表观反射率

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表观反射率及其在植被遥感中的应用

1 背景

在植被遥感中经常涉及到植被指数，例如，归一化差植被指数(NDVI)。用何种遥感数据计算才能得到较真实的植被指数?对于同一块森林或草地，如何对比和监测它们在不同时期的状况?这些研究均需要定量化的方法。

本文试图对辐射校正中存在的一些容易混淆的概念和术语，进行澄清。特别对植被遥感应用定量化、监测，具有特殊作用的大气层顶表观反射率(简称表观反射率，Apparent reflectance)的定义；长期以来，各种书刊关于辐射校正(Radiometriccorrection)的定义和内容没有统一。辐射定标(Ra—diometric calibration)、辐射校正和大气校正(Atmo—spheric correction)使一些初步参与遥感应用的人员感到困惑。他们不知道三者之间的区别和关系。有的人员将辐射定标与辐射校正等同，有的则认为大气校正是独立于辐射校正的。从光学遥感数据的获取过程，我们知道地物反射的辐射亮度 (Radiance)通过大气层，然后被卫星传感器接收，最后转换为DN值。理想状况下，光学遥感传感器各波段纪录下的辐射通量应该是地物反射的精确测量值。然而，误差(噪声)在遥感数据获取过程中，通过几种途径混杂进来。辐射校正的目的就是消除这些误差(噪声)。它们包括，由传感器本身产生的内部误差和由环境影响——大气和地形影响引起的外部误差。内部误差一般是系统的、可以预测的，通过卫星发射之前的辐射定标(Pre—flight calibration)和运行中的星上辐射定标(On board calibration)、替代(场地)辐射定标(Vicarious calibration)来确定。而外部误差在自然界是变化的、不确定的，非系统误差。一般在内部误差校正(即辐射定标)后，由用户自己来消除这种误差。在平原地区，只进行大气校正即可消除它，而在山区，除大气校正外，有时还要进行地形辐射校正。图1清楚地说明了辐射校正、辐射定标和大气校正等之间的关系。辐射定标的目的是消除传感器本身产生的误差。大气校正则消除大气散射、吸收等引起的误差。对在光学遥感数据获取过程中，产生的一切与辐射有关的误差的校正(包括辐射定标和大气校正)统称辐射校正在遥感监测等具体应用中，大气校正难度较大。有时只能依据遥感影像中的暗色物体(例如湖泊)校正，不能完全消除大气的影响。然而，根据辐射定标，传感器产生的误差则较容易消除。辐射定标的结果是给出一个联系DN值与辐射亮度关系的公式和一些参数。这样根据遥感数据中的DN值和这些参数，就可以计算出相应的进入传感器的辐射亮度值和表观反射率。遥感应用人员特别关注能反映地物性质和特征的反射率，因此，下面主要论述表观反射率。

表面反射率

表面反射率指的是物体表面反射光线的能力，即反射光线与入射光线的比率。一个物体的表面反射率取决于它的光学性质、表面形态和入射光线的能量等因素。通常来讲，光亮表面的反射率较高，而暗色表面的反射率较低。表面反射率对于光学仪器的精度和测量结果的准确性具有重要影响，因此在实验和工程应用中必须对其进行准确的测量和计算。

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表观反射率(反射率反照率)的计算

表观反射率（反射率、反照率）的计算

第一步、分别计算各个波段每个像元的辐射亮度L 值：

L=Gain*DN+Bias

或者

min min min

max min

max )(*L QCAL QCAL QCAL QCAL L L L +---=

式中，QcaL 为某一像元的DN 值，即QCAL=DN 。 QCALmax 为像元可以取的最大值255。QCALmin 为像元可以取的最小值。如果卫星数据来自LPGS(The level 1 product generation system)，则QCAL=1(Landsat-7数据属于此类型)。如果卫星数据来自美国的NLAPS ( National Landsat Archive Production System )，则QCALmin=0 (Ldsat-5的TM 数据属于此类型)。

