遥感反演课程_第四节_反照率
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
d r (2 ; 2 ) BHR _ diff (2 ; 2 ) d i (2 )
2 /2
( , ; 2 ) sin cos d d
i i i i i 0 0
i i i i i i i 0 0
i
半球-半球反射率（BHR）
d r (i , i , 2 ;2 ) BHR (i , i , 2 ;2 ) d i (i , i , 2 )
典型陆表及大气参数的遥感反演与模拟
L/O/G/O
第四章
地表反照率遥感
授课人：刘 强
Email：toliuqiang@bnu.edu.cn 研究领域：多角度遥感模型与反演
http://glass.bnu.edu.cn 1
课程回顾
• 第一章 定量遥感基础
– 1.1 物理基础
• • 电磁波描述参量的定义 地物反射的波谱和方向特性
方向-半球反射率（DHR）
d r (i , i ;2 ) DHR (i , i ;2 ) d i (i , i )
2 /2
0 0
f r (i , i ; r , r )sin r cos r d r dr
漫射半球-半球反射率（BHR_diff）
常见的地表反照率遥感算法 全球反照率产品及其特点 地表反照率研究展望
3
1. 地表反照率的研究意义
1.1 什么是地表反照率
1.2 地表反照率与全球变化
http://glass.bnu.edu.cn
4
1.1 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)
http://glass.bnu.edu.cn
6
1.1 什么是反照率？
反照率是地-气系统的不确定因子
• 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30～40％,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10～20％。
5
1.1 什么是反照率？
不同学科中的反照率
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
0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 670nm
SZA=22°
860nm
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 观测天顶角(°)
在主平面上显示的植被冠 层的二向反射特点
(S Sandmeier er al., 1998)
http://glass.bnu.edu.cn
2 /2
( , ;2 ) L ( , )sin cos d d
i 2 /2
i
L ( , )sin cos d d
i i i i i i 0 0
i
25
2.3 地表的二向反射特性
黑空、白空还有蓝空反照率
反照率的波长积分
波谱反照率 短波反照率：
0.25 ~ 2.5m
可见光反照率：
A( , )
2
1
( , ) Fd ( , )d
2
1
0.4 ~ 0.7m
近红外反照率：
Fd ( , )d
0.7 ~ 2.5m
宽波段反照率
入射辐射
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
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）
黑空反照率
蓝空反照率
http://glass.bnu.edu.cn
26
2.4 大气对地表反照率的影响
黑空、白空还有蓝空反照率
http://glass.bnu.edu.cn
12
2. 反照率的计算和决定因素
2.1 地表反照率的计算 2.2 地表的波谱特性和特点
2.3 地表的二向反射特性
2.4 大气对地表反照率的影响
http://glass.bnu.edu.cn
13
2.1
地表反照率的计算
地物 波谱特性 地物的 二向反射 大气 辐射传输
Fu ( ) Fd ( ) (0.25 ~ 5.0 m)
反照率表
地表能量平衡方程：
Rn R R (1 ) F F T
s n l n s d l d
反照率
http://glass.bnu.edu.cn
4
下行短波辐射 下行长波辐射
地表发射率
地表温度
– 1.2 辐射传输理论
• 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
http://glass.bnu.edu.cn
2
本章提纲
第四章：地表反照率遥感
1 地表反照率的研究意义 反照率的计算和决定因素
《课间休息》
2
3 4 5
http://glass.bnu.edu.cn
http://glass.bnu.edu.cn
11
1.2 地表反照率和全球变化
1973 1986
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.
