（地图学与地理信息系统专业论文）利用遥感资料估算复杂地形条件下的净辐射.pdf

摘要 利用遥感资料估箅复杂地形条件下的净辐射 摘要 山地辐射的研究对于山区能量平衡、山区水分循环、山区气候变化非常重要。 在山区观测辐射的气象站稀少，不可能进行空间内插或外推来获得太阳辐射。因此， 建立合适的山地辐射空间分布模型，对于陆面过程、水文模型的输入参数和建立全 国空间辐射数据库具有重要的理论和实践意义。山区测站稀少，有的地方人很难到 达，利用卫星可获得时间连续、空间分布的地表资料，因而利用卫星资料来估算山 地辐射近年来日益受到重视。 本文利用遥感影像和d e m 资料，建立了空间分布的短波和长波辐射估算模型， 对晴空实际起伏地形下的短波辐射和长波辐射进行了数值模拟，通过本论文的研 究，主要完成了以下几方面的工作： 1 、本文利用d e m 计算了复杂地形条件下的地形参数一坡度、坡向、遮蔽因子、 天空可见因子、地形结构参数；然后对遥感影像进行了辐射定标和几何纠正，使其 和研究区的d e m 在空间上匹配。 2 、本文利用6 s 辐射传输模型模拟了水平地表短波波段的向上透射率、向下透 射率、程辐射、直接谱辐射、散射谱辐射。在模拟各个参数时，根据海拔高度分层 建立查找表，得到空间分布的大气纠正参数。 3 、在短波辐射方面，考虑了地形的影响，将地形影响下的短波入射辐射分为 三部分：直接辐射、散射辐射和周围地形的反射辐射；并分别计算了这三部分，进 而得到总的短波入射辐射。地表反照率对短波辐射平衡也是一个重要的关键参数， 本文在假定地表是朗伯体的情况下，考虑了地形的影响，计算了入射谱辐照度，然 后计算了可见光和近红外波段的反射率，再将反射率转化成地表反照率。在获取了 地表反照率和总的短波入射辐射之后，计算了短波净辐射。 4 、利用m o d t r a n 大气辐射传输模型，根据海拔高度变化分层模拟出热红外波 段的透射率、大气上行和下行辐射亮度。在模拟各个参数时，根据海拔高度分层建 中国科学院博士学位论文：利用遥感资料估算复杂地形条件下的净辐射 立查找表，得到空间分布的热红外波段的大气纠正参数。根据红光和近红外波段计 算的反射率，计算了地表的n d v i 、植被覆盖度，进而计算出地表的比辐射率。 5 、本文参考前人对复杂地形长波辐射的研究，利用天空可见因子来纠正地形 对长波辐射的影响，将复杂地形下的长波辐射分为五部分：地表向上的长波辐射； 大气向下的逆辐射；地形遮挡的向上的地表长波辐射：大气向邻近地表的辐射被反 射到该坡面的辐射和由邻近地表反射来的而为该坡面接收到的热辐射：地表反射的 大气向下的逆辐射。在此基础上，将热辐射传输方程进行扩展，发展了一个估算复 杂地形下地表温度的模型，然后计算了复杂地形下的地表温度。本文分别计算了复 杂地形下的长波出射辐射、长波入射辐射、长波净辐射。 6 、本文对地表反照率、地表温度、短波分量和长波辐射分量、净辐射的计算 结果进行分析验证，结果表明文中利用d e m 和卫星遥感资料研究山区辐射的方法合 理可行，利用遥感和d e m 资料研究山地辐射能够提高分布式山地辐射模型的精度和 可行性。 关键词：复杂地形：坡地；d e m ；地形参数；地表温度；反射率；反照率：短波辐 射；长波辐射；净辐射 i i a b s t r a c t e s t i m a t i n gn e tr a d i a t i o no v e rc o m p l e x t e r r a i n u s i n gr e m o t es e n s i n g a b s t r a c t e s t i m a t i o no fr a d i a t i o nb a l a n c ei nm o u n t a i n o u sa r e a si sv e r yi m p o r t a n tf o rt h es t u d i e s o fe n e r g yb a l a n c e ，h y d r o l o g i c a lc y c l ea n dc l i m a t i cc h a n g ei nm o u n t a i n s i ti sd i f f i c u l tt o e x t r a c tr a d i a t i o nt os p a t i a le x p l i c i td i s t r i b u t i o ni nc o m p l e xt e r r a i nb e c a u s et h er a d i a t i o n o b s e r v i n g s t a t i o n sa r es p a r s e t h e r e f o r e ，m o d e l i n gr a d i a t i o ni nm o u n t a i n o u sa r e a s d i s t r i b u t e d l yi sv e r yi m p o r t a n tt o 南rm o u n t a i nc l i m a t o l o g ya n d f o ro b t a i n i n gp a r a m