中科院遥地所定量遥感_第一讲_光学遥感基础
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第八章 定量遥感基础
遥感器星上内定标
卫星发射后，探测探测器元件老化或者工作 温度变化都会影响到遥感器的响应，因此需 要遥感器星上内定标。 星上内定标主要是绝对辐射定标，在可见光 和反射红外区采用电光源（灯定标）和太阳 光（太阳定标）作为高温的标准辐射源，在 热 红 外 区 采 用 卫 星 上 的 标 准 黑 体（黑体定 作为高温的标准辐射源，以宇宙空间作为低 温标准辐射源。
–遥感器实验室定标 –遥感器星上内定标 –遥感器场地外定标
遥感器实验室定标
是指对比分析与研究空中遥感器接收到的电磁波能量信 号与地物光谱仪接收到的电磁波能量信号的定量关系， 以及电磁波能量信号与地物的物理特性的关系，以便对 获取的空中遥感器信号进行纠正。 遥感器实验室定标主要包括光谱定标与辐射定标两大部 分。 － 光谱定标是测量遥感器随入射辐射波长变化的响应。 －辐射定标用以确定遥感器入瞳处的准确辐射数值。
ETM+ 图像的大气校正
大气校正前 大气校正后
引自Liang, Jan. 14, 2004，Beijing University
AVIRIS 图像的大气校正
大气校正前 大气校正后
引自Liang, Jan. 14, 2004，Beijing University
定量遥感模型
是从抽取遥感专题信息的应用需要出发， 对遥感信息形成过程进行模拟、统计、抽 象或简化，最后用文字、数学公式或者其 他的符号系统表达出来。 定量遥感模型概括起来分为三类:
大气校正实验方法
–直方图调整（Histogram Matching） 假设清楚目标和模糊目标反射率直方图是一样的，在 图像中找到清楚的目标，用清楚目标的反射率直方 图来调整模糊目标的反射率直方图。常用的图像处 理软PCI，EARDAS等使用了此方法。 优点：简单、实用。 缺点： 1）对于由具有不同反射特征的目标物组成的 混合像元，以上假设是不成立的；2）气溶胶空间 分布变化大时，此方法校正结果不正确。
(定量遥感课件几何光学模型
依次类推，n棵树时，光照点概率为：(1-a/S)n 。
上式可以写为： (1 na / S )n
n
注意到存在极限：
lim (1 x )n
n
n
ex
因此浓密条件下，光照点概率可以写为： ena / S
e 又出现了！
引入单位面积内树木的平均个数 λ，存在 λ = n/S，带入上
式，即得到光照点概率为 e，a 阴影点概率为
。
1 ea
上述式中，a 是树冠在水平地面的投影面积，它与投射方向 Ω(θ, φ)有关，即太阳方向不同，a 也不同，应写为 a(θ, φ)。
布尔模型实际上描述了一个间隙概率 (gap probability)问题，即 在一个离散分布有物体的区域中，要么我们照射（看到）物体 (object)，要么我们照射（看到）间隙 (gap)，我们照射（看到）
KC、KT 、 KG 、 KZ分别为几何光学模型中的四个分量，即 光照树冠、阴影树冠、光照背景、阴影背景在象元中所占面
积比例。
对于照射过程中的间隙概率问题，如果太阳方向为Ω(θi, φi)，
类似地，我们可以得到背景受到光照的概率为
，而
背e景处a(于i,阴i) 影的概率为
1 e 。
a(i,i )
光照背景面积比例KG与阴影背景面积比例KZ
a(θv,φv)
a(θi,φi) O(θi,θv,φ)
设O(θi,θv,φ)为相互重叠的面积，则光照背景的比例为：
K e[a(i,i) a(v,v)O(i,v,)] G
O(θi,θv,φ)与两个方向的天顶角、相对方位角(φ= φi - φv)有关。 其具体表达式与树冠形状有关，而且较为复杂，甚至只能取 得近似解，有兴趣者可以查阅相关资料。
中科院,遥感课件及资料
微波波段微波遥感概述微波遥感的特点（相对于光学遥感）Ø全天候、全天时的强大观测能力Ø对植被有一定程度的穿透性Ø对地表具有一定的穿透性微波辐射对云的透射率微波辐射对雨的透射率微波遥感受气象条件影响很小，具有全天候工作能力微波遥感概述§微波遥感的特点Ø2.微波辐射对植被具有一定的穿透性ü波长较长的微波辐射穿透植被的能力比较强ü观测角越小，穿透能力相对越强ü微波在植被层中的透射能力还与植被类型、含水量、植被空间密度等有关微波遥感概述微波遥感的特点Ø3.微波辐射对地表具有一定的穿透性ü体现在微波对固体的不透明的地表也一定的穿透能力22Wurzburg-Riese 雷达站，法国诺曼底23雷达波发射与回波一个雷达脉冲的传播过程(图中指示着时间点1~17时的波前位置)回波信号机载飞机发射的雷达脉冲树的回波房屋的回波房屋的回波树的回波高能量的输出脉冲时间脉冲能量§雷达与侧视雷达最早事十年代开用感。
