遥感反演课程-反照率
从NOAA卫星AVHRR资料反演中国区域地表反照率
生成 地 表 反 照率 产 品［ ８ ］ ， 而 迄今 为 至 国内没 有 气象
卫 星的地 表反 照率 产 品 ， 对 于 卫 星遥 感 地 表 反 照率 的研 究近 年来 多为 利用 ＭＯ ＤＩ Ｓ资 料 做 中 国局 部地 区 的短期 地 表 反 照率 计 算 ， 或 直 接 用 ＭＯＤ Ｉ Ｓ产 品 做 中 国区域 地 表反 照率 的特 征 分 析 ， 缺 少 利 用 气象 卫星 系统地 处 理长 时间序 列地 表反 照率数 据 的 先例 。本 文利 用 已有 的 ３个 ＡＶＨＲ Ｒ 地 表 反 照 率 反演模 式 和 ＮＯ ＡＡ ＡＶＨＲＲ １ Ｂ资 料 ， 计算 生成 了
第４ １卷第 ５ 期 ２ ０ １ ３ 年 １ Ｏ月
气 象
科 技
Ｖｏ１ ．４ １， Ｎｏ ．５ ０ｃ ｔ ． ２Ｏ１ ３
Ｍ ＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩ ＣＡ Ｌ ＳＣＩ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
从Ｎ Ｏ Ａ Ａ 卫星 Ａ Ｖ ＨＲ Ｒ资 料 反演 中 国 区 域 地 表 反 照率
吴 晓 郑 照军 。 杨 昌军
（ １中 国气 象局 中 国 遥 感 卫 星 辐 射 测 量 和 定 标 重 点 开 放 实 验 室 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ； ２国 家 卫 星 气 象 中 心 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ）
摘 要 由 Ｎ ０ＡＡ 卫 星 ＡＶＨＲＲ短 波 通 道 １ 、 ２反 射 率 反 演 地 表 反 照 率 需 要 ３个 反 演 模 式 ， 分 别 是 窄 一 宽 波 段 反 射
表 反照 率 是 目前 国 际 上 最 接 近 真 值 的 产 品 。此 外
２ １ 个 中 国地 面气 象 一 级 辐 射 站 的 观 测 测 值 作 对 比 ， 结 果是 ： Ｒ ＭＳ为 ０ ． ０ ５ ３ 、 相 关系数 为 ０ ． ８ ８ 。反 演 模 式 系统 误 差
中高分辨率地表反照率反演算法
中高分辨率地表反照率反演算法毋杰;张虎;刘朋飞【摘要】为了在中高分辨率地表反照率遥感反演算法中体现地表反射各向异性特征,以两景Landsat-8地表反射率数据为例,利用在时空对应的MODISBRDF产品中提取的地表反射各向异性先验知识,反演得到30m空间分辨率的地表反照率产品,并将结果与朗伯假设地表反照率和地面站点实测反照率数据进行比较.结果表明:①基于朗伯假设所得地表反照率与地表实测反照率存在明显差异,这种差异会随太阳天顶角的变化而变化,最大相对差异约为4％;②基于MODIS BRDF产品提取的地表反射各向异性先验知识可以较好地改善地表反照率的反演精度,与地面实测数据具有更好的一致性.【期刊名称】《天津师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】5页(P45-49)【关键词】各向异性特征;地表反照率;先验知识;反演精度;两景Landsat-8数据;MODIS BRDF产品【作者】毋杰;张虎;刘朋飞【作者单位】天津师范大学城市与环境科学学院,天津300387;天津师范大学城市与环境科学学院,天津300387;天津师范大学城市与环境科学学院,天津300387【正文语种】中文【中图分类】P46;TP701地表反照率是研究地表能量收支平衡和全球气候变化的重要参数之一，也是地面对太阳短波辐射反射能力的体现，其定义为地表反射入射的太阳辐射能量与入射太阳辐射能量的比值[1].地球表面对入射太阳辐射的反射是各向异性的，即反射不仅具有方向性，而且这种方向性还依赖于入射和出射的方向而异[2].反照率是方向反射率在入射和出射半球空间的积分，因此由遥感反射率数据精确反演地表反照率需要考虑地表反射的各向异性特征.目前的研究中，通常采用二项性反射函数（BRDF）描述地表反射的各向异性特性，BRDF为来自入射方向的地表辐照度的微增量与其所引起的反射方向的反射辐射亮度增量间的比值[3].精确地由地表反射率数据反演地表BRDF和反照率需要以数量充足且能够描述地表反射各向异性特征的多角度数据为基础[4].目前，低分辨率地表反照率产品多依赖于时间和空间上累积获取的多角度数据[2]，而大部分中高分辨率遥感卫星的重返周期长且一景图像的覆盖能力有限，同时地表经常被云层覆盖，很难在短时间内获得数量充足的多角度数据.中高分辨率遥感可以提供丰富的地表信息，是人类了解地面覆盖情况的有利工具，但一般情况下，这些数据仅有一个靠近天顶方向的观测.为了充分利用中高分辨率遥感数据，提高地表反照率的空间分辨率，通常需要借助于先验知识[5-6].