e t e r s f o rl a n dp r o c e s sa n dh y d r o g r a p h i cm o d e l s s i n c ei ns i t uo b s e r v a t i o ni ss p a r s ea n dn o t f a v o r a b l ef o rs p a t i a l l ye x p l i c i tr e s e a r c h e s ，r e m o t es e n s i n gh a sb e e nb e c o m i n gm o r ea n d m o r ei m p o r t a n ti nr a d i a t i o ne s t i m a t i o n ，p a r t i c u l a r l yo v e rc o m p l e xt e r r a i n i nt h i sp a p e r , as p a t i a l l yd i s t r i b u t e ds h o r t w a v ea n dl o n g w a v er a d i a t i o nm o d e lw a s d e v e l o p e dw i t ht h ea i do fd e m a n dr e m o t es e n s i n g t h ec o m p o n e n t so fs h o r t w a v ea n d l o n g w a v er a d i a t i o no v e rc o m p l e xt e r r a i nw e r es i m u l a t e d s o m ew o r k s h a db e e nd r a w na s f o l l o w s 1 。s o m et e r r a i np a r a m e t e r ss u c ha ss l o p e ，a s p e c t ，s h a d ef a c t o r , s k yv i e wf a c t o ra n d t e r r a i nc o n f i g u r a t i o nf a c t o rw e r ec o m p u t e d r e m o t es e n s i n gi m a g ew a sc a l i b r a t e da n d g e o m e t r i c l yc o r r e c t e da n dc o r e g i s t r e dw i t hd e m 2 t h eu p w a r dt r a n s m i s s i v i t y , d o w n w a r dt r a n s m i s s i v i t y , p a t hr a d i a n c e ，d i r e c ts p e c t r a l i r r a d i a n c ea n dd i f f u s es p e c t r a li r r a d i a n c eo na nu n o b s t r u c t e dh o r i z o n t a ls u r f a c ew e r e s i m u l a t e du s i n gt h e6 sr a d i a t i v et r a n s f e rm o d e l t h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e r so f a t m o s p h e r i cc o r r e c t i o na r eu s e db yb u i l d i n gl o o k - u pt a b l e sf o rd i f f e r e n ta l t i t u d ez o n e s 。 3 t h et e r r a i ne f f e c t sw e r et o o ki n t oa c c o u n tw h e nc o m p u t i n gs h o r t w a v er a d i a t i o n s t h es h o r t w a v er a d i a t i o no v e rc o m p l e xt e r r a i nw a sd e c o m p o s e di n t ot h r e ep a r t sa sd i r e c t r a d i a t i o n ，d i f f u s er a d i a t i o na n dr a d i a t i o nr e f l e c t e df r o mt h es u r r o u n d i n gt e r r a i n s t h e e a c hc o m p o n e n ta n dt h et o t a li n c i d e n ts o l a rr a d i a t i o nw e r ec o m p u t e d 。