遥感物理-基础概念.pdf

第二章第二章 遥感基础概念遥感基础概念 遥遥 感感 科科 学学 第一节第一节 遥感常用术语遥感常用术语 第二节第二节 遥感数据基本特征遥感数据基本特征 第三节第三节 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的物理量 第四节第四节 物体表面的反射特性物体表面的反射特性 第五节第五节 遥感数据定标中的定量化遥感数据定标中的定量化 电磁波谱电磁波谱 电磁波信号是遥感研究的对象 区分电电磁波信号是遥感研究的对象 区分电 磁波特性的主要因子之一是波长 频率 磁波特性的主要因子之一是波长 频率 电磁波依据波长轴线的分布称为电磁波谱 电磁波依据波长轴线的分布称为电磁波谱 紫外紫外 可见可见 近红外近红外 中红外中红外 热红外热红外 微微 波波 0 3 m 1 0 m 3 0 m 10 0 m 100 0 大气大气 透过率透过率 X C S L P K Ka Ku 大气窗口大气窗口 1 mm 1 cm 1 m 氢原子的大小约为氢原子的大小约为1 04埃埃 遥感分类遥感分类 依据所感应的电磁波波长 可以将遥感依据所感应的电磁波波长 可以将遥感 分为 分为 光学遥感光学遥感 0 4 m 2 5 m 热红外遥感热红外遥感 8 m 14 m 微波遥感微波遥感 1 mm 1 m 各自特性 用途 各自特性 用途 主动遥感 被动遥感 主动遥感 被动遥感 遥感器与平台遥感器与平台 遥感器 用于遥感成像 记录 传输的仪器遥感器 用于遥感成像 记录 传输的仪器 遥感平台 搭载遥感器的装备遥感平台 搭载遥感器的装备 Category Platform Sensor Polar orbiting meteorological NOAA AVHRR FY 1 MVISR Geostationary meteorological MTSAT JAMI FY 2 S VISSR Earth observing Landsat ETM SPOT HRV Terra Aqua MODIS 依据遥感平台种类 可以将遥感分为 依据遥感平台种类 可以将遥感分为 地面遥感地面遥感 机载遥感机载遥感 星载遥感星载遥感 电磁波的散射和吸收电磁波的散射和吸收 当电磁波在介质中传播时 会发生散射当电磁波在介质中传播时 会发生散射 scattering 和吸收和吸收 absorption 其中散射又 其中散射又 造成反射造成反射 reflection 和透射和透射 transmission 透射透射 反射反射 入射入射 吸收使电磁波强度减弱吸收使电磁波强度减弱 在热红外和微波区域 还存在热红外和微波区域 还存 在介质自身发射的电磁波 在介质自身发射的电磁波 增强电磁波强度 增强电磁波强度 反射与透射区别在于电磁反射与透射区别在于电磁 波出射的方向 波出射的方向 2 地物反射光谱特性地物反射光谱特性 由于物体自身成分和结构特点 对于不同波长由于物体自身成分和结构特点 对于不同波长 的电磁波有选择性的反射 物体反射率随波长的电磁波有选择性的反射 物体反射率随波长 而改变的特性称为地物反射光谱特性 而改变的特性称为地物反射光谱特性 光谱曲线 光谱曲线 植物 植物 水体 水体 土壤 土壤 云 雪 云 雪 水体水体 叶绿素 叶绿素 水体水体 泥沙 泥沙 新雪 旧雪 新雪 旧雪 地物波谱 特性 地物波谱 特性 分辨率分辨率 空间分辨率 平台高度 遥感器瞬时视空间分辨率 平台高度 遥感器瞬时视 场角场角 IFOV 成像角度 成像角度 时间分辨率 轨道周期 覆盖范围时间分辨率 轨道周期 覆盖范围 光谱分辨率 遥感器设计光谱分辨率 遥感器设计 例 例 1 OMIS 3mrad 1000m 机下与斜视机下与斜视45度时的空间分辨率 度时的空间分辨率 NOAA AVHRR瞬时视场角 星下点瞬时视场角 星下点1 1km 卫星高卫星高700km 2 TM AVHRR重复周期的区别重复周期的区别 3 OMIS 0 4 1 1 m范围内范围内64通道 光谱分辨率 通道 光谱分辨率 立体角立体角 Solid Angle 立体角是立体角是球坐标系中重要的度量参数之一 其定球坐标系中重要的度量参数之一 其定 义为义为球面对球心的张角 球面对球心的张角 即 即 r2 立体角单位为球面度立体角单位为球面度Sr steradians 整个球面对整个球面对 球心所张立体角为球心所张立体角为4 半球对球心所张立体角为 半球对球心所张立体角为 2 定量遥感中也常用定量遥感中也常用 指代方向 如方向指代方向 如方向 等 即等 即 与初始方向夹角为与初始方向夹角为 的某三维计量的方向的某三维计量的方向 微分立体角元 参见下图 微分立体角元 参见下图 d d r2 dcos d sin d d 微分立体角微分立体角d 展开展开 沿经线边长 沿经线边长 r d 沿纬线边长 沿纬线边长 r sin d 因此 因此 d r2 sin d d d d r2 sin d d r d d 球体表面微分面积元球体表面微分面积元 波段响应函数波段响应函数 Spectral Response Function Curve 波段响应函数波段响应函数 是遥感器的固有参数 仪器是遥感器的固有参数 仪器 出厂时 厂家会给出遥感器各个波段的响应函出厂时 