地物反射光谱.pdf

第 l 5 卷第 3 期 北 京农 业 大学学 报 1 9 8 9 年 Vo1 1 5 No 3 ACT AGRI CULTURAE UNI VERSI TATI S PEK I NENSI S 地物反射光谱的测试 金仲辉 摄 薹 本文 讨 论 了双 向反 射 率 分布 函数 双 向反 射 率 双 向反 射 率 因子 等光 谱 反 射 率 之间 的 关 系 并指出了在一定条件下 遥感技术 中野外测量地物反射光谱所得的双向反射率因子和物理学 中惯用的光谱反射 率即半球反射率定 卫 全部反射光功率与 射光功率之比 是完 全一 致的 最 后 还 讨 论 了在 野 外 穗 量 地物 反 射 光 谱 时需 要 注 意 的 几个 具 体 问题 关 饲 地物反射光谱双 向反射 率分布函数半球反射率 一 镜 面反射 和漫反射 当一束平行光投射到两介质平的界面上时 反射光具有确定的方向 且入射角0 等于反 射 角e 如 图 l所示 反射光 强度 和两 介质 的折 射 率n n 及入 射 角e 有 关 当光投射到一粗糙界面上时 若反射光分布在各方向且在单位面积 单位立体角内反射的 光 功率i E T COS O e 为界面的法线与反射光方 向问夹角 如图 2 所示 即 f I 田 1 圈 2 图 3 o c COS0 这种现象称漫反射 此粗糙界面称漫反射面 或朗伯反射 酉 将上述规律写成等式即为朗 伯余 弦定律 的数 学表 示式 BC OS O 1 其中常数 B 称为漫反射面的反射辐射亮度 W s r m 可将 1 式绘 成 图 的 形 式 如图 3 所示 说明反射光功率呈球状空间分布 在 完成 本 戈 的过程 中 曾秤 到 俞 和程 教授 和张 袁名 剐 教 授的 帮鼬 在 此衰景 衷 心 的葛 膏 3 40 维普资讯 若将M定义为漫反射面单位面积上向上半球空间反射的所有光 功率 M j 一 B c s e a w B 删亦 M B 则 由 1 式得 若入射至漫反射面上单位面积的光功率为E 即照度 并把p 定义为半球反射率 M PE 由 2 式和 3 式 得 B 匕 D 靠 上 式告 诉我 们 漫 反射 面的亮 度 B和半 球 反射率 p 之 间存在 着一个 简单 的关 系 二 实 际 界 面 反 射 2 则 显然 有 3 4 实际地物 的表面 既非镜 面又非漫 反射面 于是反 射光无 确定 的方 向 反射面 的辐射 亮度 B 也不 是常 数 它往 往与光 源方 向和 接收反 射光 的仪器方位 有关 这也就是在 遥 感 的书刊 中 入 众多 的反射 率定义常带 有 双 向 二字的 缘故 1 双向反射率分布 函敢f 0 e 它定义为在仪器的接收方向 e 上 地物反射辐射亮度4 B e e 与 光源在 e 方向上时的入射辐射照度d E e 叩 的比值 即 f e e 旦 盟 1 球面度 5 其 中e e 叩 的定 义如 图 4所 示 d E e 实际上是扩展光源 如太阳 单位 面积 上辐射 出来 的光 功率 中的一部分 落在所 研究的地物表面上 简言之 就是地物表面 单位面积上所 导 到的光功率 d E e 可 以写 成 d E 0 B e c e d W 6 其 中B e 称 为扩 展 光源 的辐射 亮 度 单位 为瓦 米 球 面度 由以上 双 向反射 率分布 函数 的定 义可看 出 它 比较符 合 实际 的情况 即全面地 描述 了地物 的反射方 向特性 但 由于dE e 值 在实 际测 量 中很 难测量 再加上 实 际测量 工作量也极大 所 以在工作中难于直接使用它 2 双向反 射率p e 口 它 的定义 如下 e 图4 3 4t 维普资讯 f 0 0 o 0 B 0 d W 7 0 W d B 1 o 0 B0 d 由上式看来 p e 叩 0 叩 的定义似乎很容易接受 因为它具有某种形式上的 对称 性 但是正由于这种对称性带来了麻烦 因为p 0 0 c P 还和光源 地物 仪器 之间的相对位置有关 即和d W d W 有关 如仪器和地物之间距离的 变化 将 引 起 d W 的变化 所以它不能直接反映地物的特征 正是由于上述原因 不同条件下铡得 的 双向 反 射 率往往 难于 比较 5 双向反射率因子 R e 0 它定义为 在一定的光照射和观测条件下 目标 地物 的反射光功率与处于同 光照 射 和观 测条件下 的标 准参考面 的反射 光功 率 之比 即 R O 器 8 其 中d B d Bi 分 别为 目标和标准 参考 面 的亮度 这里 标准参考面 指 的是半球 反 射 率 p 一 1 的漫反射面 根据 5 式 有 一 d 一 f T dE d Bi f p d E 将上二式代入 8 式 得 R 0 0 f P 9 上式说 明双向反射率因子 等于 目标的双向反射率分布 函数与标准参考面的双 向反射率分布函 数 的 比值 对于 p 