28是斜距在地球的大地水准面上的投影重采样等处理真实孔径雷达§斜距与地距雷达图像: 斜距均匀采样方式与地距均匀采样方式的比较真实孔径雷达真实孔径雷达的距离向分辨率α雷达到目标的线(LOS)为雷达视线的达视线的冲宽度，分辨率，Δt = t 人们可能更加关心地距分辨率r GR ，§真实孔径雷达的方位向分辨率LHL H R r a ⋅===θλλθβcos )(cos L 为雷达天线真实孔径雷达§真实孔径雷达的分辨单元面积Ø综合两个方向的分辨率，元面积：Hr λ合成孔径雷达§合成孔径的观点Ø记住一个结果：合成向分辨率ra= l/2，l为Ø合成孔径雷达的方位长成正比，要获得高合成孔径雷达§SLAR与SAR的几何分辨率比较真实孔径雷达斜距分辨率2τCØ顶底位移和图像叠掩SAR 图像中的叠掩效应Ø前向压缩和雷达阴影SAR 图像中的前向压缩SAR 图像中的雷达阴影53合成孔径雷达雷达影像的立体量测同光学遥感一样，雷达影像固相对高差产生的像差可以用来体测量，得出地表高程§雷达的极化(Polarization)合成孔径雷达§雷达的极化(Polarization)HH极化HV极化VV极化这是德国南部某地区C波段不同极化方式的雷达图像。
遥感原理与方法B-第一章(中科院)
电磁波的粒子 电磁波的粒子性 粒子性
普朗克（planck）用模型来说明光电效应， 用模型来说明光电效应，并指出电 磁辐射能量Q 的大小直接与电磁辐射的频率ν 成正比， 成正比， 可表示为： 可表示为：
Q = hν
（h 为普朗克常数， 为普朗克常数，取值为6.626×10-34 焦耳· 秒）
已知 C = νλ
小孔的衍射
遥感中部分光谱仪的分光器件 --- 衍射光栅 等，正是运用多缝衍射原理。 原理。
3）偏振 （Polarization） 偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。 偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。电磁波是一种 横波， 横波，传播方向确定后其振动方向并不是唯一的,振动方 向可以是垂直于传播方向的任何方向， 向可以是垂直于传播方向的任何方向 ， 它可以是不变 的 ， 也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转， 也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转， 即 出现 偏振现象（微波中称为“极化” ）。
，则可得： 则可得： Q
= hc / λ
可见， 可见，辐射能量 Q 与它的波长λ成反比。即电磁辐 射波长越长,其辐射能量越低， 其辐射能量越低，如地表的微波发射要比 热红外辐射低。 热红外辐射低。
波粒二象性 ---- 小结 1
• 电磁波的波动性，把电磁振动的传播作为光滑连续的波 对待（用波长、 用波长、频率、 频率、振幅等来描述）， 振幅等来描述），其强度（光强度） 光强度） 与振幅、 与振幅、频率、 频率、光照时间等呈正相关； 光照时间等呈正相关； • 电磁波的粒子性，把电磁辐射能分解为非常小的微粒子 （光子） 光子），光电子能量的大小与光的强度、光照的时间无 关,而仅与入射光的频率有关;
电磁波的粒子性是指电磁辐射除了它连续波动状 态外还能以离散形式（密集的光子微粒流）存在。 存在。电 磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动（吸收、 吸收、发 射等） 射等）。 光照射在金属上能激发出电子， 光照射在金属上能激发出电子，称为光电子。这是 ‘ 光电效应’ 。许多光电器件 --- 如光电倍增管、 如光电倍增管、电视摄 象管等， 象管等，正是运用光电效应原理制作的。 正是运用光电效应原理制作的。 大量实验证明， 大量实验证明，光电子的能量与光的强度、 光电子的能量与光的强度、光照的时 间的长短无关， 间的长短无关，而仅与入射光的频率有关。 光电效应现象用电磁波的波动理论是无法解释的。 是无法解释的。
遥感的物理基础1
❖ 大气气体的：成分N：2，多O种2，气体H2、O固，态C和O液2，态C悬O浮，的C微H4，