dLr (i , i ; r , r ) BRF R(i , i ; r , r ) dLid r (i , i )
BRDF BRF
http://glass.bnu.edu.cn
20
2.3 地表的二向反射特性
二向反射的其他图示方法
遥感中常用的二向反射图示方法还有两种：
HBDF
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
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
http://glass.bnu.edu.cn
17
2.3 地表的二向反射特性
地表的二向反射现象和定义
理想光滑表面的反射是镜面反射，理想粗糙表面的反射是漫反射（朗伯 反射），而自然地表往往既不满足镜面反射也不满足漫反射的条件。 二向反射的概念是指物体表面反射光线的能力与入射和反射光线的方向 有关，二向性反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF）定义如下（Nicodemus，1997）：
L ( , )sin cos d d
i i i i i i 0 0
i
2
1
Fd ( , )d
14
http://glass.bnu.edu.cn
2.2 地表的波谱特性和特点
典型的植被、土壤、水体、冰雪光谱
http://glass.bnu.edu.cn
15
2.2 地表的波谱特性和特点
Z
dLr (i , i ; r , r ; ) f r (i , i ; r , r ; ) dEi (i , i ; r , r ; )
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。
X
dΩi
θi dΩr θr
dA
O
Y
Фi
Фr
http://glass.bnu.edu.cn
http://glass.bnu.edu.cn
16
2.2 地表的波谱特性和特点
窄波段反照率向宽波段反照率的转换及其原理 转换公式
A c0 ci i
i 1 n
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
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 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
18
2.3 地表的二向反射特性
地表的二向反射的基本物理过程
http://glass.bnu.edu.cn
19
2.3 地表的二向反射特性
BRDF的简化替代量——BRF（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。
地表宽波பைடு நூலகம்段反照率
2 /2
地表二向反射因子的在角度维和 波长维积分的结果。
0 0
(i , i ;2 ) Li (i , i )sin i cos i di di
2 /2
BHR
A( , )
2
1
( , ) Fd ( , )d
23
http://glass.bnu.edu.cn
2.3 地表的二向反射特性
反映地表的二向反射的照片
Photograph by Don Deering
24
http://glass.bnu.edu.cn
2.3 地表的二向反射特性
窄波段地表反照率和二向反射的关系
二向反射分布函数
f r (i , i ; r , r ; ) dLr (i , i ; r , r ; ) dEi (i , i ; r , r ; )
http://glass.bnu.edu.cn
9
1.2 地表反照率和全球变化
July: Variegated darker surface
April: Uniform white surface
Snow
http://glass.bnu.edu.cn
10 10
1.2 地表反照率和全球变化
N. Hemisphere Monthly-Average Sea Ice Extent
http://glass.bnu.edu.cn
21
2.3 地表的二向反射特性
反映地表的二向反射的照片
Photograph by Don Deering
22
http://glass.bnu.edu.cn
2.3 地表的二向反射特性
反映地表的二向反射的照片
Photograph by Don Deering
http://glass.bnu.edu.cn
7
1.2 地表反照率和全球变化
全球变化的驱动因子
温室气体
云和气溶胶
土地利用 海流
植被状况
地表反照率
http://glass.bnu.edu.cn
海冰
8
1.2 地表反照率和全球变化
地表反照率对气候变化的反馈机制
• 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
Data from Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) on NASA’s Nimbus 7 satellite and from Special Sensor Microwave Imagers (SSMI) on Defense Meteorological Satellites. Plot credit: Claire Parkinson, et al., J. Geophys. Res., 1999.
2 /2
( , ; 2 ) sin cos d d
i i i i i 0 0
i i i i i i i 0 0
i
半球-半球反射率（BHR）
d r (i , i , 2 ;2 ) BHR (i , i , 2 ;2 ) d i (i , i , 2 )
典型陆表及大气参数的遥感反演与模拟
L/O/G/O
第四章
地表反照率遥感
授课人：刘 强
Email：toliuqiang@bnu.edu.cn 研究领域：多角度遥感模型与反演
http://glass.bnu.edu.cn 1
课程回顾
• 第一章 定量遥感基础
– 1.1 物理基础
• • 电磁波描述参量的定义 地物反射的波谱和方向特性
方向-半球反射率（DHR）
d r (i , i ;2 ) DHR (i , i ;2 ) d i (i , i )
2 /2
0 0
f r (i , i ; r , r )sin r cos r d r dr
漫射半球-半球反射率（BHR_diff）
常见的地表反照率遥感算法 全球反照率产品及其特点 地表反照率研究展望
3
1. 地表反照率的研究意义
1.1 什么是地表反照率
1.2 地表反照率与全球变化
http://glass.bnu.edu.cn
4
1.1 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)
http://glass.bnu.edu.cn
6
1.1 什么是反照率？
反照率是地-气系统的不确定因子
• 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30～40％,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10～20％。
5
1.1 什么是反照率？
不同学科中的反照率
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
0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 670nm
SZA=22°
860nm
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 观测天顶角(°)
在主平面上显示的植被冠 层的二向反射特点
(S Sandmeier er al., 1998)
http://glass.bnu.edu.cn
2 /2
( , ;2 ) L ( , )sin cos d d
i 2 /2
i
L ( , )sin cos d d
i i i i i i 0 0
i
25
2.3 地表的二向反射特性
黑空、白空还有蓝空反照率
反照率的波长积分
波谱反照率 短波反照率：
0.25 ~ 2.5m
可见光反照率：
A( , )
2
1
( , ) Fd ( , )d
2
1
0.4 ~ 0.7m
近红外反照率：
Fd ( , )d
0.7 ~ 2.5m
宽波段反照率
入射辐射
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
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）
黑空反照率
蓝空反照率
http://glass.bnu.edu.cn
26
2.4 大气对地表反照率的影响
黑空、白空还有蓝空反照率
http://glass.bnu.edu.cn
12
2. 反照率的计算和决定因素
2.1 地表反照率的计算 2.2 地表的波谱特性和特点
2.3 地表的二向反射特性
2.4 大气对地表反照率的影响
http://glass.bnu.edu.cn
13
2.1
地表反照率的计算
地物 波谱特性 地物的 二向反射 大气 辐射传输
Fu ( ) Fd ( ) (0.25 ~ 5.0 m)
反照率表
地表能量平衡方程：
Rn R R (1 ) F F T
s n l n s d l d
反照率
http://glass.bnu.edu.cn
4
下行短波辐射 下行长波辐射
地表发射率
地表温度
– 1.2 辐射传输理论
• 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
http://glass.bnu.edu.cn
2
本章提纲
第四章：地表反照率遥感
1 地表反照率的研究意义 反照率的计算和决定因素
《课间休息》
2
3 4 5
http://glass.bnu.edu.cn
http://glass.bnu.edu.cn
11
1.2 地表反照率和全球变化
1973 1986
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.