根据以上情况，对于Landsat-7来说，可以改写为(QCALmin=1)：

min

max )1(*254L DN L L L +--=

对于Landsat-5来说，可以改写为(QCALmin=0)：

min

max *255L DN L L L +-=

表1 Iandsa-7 ETM+各个反射波段的Lmax 和Lmin 值

Table1The values of Lmmax and Lmin for reflecting bands of Landsat-7

表2 Landsat-5 TM 各反射波段的Lmax 和Lmin 值

的陆地、沙漠、冰与雪、水体、海冰、火山等6大类型)和太阳高度角状况来确定采用高增益参数或是低增益参数。一般低增益的动态范围比高增益大1.5倍，因此当地表亮度较大时，用低增益参数;其它情况用高增益参数。在非沙漠和冰面的陆地地表类型中，ETM+的1一3和5,7波段采用高增益参数，4波段在太阳高度角低于45度（天顶角>45度）时也用高增益参数，反之则用低增益参数。详见文献(NASA Landsat Project ScienceOffice , 1998b )。

辐射定标、辐射校正、几何校正的区别

辐射定标、辐射校正、⼏何校正的区别

为了较好地理解这⼏个概念，先介绍⼀下相关的术语 terminology。

DN值（Digital Number ）：遥感影像像元亮度值，记录地物的灰度值。⽆单位，是⼀个整数值，值⼤⼩与传感器的辐射分辨率、地物发射率、⼤⽓透过率和散射率等相关。反映地物的辐射率radiance

地表反射率：地⾯反射辐射量与⼊射辐射量之⽐，表征地⾯对太阳辐射的吸收和反射能⼒。反射率越⼤，地⾯吸收太阳辐射越少；反射率越⼩，地⾯吸收太阳辐射越多，表⽰：surface albedo

表观反射率：表观反射率就是指⼤⽓层顶的反射率,辐射定标的结果之⼀，⼤⽓层顶表观反射率，简称表观反射率，⼜称视反射率。英⽂表⽰为：apparent reflectance

4、⾏星反射率：从⽂献“⼀种实⽤⼤⽓校正⽅法及其在ＴＭ影像中的应⽤”中看到“卫星所观测的⾏星反射率（未经⼤⽓校正的反射率）”；在“基于地⾯耦合的TM影像的⼤⽓校正-以珠江⼝为例”⼀⽂有“该⽂应⽤1998年的LANDSAT5 TM影像,对原始数据进⾏定标、辐射校正,求得地物的⾏星反射率”。因此⾏星反射率就是表观反射率。英⽂表⽰：planetary albedo，

辐射校正VS. 辐射定标

辐射校正：Radiometric correction ⼀切与辐射相关的误差的校正。

⽬的：消除⼲扰，得到真实反射率的数据。⼲扰主要有：传感器本⾝、⼤⽓、太阳⾼度⾓、地形等。

包括：辐射定标，⼤⽓纠正，地形对辐射的影响

辐射定标：Radiometric calibration 将记录的原始DN值转换为⼤⽓外层表⾯反射率（或称为辐射亮度值）。

表观反射率及其在植被遥感中的应用-中国科学院植物研究所

表观反射率及其在植被遥感中的应用

池宏康周广胜许振柱肖春旺袁文平

(中国科学院植物研究所植被数量，丰态学重点实验窜，北京100093)

摘要由于植被遥感应用定量化和监测等的需求，光学遥感数据的辐射校正更加受到重视。该文论述了辐射校正，辐射定标和大气校正的慨念以及它们之间的区别及关系。特别对辐射定标的结果之一，大气层顶表观反射率．简称表观反射率(Apparent reflectance)的定义、慨念、计算和它在植被遥感中的应用等方面，进行了详细的论述。