粒混合组成的。
O3
大减气气的溶重物胶要质原与因太。阳辐射相互作用，是太阳辐射衰
❖ 大气的成分可分为常定成分（ N2，O2 ，
CO2等）与可变成分两个部分（水汽，气溶
胶）。
（3）大气结构
大气厚度约为1000km,从地面到大气上界， 可垂直分为4层：
➢ 对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，空气明显垂 直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬 度和季节而变化。
➢ 平流层：高度在12～50 km，没有对流和天气现象。底部 为同温层（航空遥感活动层），同温层以上为暖层，温度由 于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。
➢ 电离层：高度在50～1 000 km，大气中的O2、N2受紫外 线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。
2) 微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上 可以经过处理来接收。
第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响
(1) 太阳辐射 (2) 大气作用 大气的成分与结构 大气吸收 大气散射 大气窗口 大气透射的定量分析
分析结果、图表 输出
接收 预处 理
用户应用 处理
（1）太阳辐射
太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太
☆ 辐射能量（W）：电磁辐射的能量。 ☆ 辐射通量（Φ ）：单位时间内通过某一面积的
辐射能量。 ☆ 辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上
的辐射通量。 ☆ 辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积
上的辐射通量。
❖I为物体接收的辐射，M为物体发出的辐射。
22
四、黑体辐射
地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地 物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。
遥感应用知识体系-地物波谱特性与遥感光学基础
加色法与减色法
1、颜色相加原理 • 三原色：若三种颜色，其中的任一种都不能由其余二种颜
色混合相加产生，这三种颜色按一定比例混合，可以形成
各种色调的颜色，则称之为三原色。红、绿、蓝。
• 互补色：若两种颜色混合产生白色或灰色，这两种颜色就
称为互补色。红和青、绿和品红、蓝和黄。
红+蓝=品红 绿+蓝=青
表面粗糙度及瑞利准则
• 地物表面的粗糙度(Surface Roughness) ：地物表面起伏高差
的均方根值。
h
粗糙度推导示意图
两波差 相位为完全抵消，差0 为完全相重合，介乎之间差 2 4
2 h co s
（光程差）
4 （相位差）
h
其中：
8 cos
为粗糙度； 为光的入射角； 为光波长。
• 光谱反射率：地物对应于某个波长电磁波的反射率。 • 反射波谱: 地物的反射系数（率）随入射波长的变化
规律叫做该地物的反射波谱。
• 反射波谱特性曲线: 以波长为横坐标，反射率为纵坐
标所得的曲线称为物体的反射波谱特性曲线。
二、反射波谱特性曲线
• 反射波谱特性曲线：反射波谱是某物体的反射率（或反射
辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为 纵坐标所得的曲线。
波长的电磁波则透射能力较强，特别是0. 45~0. 56μm的蓝绿光波段。
一般水体的透射深度可达10～20 m，清澈水体可达100 m的深度。
地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成自身的热辐射，其 峰值波长为9.66 μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。就 短波而言，地表反射的太阳辐射称为地表的主要辐射来源，而地表自 身的辐射可以忽略不计。
定量遥感
