随着高光谱遥感与多角度遥感技术应用的不断扩大和深入,对遥感定量化模型提出了新的要求。在可见光-近红外波段遥感中,无论是地质遥感,还是行星遥感,岩矿二向反射光谱定量模型都起着基础性作用。本文针对当前岩矿光谱模型的研究现状,综合利用分形理论、辐射传输理论与粗糙面散射理论等多种非线性工具实现了岩矿光谱的二向性反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF)精确建模。主要研究内容和结果概括如下：首先,分析比较了Hapke模型、改进的Hapke模型、DISORT模型等3种岩矿粉末辐射传输模型的可靠性、计算复杂程度和计算精度等。运用岩矿辐射传输模型计算了几种矿物反射光谱并与美国地调局矿物光谱库中实测光谱进行了对比,验证评价了辐射传输模型模拟粉末状矿物反射光谱特征的可行性和有效性。其次,针对Mie/Hapke模型研究了模型参数的确定方法,分析了模型中单次散射反照率和单次散射相函数等参数的敏感性。以石英为例,对均匀系中矿物单粒子的非对称因子利用Mie散射理论进行了数值计算,并分析了非对称因子与粒子尺度因子以及光学常数的关系。在此基础上,利用高斯拟合算法建立了反映HG散射相函数中非对称因子与尺度因子和光学常数关系的定量表达式。再次,为建立粗糙表面岩矿光谱模型,本文对岩矿随机粗糙面的模拟进行了研究。通过比较分形粗糙面、高斯随机粗糙面和Hapke模型粗糙面的遮蔽效应,论证了分形粗糙面模拟实际粗糙面的合理性,并给出了分形粗糙面遮蔽函数的经验计算公式。为了考虑岩矿表面形状对光散射的影响,本文建立了一种新的计算粉末状岩矿光谱的BRDF模型。主要步骤包含两部分：首先用fBm分形模拟粉末状岩矿粗糙表面,通过基尔霍夫近似法计算出面散射的BRDF,再利用辐射传输理论计算出岩矿颗粒内部体散射的BRDF,两次计算之和为模型输出的BRDF。与Hapke模型和DISORT模型数值计算结果对比表明,本文提出的模型具有较高的精度。在块状岩矿光谱模型方面,本文采用Weierstrass-Mandelbrot分形函数模拟岩矿粗糙表面,利用基尔霍夫近似法计算出面散射的BRDF。为了验证该模型的正确性,本文将粒子群寻优算法引入光谱模型参数优化中,与文献实验测得的BRDF值进行比较,取得了良好的试验效果。针对粉末状岩矿光谱模型,在模型参数敏感性分析基础上,提出了一种分阶段的反演策略,反演结果表明该算法能提高参数的反演精度。