关键词表观反射率辐射校正辐射定标大气校正植被遥感

地表反射率,温度,植被指数

地表反射率、温度、植被指数、几何精纠正和Landsat影像

Basic Tools|Band Math，在Band Math对话框中输入公式，公式中的ｂ３和ｂ４分别选取第3和第4波段的地表反射率。然后导出结果。

二、地表温度反演

1、计算辐射亮度。加载htm影像，根据头文件中的数据，得到1、2波段的辐射亮度的计算公式0.067086617777667001*b1+(-0.067086617777667001)和0.037204722719868001*b2+(3.1627953249638470)，步骤同上，得出辐射量度的计算结果。

2、辐射反演。利用公式T=k2/ln(k1/Lλ+1)算地物的辐射反演，其中T为开尔温度；查找参数值：k1=666.09; k2=1282.71;Lλ分别利用步骤1中的波段1和波段2的辐射量度。

3、统计反演后的地物的温度值，并比较其差异。打开反演后的温度影像，右击影像选择ROI Tool，统计各种地物值的最大值，最小值，均值，标准差，将其统计到Excel中，比较其差异。

结果与分析

一、DNVI建模

【地表反射率】

第3波段第4波段【DNVI】

【3、4波段表观反射率和地表反射率的线性关系】

【表观反射率和地表反射率的线性关系数学表达式】

波段关系式波段关系式

1波段y=0.8933*x+0.0473 4波段y=0.9401*x+0.0065

2波段y=0.8801*x+0.0242 5波段y=0.9399*x+0.001

3波段y=0.9161*x+0.0143 7波段y=0.9584*x+0.0004

表观反射率

1大气层等价反射率2表观星上反射率要对图象进行辐射定标计算表观反射率将图象的dn值转化为表观反射率该过程的实现是通过应用以下三个步骤来实现的
表观反射率
概念：（1）大气层等价反射率（2）表观星上反射率
• 要对图象进行辐射定标，计算表观反射率，将图象的DN值转化为表观反射率，该过程的实现是通过应用以下三个步骤来实现的：（1）首先将图象的DN值转化为辐亮度： radiance=gain*DN+offset (1)式（2）然后将图象的辐亮度转化为表观反射率： ρ=π*L*d2/（ESUN*cos（θ）） (2)式
其中ρ为表观反射率，L为表观辐亮度，d为日地距离，ESUN 为太阳平均辐射强度，θ为太阳天顶角。
（3）将以上两个步骤结合得：
ρ=π*（gain*DN+offset）* d2/（ESUN*cos（θ）） (3)式
ENVI中的具体实现：采用简单的波段运算中的具体实现：中的具体实现例如，我们把2002-5-22的一幅ETM图像第3波段的DN值转化为表观反射率。第一步，查找.FST文件（是该图像经过粗纠正后的数据信息说明文件），该图像第3波段的gain和offset，可知： gain＝0.619215662339154，offset＝-5.0000000000000 第二步，查找.FST文件可知 =90-62.7=27.3度，cos（θ）＝0.8886；查找Table 11.4 （Earth-Sun Distance in Astronomical Units）可知 d=1.10109天文单位；查找Table 11.3 （ETM+ Solar Spectral Irradiances）可知ESUN＝1551。第三步，把这些参数的值带入（1）式：L3＝0.619*b3-5.0 代入（3）式：ρ3＝3.1415* (0.619*b3-5.0)*1.10109^2/(1551*0.4602)

表观反射率概念

表观反射率是一个重要的地球科学概念，它在遥感技术、气候模型和地球系统科学中都有广泛的应用。表观反射率是指地表反射太阳辐射的比例，它是地表反射能力的量化指标。

表观反射率的大小受到许多因素的影响，包括地表的物理性质（如地表的颜色、粗糙度和湿度）、太阳的高度角、观测角度和大气条件等。例如，白色或浅色的地表（如雪地和沙漠）的表观反射率通常较高，而黑色或深色的地表（如森林和水体）的表观反射率通常较低。同样，当太阳的高度角较高或观测角度较小时，表观反射率也会较高。

