【正文】 L/O/G/O 第四章 地表反照率遙感 授課人：劉 強(qiáng) Email： 研究領(lǐng)域：多角度遙感模型與反演 1 典型陸表及大氣參數(shù)的遙感反演與模擬 課程回顧 ? 第一章 定量遙感基礎(chǔ) – 物理基礎(chǔ) ? 電磁波描述參量的定義 ? 地物反射的波譜和方向特性 – 輻射傳輸理論 ? 典型地表的二向反射模型 ? 第二章：葉片及植被冠層模型 ? 第三章：熱輻射方向性模型 2 5 本章提綱 地表反照率的研究意義 反照率的計(jì)算和決定因素 全球反照率產(chǎn)品及其特點(diǎn) 地表反照率研究展望 1 2 4 《 課間休息 》 常見的地表反照率遙感算法 3 3 第四章：地表反照率遙感 1. 地表反照率的研究意義 4 什么是地表反照率 地表反照率與全球變化 什么是反照率？ 反照率通常是指物體反射太陽輻射與該物體表面接收太陽總輻射的兩者比率或分?jǐn)?shù)度量，也就是指反射輻射與入射總輻射的比值。 (維基百科 ) 5 反照率表 () ( 0 . 2 5 ~ 5 . 0 )()udF mF???? ? ??4( 1 )s l s ln n n d dR R R F F T? ? ? ?? ? ? ? ? ?反照率 下行短波輻射 下行長波輻射 地表發(fā)射率 地表溫度 地表能量平衡方程： 什么是反照率？ 天文學(xué)： 行星反射率 ,它包括地面、云和各種大氣成分對(duì)太陽輻射的反射能力及其總和 氣候?qū)W： 物體對(duì)太陽輻射的反射能力，因光線的入射角和波長而不同，氣候?qū)W研究的是太陽輻射的全波段 遙感科學(xué)： 寬波段反照率、窄波段反照率、直射（黑空）反照率、漫射（白空）反照率 單次散射反照率： （輻射傳輸方程中）微粒對(duì)光線散射的反射部分與反射與吸收之和的比值 不同學(xué)科中的反照率 6 什么是反照率？ ? 約有 30％的太陽輻射能被地 氣系統(tǒng)反射回太空 ,其中三分之二是云反射的，其余部分則被地面反射和被各種大氣成分所散射 ? 而冰和雪的覆蓋狀況能引起反射率顯著變化。例如，陸地被雪覆蓋或洋面結(jié)冰時(shí) ,將使其反射率增大 30～ 40％ ,新雪面更可使反射率增大60％左右。 ? 陸面、土壤的性質(zhì)和植被類型不同 ,也能使反射率改變 ,但這些差異一般不超過 10～ 20％。 反照率是地 氣系統(tǒng)的不確定因子 7 地表反照率和全球變化 全球變化的驅(qū)動(dòng)因子 8 溫室氣體 云和氣溶膠 土地利用 植被狀況 海流 海冰 地表反照率 地表反照率和全球變化 ? 地表反照率的增加，會(huì)導(dǎo)致凈輻射的減小，感熱通量和潛熱通量減少，進(jìn)而造成大氣輻合上升減弱，云和降水減少，土壤濕度減小，使得地表反照率增加，形成一個(gè)正反饋過程 ? 冰雪 反射率 溫度之間存在“正反饋過程” ,即冰雪的覆蓋增大地表的反照率，使地 氣系統(tǒng)吸收的輻射減少 ,從而降低氣溫，而降溫又將進(jìn)一步使冰雪面積擴(kuò)展，反照率繼續(xù)增大，造成溫度越來越低 ? 極地海冰融化造成反照率的增加，從而更多的吸收太陽輻射，氣溫升高，加速海冰的融化 地表反照率對(duì)氣候變化的反饋機(jī)制 9 地表反照率和全球變化 Snow 10 April: Uniform white surface July: Variegated darker surface 10 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. 地表反照率和全球變化 N. Hemisphere MonthlyAverage Sea Ice Extent 11 地表反照率和全球變化 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. 1973 1986 12 2. 反照率的計(jì)算和決定因素 13 地表反照率的計(jì)算 地表的波譜特性和特點(diǎn) 地表的二向反射特性 大氣對(duì)地表反照率的影響 地物 波譜特性 地物的 二向反射 大氣 輻射傳輸 地表二向反射因子的在角度維和波長維積分的結(jié)果。 地表寬波段反照率 2121( , ) ( , )( , )( , )dddFFAd????? ? ? ? ? ???? ? ?? ??2 / 2002 / 200( , 。 2 ) ( , ) s i n co s( , ) s i n co si i i i i i i i ii i i i i i iL d dB H RL d d????? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?????? 地表反照率的計(jì)算 14 地表的波譜特性和特點(diǎn) 典型的植被、土壤、水體、冰雪光譜 15 地表的波譜特性和特點(diǎn) 反照率的波長積分 2121( , ) ( , )( , )( , )dddFFAd????? ? ? ? ? ???? ? ?? ??寬波段反照率 入射輻射 波譜反照率 地表寬波段反照率是在一定波長范圍內(nèi)的地表上行輻射通量與下行輻射通量的比值 16 短波反照率： 可見光反照率： 近紅外反照率： 0 .2 5 ~ 2 .5 m?0 .4 ~ 0 .7 m?0 .7 ~ 2 .5 m? 