1 的漫 反射面 有 B E B M l 1 0 由 9 1 0 二式 得 R 0 叩 0 叩 f T 0 叩 0 叩 1 1 由上式可看 出 在使用标准参考面的情况下 把实际测量 中较容易测定的R 0 0 和能反映地物特征恰又难于测定的f O 叩 j 0 叩 联系起来 了 这就使R 0 叩 日 叩 是 一个重 要 的物 理量 若考虑到具体标准参考板的已知光谱反射率p 则 目标的双向反射率因子可写为 R 0 叩 0 叩 p R 0 叩 e 1 2 由 7 式 和 1 1 式 得 p 0 c O 0 f 0 0 o 0 B 0 d W 一e d W R 0 e p 1 3 上式将双向反射率和双向反射率因子联系起来 由以上讨论可清楚地看出 f 0 c O 0 叩 p 0 e R 0 叩 0 叩 三者并不是相互独立 的 而存在着紧密的联系 在三者中易于实际测量面又能反映地物反射 光谱特征的是双向反射率因子R 0 0 4 0 e 柏测量 我们先强调一下 双向反射率因子定义中的标准参考面是一个垒反射的漫反射面 但实 际上我们所使用的参考板是p 1 的漫反射面 所以在以下推导 中要用到1 2 式所显示的辑念 在野外测量 R 0 0 耐 所用构模式如图 4 所示 地物经反射进入接收仪器的 342 维普资讯 光 功率 为 T f T B T 5 1 4 参考 板 经 反射 进入接 收仪 器的光 功率 为 日 f 日 B s s l 5 其中f f 分别为地物至仪器和参考板至仪器的太阳辐射透过率 可认为 f t 和B e 分别为地物和参考 板的反射辐射亮度 s 和 分剐为接收仪器的视场立体角 有救接收 面积 和接 收光谱 的遥道 由于接 收仪 器输 出电 流 I正 比于入射 光 功率 设 其 比倒 系数 为 k 故 有 k I k I 1 6 由 1 4 1 5 和 1 6 三式 得 I I s 一 a B B a B 导 p 自 B B M 8 一 p B p 自 P 1 7 1 8 上式中的B P 为P l 的漫反射面在照度 E 作用下产生的辐射亮度 由双向 反 射率 因子的定义 和 1 8 式 得 R 0 甲 0 甲 1 B T 0 甲 j 0 甲 B P P 日 I T I s 1 9 上式告诉我们 只要知遭 参 考 板 漫反射面 的光谱反射率p a 以及测量出光电流I 及I s 就可求 得地物的双 向反射率因子 讨论 1 若地物是一个漫反射面 这时有 B T M p T E p T BP R 0 j 0 B T B P p T 2 o 上式告诉我们 在地物和参考板都是漫反射面情况下 测得的双向反射率因子就等予地物的 半球反射率 而且它与光源和仪器的方位无关 这个结论很重要 因为只有半球反射率才真 正反映了光和物质相互作用的总效果 并使测量太为简化而易于实行 讨论 2 若地物不是漫反射面 那就没有R p 的结论 此 时测得的 R o o 2 1 u P 上式的R是 0 甲 j 0 的函数 而且由于地物不是漫反射面 可能有较强的镜面反射 效果 在某些方 向上它的反射辐射亮度 值就有可能大于标准参考面的辐射亮度 B 值 在 这种情况下测得的R 0 叩 0 值就可能太于l 显然 采用太于l 的反射率值来表 征 地物 反射光谱 的特 征是不可 取的 三 测量 中的几个具体问题 我们 始终 要 明了 2 O 式 是测 量的 出发 点 这包宙 二方面 的意思 其一 是入射光在 确定 的方向 其二是参考板和地物表面都是漫反射面j另外在野外的测量中 了便于与卫星测 重琏暴蛙 常使光谱便的光轴与天顶方向 见图4 一致 即0 o 一0 1 夭 空光 和云 的影 野外测置时 除了太阳光还有大气散舯 陌光产生 的天空光和云 这 2个因素对测量结果 3 l3 维普资讯 有 否 影 响 如果假定天空光是一十余弦辐射体 经理论分析和模 拟测量得出 在0 5 2 3 1 1 波 长范围 内 可见度为 8 k m情况下 即使不考虑天空光也最多带来 3 嘶的系统误差 所 以在测量 中常 不 考虑天 空光 的影 响 至于 云 尤 其在太 阳近旁 的云对测量 结果 的影 响很 大 且 没 有一定 的 规 律 所以 在测 量 时一定要选择 晴朗无云 的天气 2 参考板 韵髟 响 已经 明确 测量 是建立 在 2 0 式 的基础 上 而 这要求 参 考板 是一个漫 反射面 它 的 反 射光强度分布应遵循图 3 所示 的余弦分布规律 但实际的参考板是偏离 这个规律的 而且入 射光 的方 向不 同 反射光 的强度 分布也不 同 图 5示 出了入 射光垂 直入 射 下 反射光强度 分 布呈椭 球 面分布 图 6示出 丁入 射光 倾斜入射 时的反射光 强度 分布 它 的特 点是在 入射光 方 向 上的反射强度小 而在与镜面反射所对应的出射方 向强度大 由此可看出 实用的参考板严 格 说来不 是漫反射 