a l b e d oi sak e y i i i 中国科学院博士学位论文：利用遥感资料估算复杂地形条件下的净辐射 p a r a m e t e rt oc a l c u l a t es h o r t w a v er a d i a t i o nb a l a n c e t h ei n c i d e n ts p e c t r a li r r a d i a n c ew a s c o m p u t e db yc o n s i d e r i n gt h et e r r a i ne f f e c t so ns h o r t w a v er a d i a t i o n b ya s s u m i n gt h a tt h e l a n ds u r f a c ei sl a m b e r t i a n ，t h er e f l e c t a n c eo fv i s i b l ea n dn e a ri n f r a r e db a n d sw e r e r e t r i e y e da n dt h e nt h ea l b e d oo fb r o a d e rb a n dw e r ec o n v e r t e df r o mn a r r o wb a n d r e f l e c t a n c e s a f t e rg e t t i n gt h ea l b e d oa n dt o t a li n c i d e n ts h o r t w a v er a d i a t i o n ，t h e s h o r t w a v en e tr a d i a t i o nc a nb eo b t a i n e d 4 t h em o d t r a nr a d i a t i v et r a n s f e rm o d e lw a su s e dt os i m u l a t et h eu p w a r da n d d o w n w a r da t m o s p h e r i cr a d i a n c e sa sw e l la st h et r a n s m i s s i v i t yo ft h e r m a li n f r a r e db a n d o nu n o b s t r u c t e dh o r i z o n t a ls u r f a c e t h u s ，t h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e r so fa t m o s p h e r i c c o r r e c t i o nw e r eo b t a i n e dt h r o u g hb u i l d i n gl o o k u pt a b l e sf o rd i f f e r e n ta l t i t u d ez o n e s t h e l a n de m i s s i v i t yw a s c o m p u t e du s i n ga ne m p i r i c a lr e l a t i o n s h i pw i t hn d v ia n dv e g e t a t i o n f r a c t i o n 5 t h ep r e v i o u ss t u d i e so nt h e e s t i m a t i o no fl o n g w a v er a d i a t i o no v e rc o m p l e xt e r r a i n w e r er e v i e w e d t h es k yv i e wf a c t o rw a se m p l o y e dt oc o r r e c tt e r r a i ne f f e c t so nl o n g w a v e r a d i a t i o n t h el o n gw a v er a d i a t i o ni nm o u n t a i n o u sa r e a si sd e c o m p o s e di n t of i v ep a r t s ：( 1 ) s u r f a c el o n g w a v er a d i a t i o n ，( 2 ) d o w n w e l l i n ga t m o s p h e r i cl o n g w a v er a d i a t i o no ns l o p e ， ( 3 ) s u r f a c el o n g w a v er a d i a t i o no b s t r u c t e db yt e r r a i n ，( 4 ) r e f l e c t e da t m o s p h e r i ce m i s s i o nt o t h ea d j a c e n