表观反射率的测量通常通过遥感技术来实现。遥感卫星可以在不同的波段（如可见光波段和红外波段）上测量地表的反射辐射，从而计算出表观反射率。这些遥感数据可以用来研究地表的物理性质、地表覆盖类型和地表能量平衡等问题。

表观反射率的研究对于理解和预测地球系统的变化具有重要的意义。例如，通过分析表观反射率的变化，我们可以监测和评估气候变化的影响，如全球变暖和极地冰雪融化等。同时，表观反射率的研究也可以帮助我们更好地管理和保护地球的自然资源，如水资源和森林资源等。

总的来说，表观反射率是一个复杂而重要的地球科学概念，它涉及到地球系统的许多关键过程和问题。通过研究表观反射率，我们可以更深入地理解地球系统的运行机制，更准确地预测地球系统的未来变化，更有效地管理和保护地球的自然资源。

表观反射率(反射率、反照率)的计算(完整资料).doc

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表观反射率（反射率、反照率）的计算

第一步、分别计算各个波段每个像元的辐射亮度L 值：

L=Gain*DN+Bias

或者

min min min

max min max )(*L QCAL QCAL QCAL QCAL L L L +---= 式中，QcaL 为某一像元的DN 值，即QCAL=DN 。 QCALmax 为像元可以取的最大值255。QCALmin 为像元可以取的最小值。如果卫星数据来自LPGS(The level 1 product generation system)，则QCAL=1(Landsat-7数据属于此类型)。如果卫星数据来自美国的NLAPS ( National Landsat Archive Production System )，则QCALmin=0 (Ldsat-5的TM 数据属于此类型)。

根据以上情况，对于Landsat-7来说，可以改写为(QCALmin=1)：

min min max )1(*254L DN L L L +--= 对于Landsat-5来说，可以改写为(QCALmin=0)：

min min max *255L DN L L L +-=

表1 Iandsa-7 ETM+各个反射波段的Lmax 和Lmin 值

Table1The values of Lmmax and Lmin for reflecting bands of Landsat-7 ETM+(W ˙m-2-sr-1˙μm-1)

表2 Landsat-5 TM 各反射波段的Lmax 和Lmin 值

各种反射率

遥感反射率的定义：地物表面反射能量与到达地物表面的入射能量的比值。

遥感表观反射率的定义：地物表面反射能量与近地表太阳入射能量的比值。

大气校正就是将辐射亮度或者表观反射率转换为地表实际反射率，目的是消除大气散射、吸收、反射引起的误差。

1、反射率：是指任何物体表面反射阳光的能力。这种反射能力通常用百分数来表示。比如说某物体的反射率是45%，这意思是说，此物体表面所接受到的太阳辐射中，有45%被反射了出去.英文表示：Reflectance

2、地表反射率：地面反射辐射量与入射辐射量之比，表征地面对太阳辐射的吸收和反射能力。反射率越大，地面吸收太阳辐射越少；反射率越小，地面吸收太阳辐射越多，表示：surface albedo

3、表观反射率：表观反射率就是指大气层顶的反射率,辐射定标的结果之一，大气层顶表观反射率，简称表观反射率，又称视反射率。英文表示为：apparent reflectance（=地表反射率+大气反射率。所以需要大气校正为地表反射率）。“5S”和“6S”模型输入的是表观反射率而MODTRAN模型要求输入的是辐射亮度。

4、行星反射率：从文献“一种实用大气校正方法及其在ＴＭ影像中的应用”中看到“卫星所观测的行星反射率（未经大气校正的反射率）”；在“基于地面耦合的TM影像的大气校正-以珠江口为例”一文有“该文应用1998年的LANDSAT5 TM影像,对原始数据进行定标、辐射校正,求得地物的行星反射率”。因此行星反射率就是表观反射率。英文表示：planetary albedo