第二章光学遥感与热红外遥感模型2.3 植被冠层反射模型2.3.5 光学图像的大气影响订正（大气纠正）遥感模型描述地表参量和地表反射率之间的关系，从遥感传感器接收的大气层顶的辐射亮度（表观反射率）中得到地表反射率，需要对大气影响的订正。
大气纠正包括：大气参数估计，地表反射率的反演。
假定地表像元为朗伯体表面，已知大气参数，可以从星下点成像的光学遥感数据反演地表反射率。
大气效应包括分子和气溶胶的散射和气体的吸收。
对分子散射和气体吸收的纠正比较容易，因其浓度在时间和空间上都比较稳定。
困难的是从图像上直接估算气溶胶和水汽的空间分布。
大气对太阳入射的衰减(据(Vermote, 2000)2.3 植被冠层反射模型2.3.5 光学图像的大气影响订正（大气纠正）光学图像的大气纠正方法：－大气参数估计－分子和气溶胶散射－水汽、气溶胶、臭氧、氧气等气体吸收－地表反射率反演－查找表法－从图像本身估计大气参数2.3 植被冠层反射模型2.3.5 光学图像的大气影响订正（大气纠正）1. 单视角（天顶观测）图像的纠正方法－基于辐射传输模型模拟方法－基于“不变地物”的方法－直方图匹配法－暗目标法－对比度降低法－类型匹配法2.3.5 光学影像的大气纠正1. 单视角图像的纠正方法基于“不变地物”的方法：假设一幅图像中有些像元的地面反射率在时间序列上是很稳定的，其遥感的表观反射率的差异主要反映大气条件的变化。
基于这些“不变”像元表观反射率，建立起不同时间图像像元与地表反射率的线性关系，可用来消除由于大气干扰所造成的差异，估算同幅不同时相图像的地表反射率。
要求：有与遥感成像同步的地表反射率测量，获得不同亮度（黑－灰－白）的像元反射率波谱。
2.3.5 光学影像的大气纠正1. 单视角图像的纠正方法直方图匹配法：假设清晰和模糊区域的地表反射率直方图是相同的。
先在一幅图像上辨认出清晰和模糊的区域，然后匹配模糊小区域和清晰区域的反射率直方图，以此确定模糊小区域的大气能见度。
中科院遥地所定量遥感_第二讲_光学定量遥感Chapter2_Part1
P(, ' ) I( , ' ) 4
则多次散射产生的源函数为来自所有方向、并经 散射，到方向Ω的辐射总和。即上式对方向Ω’在 4π空间的积分，即：
P(, ' ) 4 I(, ' ) 4 d'
21
平面平行介质（大气）中的传输方程为：
dI I J d
θ为辐射方向与分层方向法线的夹角。 天顶角 θ
z
dI I J kds
dI cos I J k dz
13
光学厚度 (optical thickness, optical depth) 定义点s1和s2之间的介质的光学厚度为：
kds ' kds '
s1 s2
s2
s1
并有：
dτλ(s) = -kλρds (对大气如此) 因此传输方程可以写为：
dI I J d
在实际应用中，τ的定义使τ永远是正数。 而且I与τ的关系一般为exp(-τ0)。
14
对于平面平行大气，且忽略大气中的多次散射和发射， 则传输方程为：
dI I d
The light waves can pass though the object. Think of a pane of glass. The light waves can be scattered in all directions. We refer to this as diffuse reflection. A sheet of white paper is a good example of an object that diffuses light. The light waves can be absorbed, and converted to heat. If you place a white object and a black object in the sun, the black object will feel hotter. The reason for this is that the black object absorbs the light from the sun, turning it into heat, while the white object reflects the light in all directions, and stays cool. Most real world objects cause not just one, but a combination of the above effects.