ts u r f a c ea n dt h es u r f a c el o n g w a v er a d i a t i o nf r o ma d j a c e n ta r e a ，( 5 ) r e f l e c t e d d o w n w e l l i n ga t m o s p h e r i cr a d i a t i o nb ys u r f a c e t h et h e r m a lr a t i a t i v et r a n s f e re q u a t i o n w a se x p a n d e dt oi n c l u d ea l lt h ea b o v ec o m p o n e n t sa n dt h e nt h el a n ds u r f a c et e m p e r a t u r e o v e rc o m p l e xt e r r a i nc a nb ec a l c u l a t e d t h ei n c o m i n gl o n g w a v er a d i a t i o n ，o u t g o i n g l o n g w a v er a d i a t i o na n d n e tl o n g w a v er a d i a t i o nw e r eo b t a i n e du s i n gt h i sm o d e l 6 t h er e s u l t so fa l b e d o ，l a n ds u r f a c et e m p e r a t u r e ，s h o r t w a v er a d i a t i o n ，l o n g w a v e r a d i a t i o n a n dn e tr a d i a t i o nw e r ev a l i d a t e du s i n gt h er a d i a t i o no b s e r v a t i o na taf l u xt o w e r m o u n t e di nt h eq i l i a nm o u n t a i n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d e ld e v e l o p e di nt h i s p a p e ri sc a p a b l eo fe s t i m a t i n gr a d i a t i o nc o m p o n e n t si nm o u n t a i n o u sa r e a sw i t hi m p r o v e d p r e c i s i o na n d i so f p r a c t i c a b i l i t yt og e t d i s t r i b u t e dr a d i a t i o ni nm o u n t a i n o u sa r e a k e yw o r d s ：r a d i a t i o nm o d e l ，r e m o t es e n s i n g ，t m ，c o m p l e xt e r r a i n ，s l o p e ，d e m ， t e r r a i np a r a m e t e r , l a n ds u r f a c et e m p e r a t u r e ，r e f l e c t a n c e ，a l b e a o ，s h o r t w a v e r a d i a t i o n ，l o n g w a v er a d i a t i o n ，n e tr a d i a t i o n i v 原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确 注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 研究生签名： 盔逢 关于学位论文使用授权的说明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属中国科 学院寒区早区环境与工程研究所。本人完全了解中国科学院寒区旱区环境与工程 研究所有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构 送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查i ) i 并d 借阅；本人授权中国科学院寒区 早区环境与工程研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离所后发表、使用论 文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为中国科学院寒 区旱区环境与工程研究所。 保密论文在解密后应遵守此规定。 