面 那么 在什么 条件下它 可 以被 认 为是 一个 近似 漫 反射 面 呢 这可 以利 用 漫射角 的概念来解释 所谓漫射角是当照度一定的条件下 入射角0 在某一个范围内 法线 上 的反射辐射亮度B 不变 或在一定的误差要求下 此角0 称为参考板的漫射角 由以 上 分析 可知 在 测量之前 应对参考 板的物 理性能及 有关 的参 数有所 了解 向 图5 圈6 5 潮 置时要使 地物 表面 尽 可能是 漫反射 射面 1 测量高度 的选择测量高度选择随地物种类不同而不同 但考虑的原则是相同的 那就是测 量 时应 有一定 的高度 使 有足够大 的视 场以保 证地物 表面 的起伏 度 较 之于 视 场要 小 即保证 地物表 面近似是 一个漫 反射 面 这样测 得 的数据 有较 好 的重 复性 笔 者 曾测 量 正 在灌桨的水稻的反射光谱 取了1 5 m 3 m 6 zT 1 和1 2 m四个不同的高度 仪器视场角为3 4 发现 测量 结果 无显著 差异 但 高度 越 高方 差越小 1 2 m 高 度下 的 方差 要 比1 5 m的小 2 2 5 倍 一 般说 来 在 野外测量 条 件允 许 情况下 高度高些 是 有利 的 2 测量时间的选择测量时间的选择主要取决于太阳高 度角 见 图 4 据云南 腾 冲 的遥 感试 验资料表 明 仅 夺太 阳高度 角小 于3 5 的时候 测得 的光 谱反射 率数 据略有 增 高 那 就是说在 太 阳高 度角大 于3 5 情 况下 测量数 据是 稳定 的 可以 认 为地 物表 面是一 卜 近似漫反射面 另外美国的普度大学遥感试验资料表明 他们测量时太阳高度角处于6 一 3 5 范围内 由于地球 的运动 太阳高度角随地随时变化的 这就是为什么在遥感书刊 中提 及 的测量 时间往往 是各不 相 同的原 因 某地 某 时太 阳高度角 值 由下式决 定 咖 s i 由 6 嘲 6 嘲 t 2 2 维普资讯 其 中 为地理纬度 6 为太阳赤纬 t 为太阳时角 赤纬是指太阳光与地球赤道 平面 的夹角 一 年冉赤纬在 2 3 2 7 t 之间变动 b 值可查有关的表得知 太阳时角的定义 以地方时1 2 点 的时角t 为零 6 点t 为一 2 i 8 点t 为 2 例 9月1 0 日在米脂县进行测量 3 7 4 6 6 5 得米脂县地方 时 是和太阳高 度 角关 系为 由以上计算可知 若要在大于4 5 的太阳高度角下测量 测量时间宜在 米脂县 地方 时l 0 0 0 1 4 0 0 范 围 考 虑到 北京时 间是以东径 1 2 O 定 义 的 而米 脂县位 于东径 l 1 所 以米脂县地方时 0 0 0 对应北京时间为1 0 4 0 再考虑到 9月l 0 日我国执行北京夏令时 所 以 米脂 县地方 时i 0 0 0 对应 北京夏 令时 为 1 l 4 0 参考文献 i S wai n P H Re mot e Se n s i ng The Qua n t i t a t i re Appr o ac h M c GRAW HI LL I NTER NA T1 0NAL B00K C0MPANY 1 9 7 8 2 且新 骅 遥 理 墓 蕊 商 务 印 书馆 1 8 8 1 3庄 培仁 赵 不 仁 置 技 木 置t 冀盥 甩爵 兔 坞质 出舨 社 1 9 8 4马 柴斌 卓 宝J ll 置 蓐鼻 理和 工 最 地质 判 彝 A C TA AGRI CULTURAE UNI VERS I TATI S P EKI NENS I S Vo1 15 No 3 1 9 8 9 THE TES T 0F THE REFLECTI VE S PECTRUM OF GROUND OBJ ECT Ji n Zhonghui A b s t r act Th e p a p e r di s c us s e s t h e r e l a t i o ns hi p a Ao ng t h e b i d i r e c t i o na l r e f l e c t a nc e di st ri but i on f t t nct i onJ bi di se ct onal f ef l e ct anc e and bi d r ec t i onal r e f e et ance f act or s how s t hat i n r e m o t e s e n Si ng t ec hnol ogY t he bi di r e ct i ona1 r e fl e ct ance f a c t o r c al c ul at e d f r o m t h e r e f l e c t i r e s p e c t r um o f ba c kg r O Und o bi e c t i n f e l d