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1.1 方向性反射光谱的定义与测量
(3) 方向－半球反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有
或可以忽略散射光；波谱测定仪器测定的半球空间的平均反射能量。利用 积分球原理测定的物体反射率波谱就是方向－半球反射率波谱。
Lu (i , i ) 0 E (i , i )
2
Reflectance (%)
2003-07-19
Reflectance (%)
20 15 10 5 0 350 R01-G R01-H R01-Z
20 15 10 5 0
01漫 01-G 01-H 01-Z
850
1350 1850 Wavelength (nm) 2003-07-28
2350
350 40 35 30 25 20 15 10 5 0 350
第一讲 光学遥感概述与基础
第1节 光学遥感与反射率 第2节 典型光学成像系统 第3节 遥感数据资源 第4节 光学遥感瓶颈问题与挑战
刘良云
2014年4月1日
第一节 光学遥感与反射率
Wave model of electromagnetic Radiation
Q1：电磁波作为横波，与纵波相比，什么信息在遥感中能够发掘？
L( r , r ) (i , i , r ,r ) E (i , i )
dLT ( r , r , ) BRDF( i , i , r , r , ) dE( i , i , )
1.1 方向性反射光谱的定义与测量
(2)半球－方向反射率波谱：入射能量在半球空间内分布，波谱测定仪
L
E
由于测定方式的差异，反射率波谱又可以根据入射能量的照明方式及反射能 量测定方式给定如下4种定义：
1.1 方向性反射光谱的定义与测量
(1) 方向－方向反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有
或可以忽略散射光；波谱测定仪器仅测定某个特定方向的反射能量。地物 双向反射特性主要就是研究方向－方向反射率波谱。晴天条件下，以太阳 光为照明光源，利用野外便携式地物光谱仪测定的地物反射率波谱就可以 近似为方向－方向反射率波谱。方向－方向反射率的定义BRDF基本一致， 其定义如下，
式中定义的半球－半球反射率就是反照率（albedo），全球变化遥 感的热点！！！
1.1 方向性反射光谱的定义与测量
(1) 方向－方向反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有
或可以忽略散射光；波谱测定仪器仅测定某个特定方向的反射能量。地物 双向反射特性主要就是研究方向－方向反射率波谱。晴天条件下，以太阳 光为照明光源，利用野外便携式地物光谱仪测定的地物反射率波谱就可以 近似为方向－方向反射率波谱。
LRef ( ) E ( ) Ref ( )
* d
根据方向反射率定义和公式，太阳辐照度光谱测定后，只要同步测定目标 反射的辐亮度光谱，就可以计算目标的光谱反射率，
t ( r , r , )
Lt ( r , r , )
* Ed
Lt ( r , r , ) Ref ( ) LRef ( r , r , )
1.1 方向性反射光谱的定义与测量
反射率（Reflectance）定义为物体表面反射能量与到达物体表面入射能量的 比值。光谱反射率（Spectral Reflectance）为某个特定波长间隔下测定的 物体反射率，连续波长测定的物体反射率曲线构成反射率波谱（Reflectance Spectrum）。
双向反射率分布函数 （BRDF）的物理意义是：
来自方向地表辐照度的微增 量与其所引起的方向上反射 辐射亮度增量之间的比值。
Q1: BRDF如何直接测量？
dLT ( r , r , ) BRDF( i , i , r , r , ) dE( i , i , )
1.1 方向性反射光谱的定义与测量
FLAASH
植被 裸土 水体
辐射校正后-TOC 辐射校正前-TOA
植被 裸土 水体
TOA和TOC表观反射率光谱差异
表观反射率(红)与真实反射率（黑）
TOA和TOC表观反射率光谱差异
TOA和TOC表观反射率光谱差异
不同光谱分辨率条件下观测的冠层表观反射率光谱曲线 (Meroni & Colombo，2006)
Electromagnetic Spectrum
遥感波谱范围
根据大气窗口和反射/辐射情况,将 光学遥感波段划分为 可见光：0.4-0.7 m 近红外：0.7-1.35 m 短波红外：1.45-2.5 m 中红外：3-5 m 热红外：8-14 m 远红外：14-100 m