从历史BRDF产品数据集中有效地提取地表反射各向异性先验信息，改善中高分辨率地表反照率的反演精度是目前研究的热点和难点问题之一.Shuai等[7]利用Landsat地表反射率数据和时空对应的MODIS数据，通过对Landsat数据进行分类，并从相应的MODIS纯像元中提取地表反射各向异性先验知识，最终反演了30 m空间分辨率地表反照率产品.Vermote等[8]在2009年提出衡量不同地表类型的BRDF中体散射和几何光学散射强度的参数R和V均与NDVI呈线性关系.基于这一方法，Franch等[9]利用Landsat数据及MODIS CMG数据反演得到了30 m地表反照率产品.中高分辨率地表反照率数据对研究人类活动对地表特征的影响以及全球地表类型和气候变化等具有重要意义.本研究基于Landsat-8提供的单一方向反射率数据，利用由与其时空对应的MODIS BRDF粗分辨率产品提取的地表反射各向异性先验知识，反演30 m空间分辨率地表反照率，并将反演所得结果分别与朗伯假设及地表实测反照率结果进行对比和验证.1.1 核驱动模型核驱动模型用具有一定物理意义的核的线性组合描述地表的二向性反射特征，常用于从多角度观测数据反演地表反照率.核驱动模型将地表的散射特征表示为各向同性散射、体散射和几何光学散射的加权和的形式[10-12]：式（1）中：R为二向反射率；θi为太阳天顶角；θr为观测天顶角；φ为相对方位角；λ为波长；Kvol和Kgeo分别为体散射核和几何光学散射核，均是关于入射角和观测角的函数；fiso、fvol和fgeo均为与波长相关的常系数，分别用以表示各向同散射、体散射和几何光学散射在二向反射率中所作的贡献.核仅与太阳及观测角度有关，与待反演参数无关.核的积分可预先求出，将核的积分以fiso、fvol和fgeo为权重相加，即可求出相应的黑天空反照率αbsa和白天空反照率αwsa[10].将2种反照率以天空直射光和散射光各自所占的比例为权重相加，即可得到真实地表反照率[13]式（2）中：S（θi，τ（λ））为天空散射光所占的比例，是关于气溶胶光学厚度τ、太阳天顶角θi和波长λ的函数.除太阳天顶角较大时，式（2）均可以精确地模拟地表真实反照率.1.2 数据处理陆地卫星Landsat-8地表反射率数据由美国地质调查局提供，数据的空间分辨率为30 m，其大气校正由LEDAPS（Landsat ecosystem disturbance adaptive processing system，LEDAPS）系统实现.两景Landsat数据的分幅号分别为045035和023036，为研究太阳天顶角及不同下垫面对反照率的影响，选用了2015年不同生长季的数据进行研究.所选两景Landsat数据涵盖了地表辐射能量收支观测网（SURFRAD）的2个地面观测站点[7]，站点名分别为DRA（desert rock station，DRA）和GWN（goodwill creek，GWN），2个站点的经度和纬度分别为36.623°N、116.019°W和34.255°N、89.873°W，相应的地表类型分别是裸地和草地.地面观测站点的实测反照率数据被用于验证卫星数据反演结果的精度.MODIS是搭载在两颗极地轨道环境遥感卫星Terra和Aqua上的中分辨率成像光谱仪，传感器可实现每日上、下午分别对同一地点观测一次，其最大观测天顶角可达70°.根据半经验线性核驱动模型拟合16 d观测周期内累积的MODIS多角度观测数据，美国国家航空航天局提供了自2000年以来的全球BRDF/反照率产品（MCD43A1），其时间分辨率为8 d，空间分辨为500 m[2，14].在空间范围内，与所选两景Landsat数据对应的MODIS BRDF产品的分幅号分别为H08V05和H10V05.MODIS BRDF产品在本研究中被用于提取地表反射各向异性先验知识，为了保证时间一致，所选MODIS BRDF产品在时间范围上涵盖了相应Landsat数据的观测日期.将由MODIS BRDF产品提取的地表反射各向异性先验知识应用于Landsat地表反射率反演地表反照率时，首先需要用MRT（MODIS reprojection tool，MRT）工具将MODIS BRDF产品由正弦投影转换为横轴墨卡托（universal transverse mercator，UTM）投影；然后根据Landsat的空间范围对MODIS数据进行裁减；最终基于核驱动模型，利用地表反射各向异性先验知识模拟所得方向反射率与Landsat地表反射率间的关系，反演得到地表反照率.此外，Landsat数据和MODIS数据的空间分辨率存在较大差异，本研究主要探索从粗分辨率的MODIS BRDF产品中快速提取地表反射各向异性先验知识，并将其应用于改善中高分辨率地表照率遥感反演精度的方法，因此暂不考虑地表反射各向异性特征的尺度效应.