BRDF是指物体表面在不同观测和照射角度下光谱反射率的分布函数，它可以反映植被冠层的结构和生理特征，也可以用于校正非垂直观测的遥感数据和模拟冠层反射率的辐射传输模型。然而，目前的田间测角仪存在一些局限性，受到地形、作物高度和传感器视场的影响，无法高效地测量高大植被的BRDF，以及难以实现自动化和精确定位等。因此，本文探索了一种基于大型电缆悬挂的田间植物表型平台（NU-Spidercam）来测量玉米和大豆冠层在选定波段和植被指数（VIs）上的BRDF的可能性。

NU-Spidercam由传感平台、绞盘系统、控制站、地下滴灌系统和现场气象站组成。传感平台由8根细缆线悬挂在空中，可以在0.4公顷的扫描区域内以0-2米/秒的速度在空中移动，最高可达10米。传感平台上安装了光谱仪系统，包括VNIR光谱仪、电子快门、光纤电缆和余弦校正器，光谱仪系统可以测量冠层反射率和太阳辐射，在不同的角度下计算BRDF。在2020年生长季节的15天内收集BRDF数据，包括10个晴天和5个阴天。在每个数据集中，传感平台首先移动到109个预先计算的位置，对准目标区域的中心，并在不同的方位角和天顶角下进行数据采集。

该系统具有以下优势：不会损伤作物，全季节可以进入田间高大冠层，自动测量，精确定位。相关性分析表明，反射率、VIs和绿色像素比例之间存在着很强的相关性。本文在多个日期下定量计算了选定波段和VIs的半球分布反射率。在太阳主平面（SPP）附近的后向散射方向，可见光和近红外（NIR）波段观察到了热点现象。相反，在后向散射方向，在太阳天顶角附近观察到了归一化差异植被指数（NDVI）及其相关VIs的冷点现象。在NIR波段和近红外植被反射率（NIRv）上发现了玉米冠层的行效应。NDVI具有最低的各向异性指数值。该系统可以进一步利用多种传感器来快速生成高时空分辨率的BRDF数据。

图1. NU-Spidercam设施的位置、机载仪器、传感平台和光谱仪系统的示意图。(a) 一张航拍照片，显示了整个NU-Spidercam的场地； (b) 平台下部的机载仪器及其对应的名称；（c）一张悬挂在空中的传感平台照片； (d) 双头光谱仪-光纤系统的示意图，用于测量太阳辐射和冠层反射率。

图2. 从侧面和垂直方向展示了一个完整数据集的所有测量位置的数据采集情况的示意图。图(a)显示了数据采集是针对一个6行作物地块，在7个传感器天顶角(θs)下进行的。不同样式和颜色的虚线表示传感器的视场是面向地块中心(用红色星号标记)。图(b)显示了109个测量点在不同的传感器方位角(φs)下的分布，覆盖了360°，间隔为10°。太阳主平面(SPP)也用太阳方位角 (φi) 标记了。SPP上的θs的正负值(用红色字体)分别表示前向散射和后向散射。

图3. 2020年生长季中，玉米(a)和大豆(b)冠层在所有传感器角度和日期下的相关性分析结果。两种作物包含了1604个样本。

图4. 2020年生长季中，选定日期下玉米和大豆冠层的蓝色波段反射率分布。每个子图的顶部有作物类型和日期信息。近似的太阳位置用红点标记，而角度范围在每个子图的底部 (φi: 太阳方位角; θi:太阳天顶角)

图5. 2020年生长季中，选定日期下玉米和大豆冠层的绿色波段反射率分布。每个子图的顶部有作物类型和日期信息。近似的太阳位置用红点标记，而角度范围在每个子图的底部 (φi: 太阳方位角; θi:太阳天顶角)

图6. 2020年生长季中，选定日期下玉米和大豆冠层的NDVI分布。每个子图的顶部有作物类型和日期信息。近似的太阳位置用红点标记，而角度范围在每个子图的底部 (φi: 太阳方位角; θi:太阳天顶角)

图7. 2020年生长季中，选定日期下玉米和大豆冠层的 RENDVI分布。每个子图的顶部有作物类型和日期信息。近似的太阳位置用红点标记，而角度范围在每个子图的底部 (φi: 太阳方位角; θi:太阳天顶角)

图8. 2020年生长季中，选定日期下玉米和大豆冠层的 PRI分布。每个子图的顶部有作物类型和日期信息。近似的太阳位置用红点标记，而角度范围在每个子图的底部 (φi: 太阳方位角; θi:太阳天顶角