研究生签名： 导师签名： j 嬲 第1 章绪论 1 1 1 研究意义 第1 章绪论 1 1 山区辐射研究意义及研究现状 太阳辐射是地球表层上的物理、生物和化学过程( 如融雪、光合作用、蒸腾、 作物生长等) 的主要能源，也是生态系统过程模型、水文模拟模型和生物物理模型研 究中的必要参数( 何洪林等，2 0 0 3 ) ，如陆面过程分布式模型s h e ( s y s t e m h y d r o l o g i c a le u r o p e ) 、t o p o m o d e l 等都需要太阳辐射数据。随着生态学和地球科 学研究尺度的扩展，分布式太阳辐射的研究也日趋重要。 地面净辐射就是接受来自太阳和大气层中的各种辐射与地面向外发射和反射 的各种辐射的差额；也就是入射和出射的通量之差，包括短波和长波。它是估算地 表面能量平衡的一个重要量：是研究生态系统水热平衡方程的因子之一，控制着进 入大气的感热通量和潜热通量，也是驱动大气运动的主要来源。净辐射的看似微小 的变化有可能导致天气和气候系统的巨大变化，净辐射的空间分布和随时间的变化 对我们认识天气和气候系统意义重大。净辐射可以反映地面热量资源的分布情况， 对充分利用能源非常重要。总之，净辐射通量对全球能量、水分循环、气候变化、 天气预报、农业气象的研究非常重要。 山地丘陵有丰富多彩的自然资源，它对人类的重要性将日益显示出来。山区有 广阔的森林，可以调节气候，储藏水源。要很好利用山区的资源，首先要充分了解 它。山区地形复杂，天气多变，气候多样；而且由于山地环境的复杂性和观测的艰 巨性，使得对山区的研究进展缓慢。我国山地丘陵占总面积的三分之二，它对于我 国经济发展有着极为重要的作用。因此，对山区的研究也有着重要的现实意义。 山地辐射是山区气候形成的重要能源。因此，探讨坡地辐射计算方法及其分布 是山地气候学研究的重要课题，也是研究山地气候资源开发利用的重要基础性工作 ( 翁笃鸣等，1 9 9 0 ) 。山地辐射的研究对于山区能量平衡、山区水分循环、山区气 候变化、山区农业气象非常重要。在遥远的地区和山区，很难开展辐射观测：山区 中国科学院博士学位论文：利用遥感资料估算复杂地形条件下的净辐射 气象台站稀少，尤其是发展中国家，且多设在交通和生活比较方便的河谷低处和山 谷里，不能代表各种地形，加之山区地形复杂，形成多种多样的局地状况，以致任 何一个站只可能代表有限区域。当地表平坦，在大气水平均一的假定下，可以把地 面辐射站点的测值进行空间内插或外推，但当地表不均一或崎岖不平时就很难进行 空间内插或外推( 王开存等，2 0 0 4 ) 。由于我国是一个多丘陵、山地的国家，地形 是影响我国太阳辐射空间分布的一个重要因素，再加上在山区观测太阳辐射的气象 站稀少，更不可能进行空间内插或外推来获得太阳辐射。许多水文、生态系统的研 究都集中在山区，而山区数据很缺乏，国家气候观测网络还没有能力提供足够的空 间数据。因此，建立合适的山地辐射空间分布模型，对于陆面过程、水文模型的输 入参数和建立全国空间辐射数据库具有重要的理论和实践意义。 目前，微观地形因素如局地海拔高度、地形坡度、坡向、地形遮蔽等参数在较 高分辨率的中尺度数值预报模式或区域气候模式中的影响在国内外各种类型的天 气气候数值模式中尚未较好地考虑。如果能够在高分辨率的数值预报模式和气候模 式中考虑复杂地形对辐射平衡各分量的影响，可以使复杂地形条件下地一气系统相 互作用过程更加接近实际，可以改进模式对复杂地形区域天气的模拟和预测( 陈斌， 2 0 0 6 ；张耀存，2 0 0 6 ) 。因此，从理论和模型计算上来研究地形对辐射的影响，将 是一项十分有意义的研究课题。 1 1 2 山区辐射研究现状 辐射传统的获取方法主要是：( 1 ) 利用辐射传输模式分项计算地表辐射收支。 此方法的优点在于能够比较细致地考虑大气中的辐射传输过程。但由于存在对辐射 传输过程全面真实地了解及参数化等许多有待于解决的问题，对于同一问题，采用 不同的实施方案所得到的结果差别很大，因此，辐射模式的计算结果具有不确定性 ( c e s s ，1 9 9 0 ；王可丽，1 9 9 5 ；杜建飞，2 0 0 4 ) 。( 2 ) 通过测量法和用常规气象资料计 算的方法获取。在国内，测量辐射的站点较少，而且仪器的维护、天气因素、人为 故障和下垫面的破坏等影响净辐射的正常观测，很难保证获得长期的辐射资料。利 用常规气象资料计算净辐射比较广泛，p e n m a n 修正式和f a op e n m a n m o n t e i t h 公式 是国内外最常用的两种参考作物蒸散量计算方法，这两种方法中用气象资料计算净 短波辐射和净长波辐射( 任鸿瑞等，2 0 0 6 ) 。这种方法在气象台站分布比较密集的 第1 章绪论 地区效果较好，但在台站分布很稀的青藏高原和广大山区，无法满足此方法应用的 条件。随着卫星遥感技术的发展，利用卫星获得时间连续、空间分布的地表资料， 获取空间分布的净辐射的方法就是利用卫星遥感数据。因为它不仅可以覆盖整个世 界，而且也可以提供随时间连续的数据。利用卫星资料来估算地表净辐射( 陈渭民 等，1 9 9 7 ；马耀明等，1 9 9 7 1 杨大生等，2 0 0 2 ：杜建飞，2 0 0 4 ) ，这对于地面测站 稀少的地区无疑是可行的，尤其是山区。 