对于地面站点的实测反照率数据，为了尽可能消除随机噪声的影响，使地面实测数据更有代表性，本研究将卫星过境前后10 min实测数据的均值与通过Landsat卫星数据反演所得结果进行比较.1.3 基于先验BRDF知识的反照率反演算法地表反照率的反演过程中需要考虑地表反射各向异性特征，本研究以核驱动模型为基础，将与研究区对应的MODIS BRDF产品的均值作为地表反射各向异性先验知识，通过Landsat天顶方向反射率数据对其进行调整，最终反演得到30 m空间分辨率的地表反照率[5].Landsat仅具有天顶方向附近的反射率数据，假设Landsat的方向反射率为ρ，基于从MODIS BRDF产品中提取的地表反射各向异性先验知识，根据核驱动模型前向计算与实测反射率ρ具有相同观测几何的模拟反射率数据ρ′.参考根据多角度数据和最小二乘法对地表反射各向异性先验知识进行调整的方法[6]，当仅有一个方向反射率时，调整系数a可以直接根据具有相同观测几何的实测和模拟方向反射率的比值求出[7].地表反射各向异性先验知识（BRDF′）与调整系数a相乘后所得BRDF，BRDF在Landsat反射率数据观测方向上的结果等于ρ，同时BRDF还能够体现整个空间范围内的反射各向异性特征.调整系数a及待反演的BRDF的计算公式为将反演所得地表BRDF在空间范围内进行积分后即可得到相应的地表黑、白天空反照率，再根据直射光与散射光的比例最终确定真实地表反照率.由于遥感卫星的测量在分离的、波段较窄的不连续波长区域内进行，因此通过上述方法所得反照率为窄波段地表反照率，为了描述真实地表反照率，还需要将其向宽波段（0.3～4.0 μm）反照率进行转换.基于Liang等[15]的研究，Landsat-8窄波段反照率向宽波段反照率的转换方程为式（5）中：α为宽波段地表反照率；αi为第i个波段的窄波段地表反照率.基于Landsat地表反射率数据和与其时空对应的MODIS BRDF产品中提取的地表反射各向异性先验知识，反演得到30 m空间分辨率地表反照率，结果如图1和图2所示.其中，图1给出了2015年2月5日和2015年7月15日，分幅号为045035的Landsat数据及由MODIS BRDF产品提取的地表反射各向异性先验知识反演所得地表反照率产品.图2为基于朗伯假设反演所得地表反照率，即将方向反射率直接作为地表反照率.由图1和图2可以看出，中高分辨率地表反照率可以提供更多的地表细部特征，如山谷的沟壑、地形的起伏等.从时间上来看，2月份研究区域内反照率间的相对差异明显大于7月份的相对差异，主要原因有：①2月份的太阳天顶角较大，在山区形成了较大面积的阴影，造成这些区域对应的反照率较小；②随着时间的变化，2月份的部分裸地在7月份被植被覆盖，造成7月份部分区域地表反照率下降.由图1和图2还可以看出，基于地表反射各向异性先验知识反演所得地表反照率与朗伯假设条件下所得地表反照率具有相似的空间分布特征，但由于朗伯假设没有考虑地表反射的各向异性特征，其反演结果明显大于借助于地表反射各向异性先验知识反演所得地表反照率.此外，朗伯假设对反照率的影响与太阳天顶角有关，图1和2中，2月份和7月份的太阳天顶角分别约为56°和25°，当太阳天顶角较大时，朗伯假设的结果明显大于基于地表反射各向异性先验知识反演所得地表反照率.为了验证基于地表反射各向异性先验知识反演所得地表反照率的精度，利用地表实测反照率数据对反演结果作进一步验证.地面站点的观测范围约为90 m，而Landsat数据的空间分辨率为30 m.地面站点的观测范围在空间内对应了Landsat 数据3×3个像元的范围.为保证不同数据空间范围的一致性，将与地面站点对应的Landsat像元附近3×3个像元的反照率均值与地表实测数据进行对比.图3为DRA站点和GWN站点在2015年2月、4月、7月和10月中4个时间点时，基于先验知识反演所得反照率、基于朗伯假设反演所得反照率与地表实测数据间的对比结果.由图3中对比结果可以看出，在DRA站点，根据地表反射各向异性先验知识所得反照率与地面实测反照率一致性较高，而朗伯假设条件下所得反照率要明显大于地表实测反照率，且这一差异随时间不同而有所改变，最大相对差异约为4%.此外，DRA站点附近春、秋季反照率高于夏季反照率，这是因为春、秋季地表没有或少有植被覆盖，而夏季植被增多造成地表反照率变小.GWN站点的地表类型主要为草地，由于植被对太阳辐射的吸收作用，造成同一时间段该站点处地表反照率数据比地表类型为裸地的DRA站点的反照率低.GWN站点反照率对比结果与DRA站点的相似，即朗伯假设的结果明显大于实测数据，与实测数据间的最大相对差异约为4%，而由地表反射各向异性先验知识反演所得地表反照率与地表实测数据一致性较高.为了研究太阳天顶角对反演结果的影响作用，图3还给出了各Landsat数据的观测太阳天顶角大小.由图3可知，当太阳天顶角较大时，基于朗伯假设反演所得地表反照率明显高于地表实测数据，而基于地表反射各向异性先验知识反演所得地表反照率与地表实测数据一致性较高，这与图1和图2所得结论一致.