jeweils 25° nach vorn bzw. hinten s- chauen, wobei zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanzverteilung nur die mittlere CCD-Zeile verwendet wird. Zur Unterdrückung von Streulicht kann vor der Kameraoptik ein schlitzförmiger Streulichtschutz angeordnet werden. Zur Erfassung der jeweiligen Strahlungsdichte einer zu untersuchenden Oberfläche 5 wird die CCD-Zeilen-Kamera 1 derart ausgerichtet, daß ein Ende der mitt- leren CCD-Zeile senkrecht auf die Oberflache 5 blickt und dadurch einen imagi- nären Kreismittelpunkt 6 der Oberfläche 5 definiert. Das entgegengesetzte Ende der CCD-Zeile ist somit auf einen Punkt 7 off-nadir gerichtet. Bei einem Offnungswinkel von 80° steht somit die optische Achse der CCD-Zeilen-Kame- ra 1 zur Oberfläche 5 in einem Winkel von 40°. Mittels einer simultanen Auf- nahme wird dabei das gestrichelt dargestellte Segment aufgenommen. An- schließend wird die CCD-Zeilen-Kamera 1 um einen bestimmten Winkel um die vertikale Achse 3 gedreht und ein weiteres Segment aufgenommen. Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis die CCD-Zeilen-Kamera 1 um 360° ge- dreht wurde und somit einen Kreis 8 der Oberfläche 5 vermessen hat. Die schrittweise vertikale Drehung kann dabei entweder manuell oder automatisch mittels einer geeigneten programmierbaren Steuerung erfolgen.

Zur Bestimmung der bidirektionalen Reflektanz muß die erfaßte Strahlungs-

dichte mit einer der einfallenden Strahlung entsprechenden Referenzgröße verglichen werden. Dazu wird gemäß Fig. 2 die CCD-Zeilen-Kamera 1 um die horizontale Achse 4 um 180° gedreht und die einfallende Strahlungsdichte wie- der segmentweise erfaßt. Dadurch ist für jeden Punkt der Oberfläche 5 sowohl die einfallende als auch die reflektierte Strahlungsdichte bekannt, so daß dar- aus die resultierende bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion der Ober- fläche 5 ableitbar ist.

Aufgrund des großen Offnungswinkels und der optischen Bauelemente weist die CCD-Zeilen-Kamera 1 bzw. die Kameraoptik eine gewisse Eigenpolarisa- tion auf. Die Eigenpolarisation der Kameraoptik ist im Bereich der optischen Achse nahezu null und nimmt zu beiden Enden der CCD-Zeile hin zu. Bei den bisher bekannten CCD-Zeilen-Kameras 1 kann die Eigenpolarisation an den Rändern bis zu 20 % betragen. Die Polarisation des einfallenden, von der Erd- oberfläche reflektierten Lichtes kann je nach Untergrund bis zu 30% bei rotem Licht und bis zu 60% bei blauem Licht betragen. Somit kann der mit abnehmen- der Wellenlänge größer werdende Meßfehler allein durch die Polarisation bis zu 6% bzw. 12% betragen. Zur Ermittlung und Unterdrückung dieser Meßfehler aufgrund der Eigenpolarisation der CCD-Zeilen-Kameras 1 kann gemäß Fig. 3 eine weitere Referenzmessung vorgenommen werden. Dazu wird z. B. die CCD-Zeilen-Kamera 1 derart ausgerichtet, daß die optische Achse der CCD- Zeilen-Kamera 1 auf den off-nadir Punkt 7 der ersten Messung gerichtet ist, also den Punkte, wo die größte Eigenpolarisation der CCD-Zeilen-Kamera 1 in der vorangegangenen Messung auftrat. Da im Bereich der optischen Achse die Eigenpolarisation null ist, ist der Meßfehler aufgrund von Polarisation für den off-nadir Punkt 7 bei der Referenzmessung null. Mittels eines Vergleichs zwi- schen den beiden Meßwerten kann somit auf den Polarisationsgrad der von der Oberfläche 5 reflektierten Strahlung zurückgeschlossen werden. Da die Eigen- polarisation und deren Verteilung über die CCD-Zeile eine feste, bestimmbare Gerätegröße ist, kann somit der Meßfehler aufgrund der Polarisation für alle Punkte eines Segmentes und somit der gesamten Oberfläche 5 herausgerech- net werden.