在利用遥感资料和d e m 研究复杂地形条件下辐射的文献中，很少有同时研究 短波和长波的文献。本文将分为短波和长波两部分来讨论。 1 、短波辐射 利用d e m 研究坡地短波辐射的研究较多，对坡地的辐射研究也大多集中在短 波部分，可以将这些研究可以分为两个阶段： ( 一) 山地太阳入射辐射研究的早期，只是理论上的研究，没有引入d e m ， 所以很难量化地形对入射太阳辐射的影响。在国内，傅抱璞( 1 9 5 8 ) 对坡面太阳辐 射做出了开创性的理论研究，傅抱璞在计算不同地形下辐射收支各分量时选取了 东、西、南、北坡及东西走向谷地( 包括长谷、河谷、和峡谷等) 和近乎圆形的山谷 或盆地，可是实际应用中地形是崎岖起伏的，并不可能这么规则。后来，翁笃鸣 ( 1 9 9 0 ) 、朱志辉( 1 9 8 7 ) 、李占青( 1 9 8 8 ；1 9 8 8 ) 等人发展了这一方法，并将其引 入实际的太阳辐射空间模拟，进行了坡面辐射的计算。在国外，h a y ( 1 9 7 9 ，1 9 8 5 ) 将坡地太阳辐射分为三部分：直接辐射、散射辐射、周围地形的反射辐射，计算了 坡地太阳辐射，他提出了一个计算坡面散射辐射的各向异性模式；他在计算地形对 太阳辐射的影响时，只是用了坡度的余弦值，这对于被地形阻挡的天穹部分的计算 是不合理的。傅抱璞( 1 9 8 3 ；1 9 9 6 ) 从理论上研究了地形对辐射收支的影响，计算 公式复杂，中间参数难以获得，很难利用其公式来空间化净辐射。翁笃呜( 1 9 9 0 ) 用了我国6 5 个日射站和1 7 4 个气象站的3 0 年整编资料研究了我国坡地的净辐射， 但是他对辐射平衡方程中的短波坡面入射辐射采用了一个简单的系数对水平面的 实际辐射进行修正，计算缺乏物理基础；而且用这么少量台站拟合出来的系数在小 流域范围内并不适用，因为有的流域并没有测站，所以缺乏代表性。b a r r y ( 1 9 8 1 ) 用简单的坡度余弦值把水平地表的辐射修正到坡地上。这些早期的研究由于当时的 计算机水平很有限，没有引进d e m ，在计算太阳辐射时并没有精确地模拟地形对 中国科学院博士学位论文：利用遥感资料估算复杂地形条件下的净辐射 太阳辐射影响的参数，所以很难将地形对长波和短波辐射的影响空间化。 ( 二) 在9 0 年代，由于计算机和地理信息系统的发展，研究人员开始引入d e m ， 并根据d e m 发展了一些地形参数来计算了短波入射总辐射，这一时期的研究将坡 地太阳辐射空间化了，大多都应用了d o z i e r 的地形参数，较为合理地表达了地形对 短波辐射的影响。d u b a y a h ( 1 9 9 0 ；1 9 9 5 ；1 9 9 7 ) 基于g i s 用数字高程模型模拟了 晴空下的太阳入射辐射随地形的空间变化，在计算中用到了d o z i e r 提出的天空可见 因子和地形结构参数，发展了一个s o l a r f l u x 模型。王开存( 2 0 0 4 ) 计算了复杂 地形下的太阳辐射，他在计算直接辐射时没有考虑地形的遮蔽，这对结果的准确性 影响很大。李新等( 1 9 9 9 ) 在计算任意地形条件下太阳辐射模型时采用了遮蔽因子、 全天各向同性可见因子等地形参数，并利用这些地形参数对h a y 的各向异性的散射 辐射模式进行了修正，并且在计算直接辐射时用到遮蔽因子，这比以往的算法进步 了很多；但在计算散射辐射中的各向同性分布通量时重复考虑了地形的影响。在国 外，p r o y ( 1 9 8 9 ) 估算地形对遥感数据的影响时，计算了复杂地形下的太阳总辐射； d o z i e r ( 1 9 9 0 ) 利用数字高程模型开发出模拟太阳辐射的地形参数( 遮蔽因子( 1 9 8 1 ) ， 天空可见因子，地形结构参数) 的快速算法，使太阳辐射的模拟精度更高，空间性 更强，使坡地太阳辐射的计算达到了一个新的水平。在利用数字高程模型和卫星资 料计算地表短波净辐射和反照率的研究中，地表入射太阳辐射的计算都是关键问 题，尤其是利用高分辨率的卫星资料时( 如t m 、s p o t 等) ( d u g u a y ，1 9 9 2 ；d u b a y a h ， 1 9 9 2 ：g r a t t o n ，1 9 9 3 ；李新，1 9 9 7 1w a n g ，2 0 0 0 ；l ie ta 1 ，2 0 0 2 ；w a n g ，2 0 0 5 ) 必须考虑地形的影响，他们在利用d e m 和l a n d s a t 5t m 估算山区的地表反照率时 考虑到了地形的影响，这些研究工作在计算太阳总辐射时大都采用了d o z i e r ( 1 9 9 0 ) 提出的地形参数，都将太阳总辐射为三部分直接辐射、散射辐射、周围地形的 辐射来计算，但在具体计算每一部分时有的地方不够完善，在本文的模型中进一步 讨论了这些问题。 前人对于直接辐射的计算，主要是用地形遮蔽因子和坡地入射角将水平地表的 直接辐射修正到坡面上。有的( g r a t t o n ，1 9 9 3 ；s a n d m e i e r ，1 9 9 7 ；w a n g ，2 0 0 0 王开存，2 0 0 4 ) 没有考虑周围地形的遮蔽和坡地的自我遮蔽。