地表的波譜特性和特點(diǎn) 1. 大氣下行輻射的波譜分布規(guī)律 2. 地物波譜在不同波段的自相關(guān)性 ? 主成分分析表明連續(xù)的地物波譜的絕大部分信息都可以由少數(shù)幾個(gè)主成分表達(dá) ? 經(jīng)過挑選的若干特征窄波段反射率基本就能反映出整個(gè)波譜曲線的形狀，因而能夠用于估算寬波段反照率 窄波段反照率向?qū)挷ǘ畏凑章实霓D(zhuǎn)換及其原理 轉(zhuǎn)換公式 01niiiA c c ???? ?17 地表的二向反射特性 地表的二向反射現(xiàn)象和定義 ZYXθ iθ rd Ω id Ω rd AФ i Ф rO理想光滑表面的反射是鏡面反射，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滿足鏡面反射也不滿足漫反射的條件。 二向反射的概念是指物體表面反射光 線 的能力與入射和反射光 線 的方向有關(guān)，二向性反射分布函數(shù)（ Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF）定義如下（ Nicodemus， 1997）： ( , 。 , 。 )( , 。 , 。 )( , 。 , 。 )r i i r rr i i r ri i i r rdLfdE? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ??它是光線入射方向、反射方向和波長的函數(shù)， 是基于微分面元和微分立體角定義的。 18 地表的二向反射特性 地表的二向反射的基本物理過程 19 地表的二向反射特性 BRDF的簡化替代量 —— BRF（二向反射因子） BRF是最接近 BRDF的可測量物理量，其定義為直射光入射條件下，某一觀測方向上目標(biāo)反射的輻射亮度與假定該目標(biāo)被一理想漫反射表面代替時(shí)反射的輻射亮度之間的比值。 ( , 。 , )( , 。 , )( , )r i i r ri i r r idr i idLB R F RdL? ? ? ?? ? ? ?????BRDF BRF 20 地表的二向反射特性 二向反射的其他圖示方法 (S Sandmeier er al., 1998) 00 . 050 . 10 . 150 . 20 . 250 . 30 . 350 . 40 . 450 . 5 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70HBDF觀測天頂角 (176。 )670 nm860 nmS Z A = 22 176。在主平面上顯示的植被冠層的二向反射特點(diǎn) 遙感中常用的二向反射圖示方法還有兩種： 21 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 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 23 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 地表的二向反射特性 ? 二向反射分布函數(shù) ? 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關(guān)系 ( , 。 , 。 )( , 。 , 。 )( , 。 , 。 )r i i r rr i i r r i i i r rdLfdE? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ??2 / 200( , 。 2 )( , 。 2 ) ( , 。 , ) s i n c o s( , )r i ii i r i i r r r r r ri i idD H R f d dd??? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????? ? ?? ??2 / 200( 2 。 2 )_ ( 2 。 2 ) ( , 。 2 ) s i n c o s( 2 )ri i i i i iidB H R d i f f d dd????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???? ? ?? ??2 / 2002 / 200( , 。 2 ) ( , ) s i n co s( , , 2 。 2 )( , , 2 。 2 )( , , 2 )( , ) s i n co si i i i i i i i ir i iiii i ii i i i i i iL d ddBHRdL d d????? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ??????25 地表的二向反射特性 黑空、白空還有藍(lán)空反照率 黑空反照率 藍(lán)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） 藍(lán)空反照率（也稱 真實(shí)反照率，表觀反照率） = 半球 半球反射率（ BHR） 26 大氣對(duì)