L/O/G/O第四章 地表反照率遥感http:/glass.bnu.edu.cn授课人：刘 强 Email：toliuqiangbnu.edu.cn 研究领域：多角度遥感模型与反演1典型陆表及大气参数的遥感反演与模拟典型陆表及大气参数的遥感反演与模拟http:/glass.bnu.edu.cn课程回顾第一章 定量遥感基础 1.1 1.1 物理基础物理基础 电磁波描述参量的定义电磁波描述参量的定义 地物反射的波谱和方向特性地物反射的波谱和方向特性 1.2 1.2 辐射传输理论辐射传输理论 典型地表的二向反射模型典型地表的二向反射模型 第二章：叶片及植被冠层模型 第三章：热辐射方向性模型2http:/glass.bnu.edu.cn5本章提纲地表反照率的研究意义反照率的计算和决定因素全球反照率产品及其特点地表反照率研究展望124课间休息常见的地表反照率遥感算法33第四章：地表反照率遥感http:/glass.bnu.edu.cn1. 地表反照率的研究意义4http:/glass.bnu.edu.cn1.1 什么是反照率？反照率通常是指物体反射太阳辐射与该 物体表面接收太阳总辐射的两者比率或 分数度量，也就是指反射辐射与入射总 辐射的比值。(维基百科) 5反照率表反照率下行短波辐辐射下行长长波辐辐射地表发发射率地表温度地表能量平衡方程：http:/glass.bnu.edu.cn1.1 什么是反照率？天文学：行星反射率,它包括地面、云和各种大 气成分对太阳辐射的反射能力及其总和 气候学：物体对太阳辐射的反射能力，因光线的 入射角和波长而不同，气候学研究的是太阳辐 射的全波段 遥感科学：宽波段反照率、窄波段反照率、直射 （黑空）反照率、漫射（白空）反照率 单次散射反照率：（辐射传输方程中）微粒对光 线散射的反射部分与反射与吸收之和的比值不同学科中的反照率不同学科中的反照率6http:/glass.bnu.edu.cn1.1 什么是反照率？约有30的太阳辐射能被地-气系统反射回太 空,其中三分之二是云反射的，其余部分则被 地面反射和被各种大气成分所散射而冰和雪的覆盖状况能引起反射率显著变化 。例如，陆地被雪覆盖或洋面结冰时,将使其 反射率增大3040,新雪面更可使反射率增 大60左右。陆面、土壤的性质和植被类型不同,也能使反 射率改变,但这些差异一般不超过1020。反照率是地反照率是地- -气系统的不确定因子气系统的不确定因子7http:/glass.bnu.edu.cn1.2 地表反照率和全球变化全球变化的驱动因子全球变化的驱动因子8地表反照率http:/glass.bnu.edu.cn1.2 地表反照率和全球变化 地表反照率的增加，会导致净辐射的减小，感热通 量和潜热通量减少，进而造成大气辐合上升减弱， 云和降水减少，土壤湿度减小，使得地表反照率增 加，形成一个正反馈过程 冰雪-反射率-温度之间存在“正反馈过程”,即冰雪 的覆盖增大地表的反照率，使地-气系统吸收的辐射 减少,从而降低气温，而降温又将进一步使冰雪面积 扩展，反照率继续增大，造成温度越来越低 极地海冰融化造成反照率的增加，从而更多的吸收 太阳辐射，气温升高，加速海冰的融化地表反照率对气候变化的反馈机制地表反照率对气候变化的反馈机制9http:/glass.bnu.edu.cn1.2 地表反照率和全球变化Snow10April: Uniform white surfaceJuly: Variegated darker surface10http:/glass.bnu.edu.cnData from Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) on NASAs Nimbus 7 satellite and from Special Sensor Microwave Imagers (SSMI) on Defense Meteorological Satellites.Plot credit: Claire Parkinson, et al., J. Geophys. Res., 1999.1.2 地表反照率和全球变化N. Hemisphere Monthly-Average Sea Ice Extent11http:/glass.bnu.edu.cn1.2 地表反照率和全球变化Muir Glacier near Juneau in SE Alaska retreated more than 7 km from 1973 to 1986. By 1986, Burroughs Glacier (A), cut off from its source of ice, was collapsing into a melting ice field.1973198612http:/glass.bnu.edu.cn2. 反照率的计算和决定因素13http:/glass.bnu.edu.cn地物 波谱特性地物的 二向反射大气 辐射传输地表二向反射因子的在角度维和地表二向反射因子的在角度维和 波长维积分的结果。波长维积分的结果。地表宽波 段反照率2.1 地表反照率的计算14http:/glass.bnu.edu.cn2.2 地表的波谱特性和特点典型的植被、土壤、水体、冰雪光谱典型的植被、土壤、水体、冰雪光谱15http:/glass.bnu.edu.cn2.2 地表的波谱特性和特点反照率的波长积分反照率的波长积分 波谱谱反照率地表宽波段反照率是在一定波长 范围内的地表上行辐射通量与下 行辐射通量的比值 16短波反照率：可见光反照率：近红外反照率：http:/glass.bnu.edu.cn2.2 地表的波谱特性和特点1. 大气下行辐射的波谱分布规律2. 