反照率的反演精度与地表反射各向异性特征及反射率的空间分布位置等密切相关，由于在选取地面站点时，通常要求站点周围地物较为均一，导致朗伯假设在这些位置处的影响并不十分显著，但在其他地表反射各向异性较显著的区域，朗伯假设可能会引入更大的误差.而基于地表反射各向异性先验知识的反演方法考虑了地表反射各向异性特征，可以有效改善地表反照率的反演精度，提供更精确的地表反照率产品.地表反射通常是各向异性的，因此在利用遥感数据反演地表反照率时需要考虑地表反射各向异性特征对地表反照率反演的影响作用.中高分辨率地表反照率产品不仅可以提供下垫面主要的空间分布特征，还可以提供丰富的地表细部特征.本研究从MODIS BRDF产品中快速提取地表反射各向异性先验知识，即以MODIS BRDF产品的均值作为地表反射各向异性先验知识，通过Landsat-8地表反射率数据反演30m地表反照率产品，并将反演所得结果与朗伯假设地表反照率及地面站点实测反照率进行对比，结果表明：（1）基于朗伯假设所得地表反照率与地表实测反照率的差异与太阳天顶角的大小及下垫面的反射各向异性特征密切相关，当太阳天顶角较大时，二者的最大相对差异可达4%左右.（2）基于从MODIS BRDF产品提取的地表反射各向异性先验知识反演所得反照率明显优于朗伯假设所得结果，与地面站点实测数据具有较高的一致性.将MODIS BRDF产品的均值作为地表反射各向异性先验知识，能够在一定程度上改善高分辨率地表反照率的反演精度.中高空间分辨率卫星遥感技术在近几年得到快速发展，对现有反照率产品的验证及其反演算法的改进成为近几年研究的热点.本研究反演算法简单高效，为大规模反演地表反照率提供了方法和思路，在未来研究人类活动对地表特征的影响以及全球地表类型和气候变化等方面具有重要意义.在以后的研究中，将深入研究地表各向异性反射特征对地表反照率的影响作用，从历史BRDF产品中快速、精确地提取地表反射各向异性先验知识，从而改善中高分辨率地表反照率的反演精度.【相关文献】[1] DICKINSON R nd surface processes and climate surface albedos and energy balance[J].Advances in Geophysics，1983，25：305-353.[2] SCHAAF C B，GAO F，STRAHLER A H，et al.First operational BRDF，albedo nadir reflectance products from MODIS[J].Remote Sensing of Environment，2002，83（1/2）：135-148.[3] NICODEMUS F E，RICHMOND J C，HSIA J J，et al.Geometrical considerations and nomenclature for reflectance[J].Applied Optics，1977，9：1474-1475.[4]JIN Y F，SCHAAF C B，GAO F，et al.Consistency of MODIS surface bidirectionalreflectance distribution function and albedo retrievals：1. Algorithmperformance[J].Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2003，108：4158.[5]LI X W，GAO F，WANG J D，et al.A priori knowledge accumulation and its application to linear BRDF model inversion[J].Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2001，106：11925-11935.[6]STRUGNELL N C，LUCHT W.An algorithm to infer continental-scale albedo from AVHRR data，land cover class，and field observations of typical BRDFs[J].Journal of Climate，2001，14：1360-1376.[7]SHUAI Y M，MASEK J G，GAO F，et al.An algorithm for the retrieval of 30-m snow-free albedo from Landsat surface reflectance and MODIS BRDF[J].Remote Sensing of Environment，2011，115：2204-2216.