遥感成像基本原理
植被冠层光谱反射率测量
拍摄1.6米冠层光谱测定及参考板校正
Step1：测量参考般的辐亮度光谱； Step2：测量冠层反射的辐亮度光谱； Step3：测量参考般的辐亮度光谱； Step4：测量天空散射光光谱；
Field Spectroscopy measurement
夏玉米不同生育期冠层光谱
30 25 2003-07-08 30 25
L L L L L L L L
s su sd sp
e
eu
ed
ep
大气辐射传输示意图(左边为可见/近红外波段，右边为热红外波段)
遥感成像基本原理
普朗克定律或黑体辐射定律
遥感成像基本原理
反射率光谱
1.1 方向性反射光谱的定义与测量 1.2 地物光谱测量原理
1.1 方向性反射光谱的定义与测量
器仅测定某个特定方向的反射能量。
( r , r )
L( r , r )
Ed
0
2
L( r , r )
2
0
E (i , i ) cosi sin i d ii
全阴天条件下，以太阳散射光为照明光源，利用野外便携式地物光谱仪测定的地 物反射率波谱就可以近似为半球－方向反射率波谱。
0.07
0.06
0.05
0.04 0.03
0.2 0.1 0
0 20 40 60
0.02
0.01
0
-60 -40 -20
At 12:24 on May 4, 2013 (left, SZA=24.36, SAA=187.78)
叶片光谱测量
光源 光源
积分球
光谱 仪探 头
积分球
光谱叶片半球反射辐亮度测量
(b) 光源辐照度光谱测量 利用积分球测定叶片反射率
(Is - Id)Rr Rs = (Ir - Id)
Ts=
Is× Rr Ir
叶片光谱测量
2、表观反射率光谱
反射率（Reflectance）：定义为
物体表面反射能量与到达物体表面入 射能量的比值。 表观反射率(Apparent reflectance )： 定义遥感器观测的辐射信号与太阳入射 辐射信号比值。 可见光波段还有植被光合作用荧光。
双向反射率因子(Bi-directional Reflectance Factor, BRF)
定义：在相同的辐照度条件下，地物向(θ，φ)方向的反射辐射亮度与一个理想 的漫反射体在该方向上的反射辐射亮度之比值，称为双向反射率因子R：
LT ( r , r , ) BRF(i , i , r , r , ) BRDF LP (i , i , )
At 12:24 on May 4, 2013 (left, SZA=24.36, SAA=187.78)
0.07 0.06 0.05
0.04
0.03 0.02 0.01 0.00 -60 -40 -20 0 20 40 60
RED
RED-Modelled 0.08
NIR
NIR-modelled 0.6 0.5 0.4 0.3
0.03 0.02 0.01 0.00 -60 -40 -20 0 20 40 60
At 16:08 on May 4, 2013 (right, SZA=56.40, SAA=262.73).
Blue
RED
NIR 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00
850
1350 1850 Wavelength(nm) 2003-08-11
2350
40 35
Reflectance (%)
Refletance (%)
30 25 20 15 10 5 0 350 850 1350 1850 Wavelength (nm) 2350 01-m 01-g 01-h 01-z
01-m 01-g 01-h 01-z
850
1350 1850 Wavelength (nm)
2350
BRDF reflectance
BRDF reflectance
BRDF reflectance
Blue 0.07 0.06 0.05
0.04
RED
NIR 0.47 0.46 0.45 0.44 0.43 0.42 0.41 0.40 0.39 0.38
第2节 植被遥感数据获取基础
Passive vs. Active Sensors
卫星遥感的表观反射率光谱
TOA辐亮度光谱、辐照度光谱
TOC辐亮度光谱、辐照度光谱
TOA表观反射率光谱
TOC表观反射率光谱
卫星遥感的表观反射率光谱
TOA辐亮度光谱、辐照度光谱
TOC辐亮度光谱、辐照度光谱
TOA表观反射率光谱
TOC表观反射率光谱
FLAASH、ATREM、ACORN
TOA和TOC表观反射率光谱差异
(2)半球－方向反射率波谱：入射能量在半球空间内分布，波谱测定仪
器仅测定某个特定方向的反射能量。全阴天条件下，以太阳散射光为照明光源，