dLr (i , i ; r , r ) BRF R(i , i ; r , r ) dLid r (i , i )
BRDF BRF
http://glass.bnu.edu.cn
20
2.3 地表的二向反射特性
二向反射的其他图示方法
遥感中常用的二向反射图示方法还有两种：
HBDF
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
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
http://glass.bnu.edu.cn
17
2.3 地表的二向反射特性
地表的二向反射现象和定义
理想光滑表面的反射是镜面反射，理想粗糙表面的反射是漫反射（朗伯 反射），而自然地表往往既不满足镜面反射也不满足漫反射的条件。 二向反射的概念是指物体表面反射光线的能力与入射和反射光线的方向 有关，二向性反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF）定义如下（Nicodemus，1997）：
L ( , )sin cos d d
i i i i i i 0 0
i
2
1
Fd ( , )d
14
http://glass.bnu.edu.cn
2.2 地表的波谱特性和特点
典型的植被、土壤、水体、冰雪光谱
http://glass.bnu.edu.cn
15
2.2 地表的波谱特性和特点
Z
dLr (i , i ; r , r ; ) f r (i , i ; r , r ; ) dEi (i , i ; r , r ; )
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。
X
dΩi
θi dΩr θr
dA
O
Y
Фi
Фr
http://glass.bnu.edu.cn
http://glass.bnu.edu.cn
16
2.2 地表的波谱特性和特点
窄波段反照率向宽波段反照率的转换及其原理 转换公式
A c0 ci i
i 1 n
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
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 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
18
2.3 地表的二向反射特性
地表的二向反射的基本物理过程
http://glass.bnu.edu.cn
19
2.3 地表的二向反射特性
BRDF的简化替代量——BRF（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。
地表宽波பைடு நூலகம்段反照率
2 /2
地表二向反射因子的在角度维和 波长维积分的结果。
0 0
(i , i ;2 ) Li (i , i )sin i cos i di di
2 /2
BHR
A( , )
2
1
( , ) Fd ( , )d
23
http://glass.bnu.edu.cn
2.3 地表的二向反射特性
反映地表的二向反射的照片
Photograph by Don Deering
24
http://glass.bnu.edu.cn
2.3 地表的二向反射特性
窄波段地表反照率和二向反射的关系
二向反射分布函数
f r (i , i ; r , r ; ) dLr (i , i ; r , r ; ) dEi (i , i ; r , r ; )
http://glass.bnu.edu.cn
9
1.2 地表反照率和全球变化
July: Variegated darker surface
April: Uniform white surface
Snow
http://glass.bnu.edu.cn
10 10
1.2 地表反照率和全球变化
N. Hemisphere Monthly-Average Sea Ice Extent
http://glass.bnu.edu.cn
21
2.3 地表的二向反射特性
反映地表的二向反射的照片
Photograph by Don Deering
22
http://glass.bnu.edu.cn
2.3 地表的二向反射特性
反映地表的二向反射的照片
Photograph by Don Deering
http://glass.bnu.edu.cn
7
1.2 地表反照率和全球变化
全球变化的驱动因子
温室气体
云和气溶胶
土地利用 海流
植被状况
地表反照率
http://glass.bnu.edu.cn
海冰
8
1.2 地表反照率和全球变化
地表反照率对气候变化的反馈机制
• 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
Data from Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) on NASA’s Nimbus 7 satellite and from Special Sensor Microwave Imagers (SSMI) on Defense Meteorological Satellites. Plot credit: Claire Parkinson, et al., J. Geophys. Res., 1999.