[8] VERMOTE E，JUSTICE C O，BREON F M.Towards a generalized approach for correction of the BRDF effect in MODIS directional reflectances[J].Geoscience and Remote Sensing，2009，47：898-908.[9] FRANCH B，VERMOTE E F，CLAVERIE M.Inter-comparison of Landsat albedo retrieval techniques and evaluation against in situ measurements across the US SURFRADnetwork[J].Remote Sensing of Environment，2014，152：627-637.[10]LUCHT W，SCHAAF C B，STRAHLER A H.An algorithm for the retrieval of albedo from space using semi-empirical BRDF models[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2000，38：977-998.[11]ROUJEAN J，TANRÉ D，DEUZÉ J，et al.Retrieval of land surface parameters from airborne POLDE R bidirectional reflectance distribution function during HAPEX-Sahel[J].Journal of Geophysical Research：Atmospheres，1997，1021（D10）：11201-11218.[12]WANNER W，LI X W，STRAHLER A H.On the derivation of kernels for kernel-driven models of bidirectional reflectance[J].J Geophys Res，1995，100：21077-21089.[13]LEWIS P，BARNSLEY M J.Influence of the sky radiance distribution on various formulations of the Earth surface albedo[C].International Symposium on Physical Measurements&Signatures in Remote Sensing，Isprs，Val d’Isère，France：Centre National d’Etudes Spatiales，1994：707-715.[14]WANNER W，STRAHLER A H，HU B，et al.Global retrieval of bidirectional reflectance and albedo over land from EOS MODIS and MISR data：Theory and algorithm[J].Journalof Geophysical Research：Atmospheres，1997，102：17143-17161[15]LIANG S L.Narrowband to broadband conversions of land surface albedo I：Algorithms[J].Remote Sensing of Environment，2001，76：213-238.。
遥感反演课程_第四节_反照率
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
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
dLr (i , i ; r , r ) BRF R(i , i ; r , r ) dLid r (i , i )
BRDF BRF
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
9
1.2 地表反照率和全球变化
July: Variegated darker surface
April: Uniform white surface
Snow
10 10
1.2 地表反照率和全球变化
N. Hemisphere Monthly-Average Sea Ice Extent
23
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
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 ; )