p r o y ( 1 9 8 9 ) 考虑了 地形的自我遮蔽，但没有考虑周围地形对目标点的遮蔽。l i ( 2 0 0 2 ) 在计算直接辐 射时，考虑了周围地形的遮蔽和自我遮蔽的情况下，将坡地直接辐照度表示为如下： 4 第1 章绪论 = ( 龟，i ) z 圪f c o s ，w h e nc o s l o = 0 w h e nc o s l o。v 疗d 2 “叫7 甲- ， 乃2 0 。h e n ，i 8 e ( 1 1 0 ， 式中，d 是以像元个数为单位的第i 个和第j 个像元的距离； 4 ( 旯) = 万亩舌t ( 旯) 勺 ( 1 - 1 1 ) 式中，l ( 旯) 表示周围像元的辐射亮度；n 表示周围像元的个数。 事实上，李新的计算方法和p r o y 的计算方法一样，但李新明确地提出了形状因 子的概念。 ( 四) d o z i e r ( 1 9 9 0 ) 提出了地形结构参数，他用地形结构参数来表示来自周围地 形的反射辐射对目标点贡献的大小。这个地形结构参数既包括各向异性的辐射，也 包含周围地形中互相可以通视的点对目标点的几何影响。d o z i e r 计算地形结构参数 的原创公式是一个复杂的二次积分，由于计算量的问题，他对其简化成以下公式： q 丁l + c o s 一( 1 1 2 ) 地形反射辐射的计算公式为： ( e 刎+ e 。旃一q c t q ，2 且二百二二一 ( 1 1 3 ) 其中q ，为周围像元对目标向的反射辐射；q 为周围像元的反照率；q 表示目标 点周围像元的地形结构参数。 中国科学院博士学位论文：利用遥感资料估算复杂地形条件下的净辐射 在本文中采取d o z i e r 年提出的地形结构参数来计算地形反射辐射。 2 、长波辐射 长波辐射也是辐射平衡的重要组成部分，利用d e m 研究复杂地形下长波辐射 的研究在国内几乎没有，在国外也较少：同时利用遥感影像和d e m 研究复杂地形 下的长波辐射的文献还没有看到。国外有些学者研究了复杂地形下的长波辐射： b a r r y ( 1 9 8 1 ) 将坡面长波辐射分为以下几部分：( 1 ) 坡面以某一温度向外发射的热 辐射；( 2 ) 大气对坡面的辐射；( 3 ) 大气向邻近地表的辐射被反射到该坡面的辐射； ( 4 ) 由邻近地表反射来的而为该坡面接收到的热辐射；但b a r r y 在具体计算时只用 了简单的余弦修正。o l i p h a n t ( 1 9 8 6 ) 对山区和积雪地区的长波辐射做了一些数值 计算和测量，并指出地面发射的各向异性和空气的影响应该考虑，但他并未研究如 何考虑地面发射的各向异性。c h r i s t i a n ( 1 9 9 7 ) 研究了积雪覆盖的山区表面的长波 辐射，他对山区的长波辐射是通过一个线性公式拟合的，而且地温也是经验公式计 算的。o l i p h a n t ( 2 0 0 3 ) 研究了在山区地形条件下地表辐射通量的空间变化，对于 长波辐射的计算用到了天空可见因子，这一点是值得借鉴的，但是也并没有明确地 将地形影响下的长波辐射分为几部分来表达，只是简单地用天空可见因子修正了地 表长波辐射和大气长波辐射。o r s i n i ( 2 0 0 0 ) 参数化了南极站的表面辐射通量，对 于地表反照率、长波、短波都采用经验的拟合公式。b e l l a s i o ( 2 0 0 5 ) 分析了复杂地 形下的辐射平衡，用天空可见因子修正了长波入射辐射，他对于长波入射辐射只考 虑了大气对地表的发射和被地形遮挡的地面发射两部分，没有考虑目标点接收到来 自周围地形反射的长波辐射部分。本文在b a r r y ( 1 9 8 1 ) 、o l i p h a n t ( 2 0 0 3 ) 、b e l l a s i o ( 2 0 0 5 ) 的研究基础上，将复杂地形下的长波辐射分为五部分来描述：( 1 ) 地表向 上的长波辐射：( 2 ) 大气向下的逆辐射；( 3 ) 地形遮挡的向上的地表长波辐射；( 4 ) 大气向邻近地表的辐射被反射到该坡面的辐射和由邻近地表反射来的而为该坡面 接收到的热辐射。( 5 ) 地表反射的大气向下辐射。在这四部分能量中，其中( 1 ) 和( 5 ) 为出射长波辐射；( 2 ) 、( 3 ) 和( 4 ) 为入射长波辐射，射长波辐射和出射 长波辐射两部分来计算。 大气下行辐射在能量辐射平衡方程中是一个重要的参数，但它也是一个很难正 确计算的量。如果大气温度和湿度廓线有效，大气下行辐射可以由s c h w a r z s c h i l d 方程的数值解来计算( g o o d y ，1 9 6 4 ) 。但是通常情况下，卫星过境时刻的这些大气 第l 章绪论 廓线很难有效，在前人的一些研究结果中( b r u n t ，1 9 3 2 ；s w i n b a n k ，1 9 6 3 ；i d s o ， 1 9 6 9 ；s a t t e r l u n d ，1 9 7 9 ；b r u t s a e r t ，1 9 7 5 ) 大都用水汽压和温度、或者只利用温度 来拟合的经验公式来计算大气下行辐射。 