5、反照率：反照率是指地表在太阳辐射的影响下，反射辐射通量与入射辐射通量的比值。它是反演很多地表参数的重要变量，反映了地表对太阳辐射的吸收能力。英文表示：albedo 它与反射率的概念是有区别的：反射率（reflectance)是指某一波段向一定方向的反射，因而反照率是反射率在所有方向上的积分；反射率是波长的函数，不同波长反射率不一样，反照率是对全波长而言的。反照率的定义是地物全波段的反射比,反射率为各个波段的反射系数。因此,反照率为地物波长从0 到∞的反射比。

计算反射率——精选推荐

像元的亮度值代表地面的光谱反射率的相对大小。注意利用头文件资源，

利用头文件中记录的辐射校正参数，用户可方便地计算出地物在大气顶部的辐射亮度或反射率。计算式如下：

L = gain * DN + bias

r = πL ds2 / (E0 cosq)

其中：L是地物在大气顶部的辐射亮度，DN是象元值，gain和bias可从头文件中得到，r 是地物反射率，ds是日地天文单位距离，E0太阳辐照度，q是太阳天顶角。

另：

对热红外波段(6L和6H)，可用下列公式计算地物的传感器温度(K。)：

T=K2/(ln((K1+K6)/K6))

其中：L6是由上式给出的地物在大气顶部的辐射亮度，K1和K2是计算常数，分别为K1 = 666.093 W/m2 . ster .μm，K2 = 1282.7108 K。。

卫星遥感中可见光波段常出现以下几个概念

3、表观反射率：表观反射率就是指大气层顶的反射率,辐射定标的结果之一，大气层顶表观反射率，简称表观反射率，又称视反射率。英文表示为：apparent reflectance

关于遥感术语中的几个概念

1、辐亮度，描述的是单位立体角和单位面积上的能量，通常DN与辐亮度是线性相关的，并且大多数遥感数据提供者都为用户提供转换系数。

2、辐照度，是辐亮度在半球空间上总的立体角的积分，通常被叫做辐射通量密度或简称为通量。

3、反射率，从物体表面反射的光谱辐亮度与入射到表面的光谱辐照度之比。理想状态下，如果经过大气校正，最好用地表反射率作为计算植被指数的变量。不难理解，反射率明显依赖于太阳入射方向和传感器观测方向，通常被表示为二向反射率因子。

4、反射率：是指任何物体表面反射阳光的能力。这种反射能力通常用百分数来表示。比如说某物体的反射率是45%，这意思是说，此物体表面所接受到的太阳辐射中，有45%被反射了出去.英文表示：Reflectance

5、地表反射率：地面反射辐射量与入射辐射量之比，表征地面对太阳辐射的吸收和反射能力。反射率越大，地面吸收太阳辐射越少；反射率越小，地面吸收太阳辐射越多，表示：surface albedo

6、表观反射率：表观反射率就是指大气层顶的反射率,辐射定标的结果之一，大气层顶表观反射率，简称表观反射率，又称视反射率。英文表示为：apparent reflectance（个人理解，表观反照率就是地物反射率，加上大气向上传输的一些贡献，=地物+大气。所以需要大气校正为地表反射率）

7、行星反射率：从文献“一种实用大气校正方法及其在ＴＭ影像中的应用”中看到“卫星所观测的行星反射率（未经大气校正的反射率）”；在“基于地面耦合的TM影像的大气校正-以珠江口为例”一文有“该文应用1998年的LANDSAT5 TM 影像,对原始数据进行定标、辐射校正,求得地物的行星反射率”。因此行星反射率就是表观反射率。英文表示：planetary albedo