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
遥感数字图像处理_地表反射率、温度的反演以及植被指数的计算
操作方法及过程1、使用ENVI对landsat 7 ETM+原始数据进行辐射定标：①对1、2、3、4、5、7波段进行辐射定标。
利用ENVI中的File |Open External File |Landsat Geo TIFF with MetaData加载威武市Landsat ETM+原始影像数据中的_MTL文件，再利用Basic Tools |Preprocessing |Calibration Utilities |Landsat Calibration 在弹出的对话对话框中选择包含1、2、3、4、5、7波段的_MTL文件，将Calibration Type选为Radiance，然后选择输出路径保存为radiance。
②对61和62波段进行辐射定标。
步骤和上面的一样，只是选择输入文件时为包含61和62波段的_MTL文件，将结果保存为radiance_band6。
2、将BSQ格式的影像数据转化为BIL：利用Basic Tools |Convert Data，弹出对话框中选择Radiance，Output Interleave中选择BIL，选择输出路径保存为radiance_BIL。
3、使用FLAASH大气辐射校正模型进行地表反射率的计算：①利用Spectral |FLASSH弹出大气校正模型参数设置窗口如下：分别按照以上所示的内容进行参数设置，将输入文件设为radiance_BIL，输出文件设为flassh，设置Scene Center Location时，打开原始影像在头文件中找到行和列，算出中心行和列，利用Pixel Locator工具找到中心点的经纬度。
将Sensor Type设为Landsat TM7。
设置Ground Elevation时，利用裁剪工具在亚洲幅SRTM DEM影像数据中裁剪该地区的DEM数据，再用统计功能算出高程的平均值为2058m。
在头文件中找到Flight Data：1999年8月10日，Flight Time GTM:3时36分39秒。
反照率
行星
由于行星表面物质和结构的不同特点，行星表面反射太阳辐射的能力也不同，反射能力通常用反照率 (albedo)来衡量。美国天文学家邦德(George Phillips Bond，1825—1865)将天体反射的电子辐射与照射到该 天体的总电子辐射之比用来衡量天体的反射特性，后来该系数被称为邦德反射率，在不引起混淆的前提下，简称 反照率。对于太阳系天体而言，反照率是指天体反射的源于太阳的电子辐射与照射到该天体的总电子辐射之比。 由于太阳向外辐射的能量主要集中在可见光波段，所以太阳系天体的邦德反照率主要反映了天体对太阳可见光频 段能量的反射性能。邦德反照率的取值范围为[0,1]，其最初应用于球面天体，后来也推广到不规则物体表面。 另外一个使用较多的反照率是几何反照率。几何反照率是在零相位角方向的真实亮度与同一截面上一个理想的扁 平、全反射面的亮度之比。同一天体的几何反射率往往高于邦德反射率。
几何反射率p和邦德反射率A有如下关系：A=p·q
式中，
相位角α是辐射源-反射目标方向与观测点-反射目标方向之间的夹角。I（α）是相位角方向的散射流量，I （0）为0度相位角方向的散射流量。
谢谢观看Leabharlann 地表地表反照率概念
地表反照率是遥感反演中的第一重要参数，在概念上，反照率(Albedo)是对某表面而言的总的反射辐射通量 与入射辐射通量之比。在一般应用中是指一个宽带，如太阳光谱段(0.3~4.0μm)。对多波段遥感的某个谱段而言， 称为谱反照率(spectralAlbedo)。这都是指向整个半球的反射。对某波段向一定方向的反射，则称为反射率 (Reflectance)。地表反照率(Surface Albedo)是反映地表对太阳短波辐射反射特性的物理参量;
基本概念
它的定义是天体表面全部被照明的部分向各个方向散射的光流φ与入射到该天体表面的光流φ0之比：
遥感数字图像处理_地表反射率、温度的反演以及植被指数的计算
操作方法及过程1、使用ENVI对landsat 7 ETM+原始数据进行辐射定标：①对1、2、3、4、5、7波段进行辐射定标。
利用ENVI中的File |Open External File |Landsat Geo TIFF with MetaData加载威武市Landsat ETM+原始影像数据中的_MTL文件，再利用Basic Tools |Preprocessing |Calibration Utilities |Landsat Calibration 在弹出的对话对话框中选择包含1、2、3、4、5、7波段的_MTL文件，将Calibration Type选为Radiance，然后选择输出路径保存为radiance。