1 2 地表反照率研究意义及研究现状 1 2 1 地表反照率研究的意义 地表反照率( a l b e d o ) 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。 一般应用中指的是一个宽带，如太阳光谱段( o 3 4 0 1 a m ) 。对多波段遥感的某个谱段 而言，称为谱反照率( s p e c t r a la l b e d o ) 。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( r e f l e c t a n c e ) ( t 介民，2 0 0 4 ) 。 地表反照率( a l b e d o ) 表征地球表面对太阳辐射的反射能力，是影响地球气候系 统地面辐射能收支的关键因子之一( 林朝晖，2 0 0 2 ：l i a n g ，2 0 0 0 ；王开存，2 0 0 4 ) 。 研究表明，在干旱区，反照率的增加导致降雨和蒸散发的减少( s h u k l a ，1 9 9 4 ；l y o n s ， 2 0 0 2 ) 。地表反照率是一个广泛应用于气候模型研究、中长期天气预测、灾害监测 和全球变化研究等的重要参数( r u s s e l l ，1 9 9 7 ) 。准确测定地表反照率是研究地表 能量和水分平衡中的一项重要工作，具有十分重要的意义。反照率的传统计算方法 是用实测资料结合植被特征和土壤类型来进行估算的，如根据日射站的观测资料并 结合自然地理条件，研究地表反照率的分布特征，但这种方法往往因观测资料的局 地性和地表参数的不确定性而影响其计算精度。由于地表反照率受地球表面覆盖类 型等地表特征和太阳高度角、天气等因素的影响，具有较大的时空分异性，而且山 区测站很稀少，有的地方人很难到达。遥感技术克服了上述缺点，同时具有信息量 大、覆盖面广、实时性强等优点，尤其对于人们解决山区的问题帮助很大，因此近 年来遥感估算反照率同益受到重视。 利用遥感影像计算反照率的方法通常是先计算单波段的反射率，然后再将单波 段的反射率转换成宽波段的反照率。由于大气的存在，太阳辐射经过气体分子的吸 收和气溶胶粒子的散射而减弱，同时部分散射信号又由大气反射进入到传感器，又 得到增强。反映在实际处理中，大气影响降低了图像的反差比，使图像可读性降低。 9 中国科学院博士学位论文：利用遥感资料估算复杂地形条件下的净辐射 随着遥感应用定量化、精细化的快速发展，如何去除遥感数据的大气影响、地形影 响，已成为众多为研究者关注的对象。 1 2 2 坡地地表反照率研究的现状 由于遥感影像的波段都是窄波段，所以都必须先由窄波段的反射率转换成宽波 段的反照率( r u s s e l l ，1 9 9 7 ；l i a n g ，2 0 0 1 ) 。目前，国内外已经有大量的学者研究 了从遥感影像获取地表短波反照率和反射率，这方面的文献很多，但是这些研究工 作多没有考虑地形的影响。由于本文研究的是复杂地形下的反照率，所以对于这些 没有考虑地形影响的文献在这里不予列出。地形对光学遥感卫星影像数据的辐射亮 度的影响是非常显著的，朝向太阳的坡面会接收到更多的光照，看起来色彩也就更 亮一些；而被地形阻挡的地方，接收不到来自太阳的直接辐射，看上去是很暗，几 乎是黑色的。事实上，卫星遥感器所记录的地面目标的辐射亮度由两方面因素决定： 一是地面目标接收到的辐射能量；二是遥感器接收到的来自地面目标的反射能量。 地形不仅影响到地面所接收的辐射能量，同时，地形的变化也会改变太阳辐射源、 地面目标和卫星遥感器三者所构成的几何结构，而这种几何结构决定着地面目标在 卫星遥感器方向上的反射辐射能量的多少( 武瑞东，2 0 0 5 ) 。由遥感数据反演地表 反射率与反照率所要解决的主要问题是地形辐射校正和大气辐射校正。在地形辐射 校正中，有2 个限制因素：校正中须考虑大气影响，但难以准确获取大气参数的 空间分布；地形本身的复杂性使d e m 在精度上很难满足实际要求。传统的大气 校正方法主要采用辐射传输模型，原理复杂，且需要较详细的大气资料，难以获取 大气廓线资料，在地形起伏较大的山地，大气参数是随海拔高度而变化的，这些因 素限制了传统大气校正方法的实际应用。因此，探索简便而可靠的辐射校正方法一 直是山区遥感研究的难题。 从2 0 世纪8 0 年代后期开始，有关学者就试图通过各种努力去减少或消除地形 对遥感图像的影响，国内这方面的研究很少。在国外，j e f f r e y ( 1 9 9 1 ) 在地形标准 化文献中研究了地形对l a n d s a t 数据的影响，但是并没有清楚地表达地形对太阳辐 射的影响，只是用了一个简单的经验纠正系数对影像进行了地形纠正；c o n e s e ( 1 9 9 3 ) 虽然在地形标准化时用到了数字地形模型，但没有考虑从邻近地形反射的 这部分辐射。这些早期的地形标准化的方法主要是波段比方法、余旋律方法、 l o 第1 章绪论 m i n n a e r t 方法，这些经验的方法适用范围非常有限，往往需要为每一景单独获取相 关参数。这个时代的地形纠正都是经验的，并没有全面地考虑地形的影响。 近年来，针对上述遥感基础研究中存在的问题，在借助于d e m 和遥