表观反射率[反射率、反照率]的计算

表观反射率（反射率、反照率）的计算

第一步、分别计算各个波段每个像元的辐射亮度L 值：

L=Gain*DN+Bias

或者

min min min

max min

max )(*L QCAL QCAL QCAL QCAL L L L +---=

根据以上情况，对于Landsat-7来说，可以改写为(QCALmin=1)：

min

max )1(*254L DN L L L +--=

对于Landsat-5来说，可以改写为(QCALmin=0)：

min

max *255L DN L L L +-=

表1 Iandsa-7 ETM+各个反射波段的Lmax 和Lmin 值

Table1The values of Lmmax and Lmin for reflecting bands of Landsat-7

ETM+(W ˙m-2-sr-1˙μm-1) 波段 Band 2000年7月1日之前 2000年7月1日之后

低Gain 高Gain 低Gain

表观反射率[反射率、反照率]的计算

表观反射率（反射率、反照率）的计算

第一步、分别计算各个波段每个像元的辐射亮度L 值：

L=Gain*DN+Bias

或者

min min min

max min

max )(*L QCAL QCAL QCAL QCAL L L L +---=

根据以上情况，对于Landsat-7来说，可以改写为(QCALmin=1)：

min

max )1(*254L DN L L L +--=

对于Landsat-5来说，可以改写为(QCALmin=0)：

min

max *255L DN L L L +-=

表1 Iandsa-7 ETM+各个反射波段的Lmax 和Lmin 值

Table1The values of Lmmax and Lmin for reflecting bands of Landsat-7

ETM+(W ˙m-2-sr-1˙μm-1) 波段 Band 2000年7月1日之前 2000年7月1日之后

低Gain 高Gain 低Gain

表观反射率(反射率、反照率)的计算

表观反射率（反射率、反照率）的计算

第一步、分别计算各个波段每个像元的辐射亮度L 值：

L=Gain*DN+Bias

或者

min min min

max min

max )(*L QCAL QCAL QCAL QCAL L L L +---=

根据以上情况，对于Landsat-7来说，可以改写为(QCALmin=1)：

min

max )1(*254L DN L L L +--=

对于Landsat-5来说，可以改写为(QCALmin=0)：

min

max *255L DN L L L +-=

表1 Iandsa-7 ETM+各个反射波段的Lmax 和Lmin 值

Table1The values of Lmmax and Lmin for reflecting bands of Landsat-7

表2 Landsat-5 TM 各反射波段的Lmax 和Lmin 值

可见光反射率测试

介绍

可见光反射率测试是一种用来测量物体表面对可见光的反射能力的方法。可见光反射率是指物体表面反射出的可见光所占的比例，通常以百分比表示。这个测试可以帮助我们了解物体的表面性质，如光亮、颜色和透明度等，从而在很多领域中得到广泛应用。

测试原理

可见光反射率测试是通过测量物体对可见光的反射和吸收来进行的。当光线照射到物体表面时，一部分光被物体吸收，一部分光被物体反射。测试仪器会测量反射出的光线的强度，并将其与入射光线的强度进行比较，从而计算出反射率。

测试步骤

下面是一般的可见光反射率测试步骤：

1.准备测试样品：选择待测物体，并将其表面清洁干净，以保证测试结果准确

可靠。

2.设置仪器参数：根据测试要求和样品特性，设置合适的测试参数，如光源强

度、入射角度和测试波长等。

3.定位样品：将样品放置在测试仪器上，并确保样品与光源和探测器之间没有

遮挡物。

4.测量反射光强度：启动测试仪器，将光线照射到样品表面，并测量出反射光

的强度。

5.测量入射光强度：在没有样品的情况下，测量出光源发出的光线的强度。

6.计算反射率：根据测量到的反射光强度和入射光强度，计算出样品的反射率。

应用领域

可见光反射率测试在各个领域都有广泛的应用，例如：

1. 材料科学

在材料科学领域，可见光反射率测试可以帮助研究人员评估材料的光学性能。通过测试不同材料的反射率，可以确定其在可见光谱范围内的透明度和反射率，从而指导材料的选择和设计。

2. 纺织品

在纺织品行业，可见光反射率测试可以用于测量织物的颜色和光亮度。这对于纺织品的生产和质量控制非常重要，因为颜色和光亮度是决定消费者购买决策的重要因素之一。