②对61和62波段进行辐射定标。
步骤和上面的一样，只是选择输入文件时为包含61和62波段的_MTL文件，将结果保存为radiance_band6。
2、将BSQ格式的影像数据转化为BIL：利用Basic Tools |Convert Data，弹出对话框中选择Radiance，Output Interleave中选择BIL，选择输出路径保存为radiance_BIL。
3、使用FLAASH大气辐射校正模型进行地表反射率的计算：①利用Spectral |FLASSH弹出大气校正模型参数设置窗口如下：分别按照以上所示的内容进行参数设置，将输入文件设为radiance_BIL，输出文件设为flassh，设置Scene Center Location时，打开原始影像在头文件中找到行和列，算出中心行和列，利用Pixel Locator工具找到中心点的经纬度。
将Sensor Type设为Landsat TM7。
设置Ground Elevation时，利用裁剪工具在亚洲幅SRTM DEM影像数据中裁剪该地区的DEM数据，再用统计功能算出高程的平均值为2058m。
在头文件中找到Flight Data：1999年8月10日，Flight Time GTM:3时36分39秒。
遥感辐射反演实验课说明文档
基于landsatETM+数据的成都市地表温度反演1实验说明地表温度的区域分布在气候变化、植被生态、环境监测和城市热岛等研究领域都有着重要的应用价值。
地表温度乂是地表通最(包括显热、潜热和C02等通量)、土壤水分含最、作物估产和作物缺水状况监测等遥感模型中的重要输入参数。
卫星热红外传感器是目前能大范圉获取地表温度空间分布的途径之一，如何从热红外遥感数据反演地表温度一直是众多学者所关注的问题。
本实验是基于landsat ETM+卫星遥感数摒，利用单•窗算法进行成都市地表温度反演。
2数据说明(1)landsatETM+卫星介绍美国陆地卫星7号(Landsat-7)于1999年4月15 口由美国航空航天W(NASA)发射升空, 其携带的主要传感器为增强型主题成像仪(ETM+ ) o Landsat-7除了在空间分辨率和光谱特性等方面保持了与Landsat-5的基本一致外，又增加了许多新的待性，因而受到了各国用户的普遍重视和欢迎。
自发射升空至今，己为用户提供了大量髙质最的图像数据。
Landsat-7每16天扫瞄同一地区，即其16天覆盖全球一次。
Landsat ETM+具有下而的优点：(1)其成像宽度是185 km,只要是晴天，基本能保证16d 获取一景数据，时间分辨率明显优于ASTER： (2)其热红外通道空间分辨率是60m,在城市温度研究中虽然不如ASTER理想，但明显优于MODIS和AVHRR： (3)卫星历史悠久，积累了丰富的图像资料，有利于城市温度的时间动态演变分析研究。
(2)实验数据介绍Landsat7 ETM +的信号处理部分设置了两种状态,即低增益状态(B61闲高增益状态(B62)。
本文最终选择高增益状态來反演地表温度。
3数据处理流程4实验数据数据预处理働崖拯是将传感器记录的电压或数宁值转换成绝对辐射亮度的过程。
简单來说，辐射定标就是将记录的原始DN值转换为大气外层表面反射率，目的是消除传感器本身产生的课差。
青藏高原地表月平均反照率的遥感反演
年 代 ，陈 隆 勋 等 ｌ ５就 分 析 计 算 了 青 藏 高 原 地 表 反 ＿ １ ４ ， 照 率 的分 布 。此 后 ，谢 贤群 应 用 青 藏 高 原 气 象 科 学 试 验 资 料 也 对 青 藏 高 原 反 照 率 的 分 布 作 过 系 统 的
维普资讯
第 ２ １巷 第 ： 期
＇ ０ 年 ６月 ２ ＇ ０ ２
高 原 气 象
ＰＩＡ Ｔ ＥＡ Ｕ Ｆ Ｔ Ｅ（ Ｒ（ Ｉ（ Ｇ Ｙ Ｍ ） ） ）
ｖ ０１ １１ ．
Ｎ ０． ３
Ｊ Ｉｃ Ｏ ７ Ｉ １ ，２ ０ Ｉ
文 章 编 号 ：１ ０ — ５ ４（ ０ ２ ０ — ２ ３ ０ ０ ００ ３ ２ ０ ） ３０ ３ — ５
障 ，地 形 极 其 复 杂 ，气 象 要 素 日变 化 很 大 。 作 为一 个 特 殊 的 地 理 类 型 ，青 藏 高 原 的 热 力 作 用 十 分 显
著 ，同 时 也 对 全 球 气 候 影 响极 为 重 要 。在 夏 季 ，青 藏 高 原 总 体 上 相 对 于 四周 自由 大气 起 着 强 大 的 热 源 作 用 ；在 冬 季 ，高 原 的 东 南 部 也 是 一 个 热 源 ，而 在 西 部 和 东 北 部 是 冷 源 还 是 热 源 尚未 定 论 。青 藏 高原 的 热 力 状 况 对 中 国一 些 重 大 天 气 系 统 的生 成 以及 全 球 气 候 变 化 有 十分 重 要 的影 响 ｑ］ 。 我 国学 者 对 青 藏 高 原 的研 究 起 步 较 早 ，而 地 表
等 应 用 青 藏 高 原 各 别 观 测 点 和 各 别 日期 的 地表 和
收 稿 日期 ：２ ０ — ８ ２ ０ ０ ０ — ２；改 回 日期 ：２ ０ — ｌ Ｏ ０ ０ １ —７
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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.
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）
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
– 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
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
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
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
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@ 研究领域：多角度遥感模型与反演
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
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.
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％。
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
BHR (1 s)DRF (0 ,0 ;2 ) s BHR _ diff (2 ;2 )
dLr (i , i ; r , r ) BRF R(i , i ; r , r ) dLid r (i , i )
BRDF BRF
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
Fu ( ) Fd ( ) (0.25 ~ 5.0m)
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
4
下行短波辐射 下行长波辐射
地表发射率
地表温度
5
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 )
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）：
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
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
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
L ( , )sin cos d d
i i i i i i 0 0
i
2
1
Fd ( , )d
14
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
15
2.2 地表的波谱特性和特点
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 ~ 0.7 m
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
9
1.2 地表反照率和全球变化
July: Variegated darker surface
April: Uniform white surface
Snow
10 10
1.2 地表反照率和全球变化
N. Hemisphere Monthly-Average Sea Ice Extent
地表宽波 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
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
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
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
23
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
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 ; )