地物波谱在不同波段的自相关性p 主成分分析表明连续的地物波谱的绝大部分信息都可以 由少数几个主成分表达 p 经过挑选的若干特征窄波段反射率基本就能反映出整个 波谱曲线的形状，因而能够用于估算宽波段反照率窄波段反照率向宽波段反照率的转换及其原理窄波段反照率向宽波段反照率的转换及其原理转换公式17http:/glass.bnu.edu.cn2.3 地表的二向反射特性地表的二向反射现象和定义地表的二向反射现象和定义它是光线入射方向、反射方向和波长的函数， 是基于微分面元和微分立体角定义的。18http:/glass.bnu.edu.cn2.3 地表的二向反射特性地表的二向反射的基本物理过程地表的二向反射的基本物理过程19http:/glass.bnu.edu.cn2.3 地表的二向反射特性BRDFBRDF的简化替代量的简化替代量BRFBRF（二向反射因子）（二向反射因子）BRF是最接近BRDF的可测量物理量，其定义为 直射光入射条件下，某 一观测 方向上目标反射的辐射亮度与假定该目标被一理想漫反射表面代 替时反射的辐射亮度之间的比值。BRDFBRF20http:/glass.bnu.edu.cn2.3 地表的二向反射特性二向反射的其他图示方法二向反射的其他图示方法(S Sandmeier er al., 1998)在主平面上显示的植被冠 层的二向反射特点遥感中常用的二向反射图示方法还有两种 ：21http:/glass.bnu.edu.cn2.3 地表的二向反射特性反映地表的二向反射的照片反映地表的二向反射的照片Photograph by Photograph by Don DeeringDon Deering22http:/glass.bnu.edu.cn2.3 地表的二向反射特性反映地表的二向反射的照片反映地表的二向反射的照片Photograph by Photograph by Don DeeringDon Deering23http:/glass.bnu.edu.cn2.3 地表的二向反射特性反映地表的二向反射的照片反映地表的二向反射的照片Photograph by Photograph by Don DeeringDon Deering24http:/glass.bnu.edu.cn2.3 地表的二向反射特性 二向反射分布函数 方向-半球反射率（DHR） 漫射半球-半球反射率（BHR_diff） 半球-半球反射率（BHR）窄波段地表反照率和二向反射的关系窄波段地表反照率和二向反射的关系25http:/glass.bnu.edu.cn2.3 地表的二向反射特性黑空、白空还有蓝空反照率黑空、白空还有蓝空反照率黑空反照率蓝空反照率黑空反照率 = 方向-半球反射率（DHR）白空反照率 = 漫射半球-半球反射率（BHR_diff）蓝空反照率（也称 真实反照率，表观反照率） = 半球-半球反射率（BHR）26http:/glass.bnu.edu.cn2.4 大气对地表反照率的影响黑空、白空还有蓝空反照率黑空、白空还有蓝空反照率p 窄波段的黑空反照率与白空反照率由地表BRDF积分得出， 与大气状态无关p 真实反照率（蓝空反照率）近似等于黑空反照率与白空反 照率的加权组合，权重因子为天空散射光占太阳总辐射的 比例p 不同的大气状况和太阳角决定了天空散射光的比例，因此 从一定程度上影响地表的真实反照率27http:/glass.bnu.edu.cn2.4 大气对地表反照率的影响p 晴空的大气层顶反射率与地表反照率之间有确定的函数关 系，气溶胶和水汽是主要变化因子 p 有云的情况下，大气层顶反照率主要受云影响，数值通常 高于晴空反照率大气层顶反照率和地表反照率的关系大气层顶反照率和地表反照率的关系28http:/glass.bnu.edu.cn2.4 大气对地表反照率的影响波谱反照率向宽波段反照率转换的过程波谱反照率向宽波段反照率转换的过程大气下界的太阳辐射是波谱反照率向宽波段反照率转换的权重函数，该参数受到大气状态的影响。29http:/glass.bnu.edu.cn思考题30http:/glass.bnu.edu.cn3. 常见的地表反照率反演算法31http:/glass.bnu.edu.cn3. 常见的地表反照率反演算法反照率遥感反演算法的分类反照率遥感反演算法的分类按照传感器分类 p 极轨卫星： MODIS、MISR、MERIS、CERES、 POLDER、VEGETATION、NPP-VIIRS p 静止卫星： MSG、GOESR-ABI p 高分辨率卫星：TM、ETM、HJ-CCD按照算法原理和流程分类 p 基于BRDF模型反演的算法（多角度） p 直接反演算法（单一角度） 地表反射率 大气层顶反射率 p 地表-大气参数联合优化算法（多时相）32http:/glass.bnu.edu.cn3.1 基于朗伯假定的反照率算法主要关注问题：窄波段反射率向宽波段反照率转换的系数适用范围：通常是高分辨率数据适用范围：通常是高分辨率数据高分辨率遥感数据的定标与大气校正忽略问题：地表的二向反射特性忽略的原因：高分辨率图像一般只有一个观测角度往往是接近垂直观测的，角度变化小地表异质性和波谱特性是决定地表反照率的最主要因素33http:/glass.bnu.edu.cn3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法以以AmbralsAmbrals算法为例：算法基本流程算法为例：算法基本流程34http:/glass.bnu.edu.cn3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法 气溶胶参数的获取通常用暗目标法，在高反射地表不适用 水汽参数的获取使用了MODIS水汽通道的特性，精度较高，但是对于其 他传感器就很难达到高精度 云、雪识别问题很多，常常不能识别薄云，难以区分云和雪，难 以处理云的阴影大气校正及其中存在的问题大气校正及其中存在的问题35http:/glass.bnu.ed