厂家会给出遥感器各个波段的响应函 数曲线 可以从说明书中查到 在遥感器运数曲线 可以从说明书中查到 在遥感器运 行过程中 随着仪器的磨损 包括波段响应函行过程中 随着仪器的磨损 包括波段响应函 数在内的许多光学参数都可能发生变化 数在内的许多光学参数都可能发生变化 例 例 MODIS 32 11 77 12 27 m 波段响应函数 波段响应函数 伽马 半波高 响应50 处 算作有效信号 遥感器的某一波段可以探测一段波谱范围的信号 例遥感器的某一波段可以探测一段波谱范围的信号 例 如如MODIS 32通道可以感应通道可以感应11 77 12 27 m的信号 理的信号 理 想的遥感器应该是 方波 即对小于想的遥感器应该是 方波 即对小于11 77 m 大 大 于于12 27 m的波谱信号响应度为的波谱信号响应度为0 而在两者之间的 而在两者之间的 信号响应度为信号响应度为1 1 11 77 12 27 0 理想的遥感器 以理想的遥感器 以MODIS 32为例 为例 但是限于工艺水平 制作时只能尽量往 方波 上靠 但是限于工艺水平 制作时只能尽量往 方波 上靠 实际的遥感器波段响应均有一定误差 实际的遥感器波段响应均有一定误差 波段响应函数表征了遥感器的某一波段对各个精细的波段响应函数表征了遥感器的某一波段对各个精细的 电磁波谱的感应程度 因此在很多涉及到光谱转换的电磁波谱的感应程度 因此在很多涉及到光谱转换的 工作中 应该利用波段响应函数对待求参数进行加权工作中 应该利用波段响应函数对待求参数进行加权 平均 平均 例例1 求算波段的等效中心波长 求算波段的等效中心波长 错误公式 错误公式 正确公式 正确公式 分别为波段的左右范围 其中21 12 2 0 0 d d 等效中心波长 对于方波 简化的等效波长公式是什么 对于方波 简化的等效波长公式是什么 加权和 例例2 将地面光谱仪测试的一系列窄波段数据拟合到将地面光谱仪测试的一系列窄波段数据拟合到 某一遥感器波段数据某一遥感器波段数据 该工作主要为了方便地面波谱测试数据与遥感数据的该工作主要为了方便地面波谱测试数据与遥感数据的 对比 也可以应用于高光谱数据与对比 也可以应用于高光谱数据与TM NOAA等宽等宽 波段数据的对比 波段数据的对比 窄波段数据可以假设为方波 假设光谱仪测试的反射窄波段数据可以假设为方波 假设光谱仪测试的反射 率数据为率数据为 则拟合到具有响应函数 则拟合到具有响应函数 的某一宽的某一宽 波段上的反射率为 波段上的反射率为 d d 0 0 例例3 计算某一遥感器波段的太阳辐射计算某一遥感器波段的太阳辐射 由于遥感器接收的是地物的辐射亮度 因此该工作主由于遥感器接收的是地物的辐射亮度 因此该工作主 要用于推导某一遥感器波段上的地物反射率 反射率要用于推导某一遥感器波段上的地物反射率 反射率 定标过程中离不开这一方法 假设已知太阳辐射分布定标过程中离不开这一方法 假设已知太阳辐射分布 F0 则在具有响应函数则在具有响应函数 的某一波段上的太阳辐的某一波段上的太阳辐 射为 射为 d dF F 0 0 0 0 以上三个例子中的积分式在数值运算时都可以用加法以上三个例子中的积分式在数值运算时都可以用加法 替代 上下限可以用给出的替代 上下限可以用给出的 的上下限替代 的上下限替代 d 用用 即 即 函数中的每一小段波长间隔 替代 函数中的每一小段波长间隔 替代 冲击冲击 激激 函数函数 Impulse Function 冲击函数冲击函数 是狄拉克最初提出并定义的 所以又是狄拉克最初提出并定义的 所以又 称狄拉克函数 在信号处理中被广泛应用 反映称狄拉克函数 在信号处理中被广泛应用 反映 一种持续时间极短 函数值极大的信号类型 一种持续时间极短 函数值极大的信号类型 在定量遥感中通常用来描述物理量只在某一个方在定量遥感中通常用来描述物理量只在某一个方 向上存在 以向上存在 以 表示 表示 此时冲击函数单位为球面度此时冲击函数单位为球面度Sr的倒数 具有性质 的倒数 具有性质 积分结果得到了函数积分结果得到了函数 A 在在 方向 冲击方向 的函方向 冲击方向 的函 数值 即将该函数在该方向的值抽取出来 因此称为数值 即将该函数在该方向的值抽取出来 因此称为 抽样特性 抽样特性 0 1 4 d 冲击函数具有抽样特性 设某函数冲击函数具有抽样特性 设某函数 A 与冲击函数相与冲击函数相 乘 并对乘 并对 4 空间积分 则有空间积分 则有 4 AdA 第二章第二章 遥感基础概念遥感基础概念 遥遥 感感 科科 学学 第一节第一节 遥感常用术语遥感常用术语 第二节第二节 遥感数据基本特征遥感数据基本特征 第三节第三节 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的物理量 第四节第四节 物体表面的反射特性物体表面的反射特性 第五节第五节 遥感数据定标中的定量化遥感数据定标中的定量化 遥感数据的特征遥感数据的特征 针对复杂的地表状况和变化规律 遥感数据针对复杂的地表状况和变化规律 遥感数据 中存在着多种与目标有关的特征 中存在着多种与目标有关的特征 遥感是利用电磁波对目标物进行信息采集的 遥感是利用电磁波对目标物进行信息采集的 电磁波在介质中传输时 会与介质发生相互电磁波在介质中传输时 会与介质发生相互 作用而改变特性 通过观测分析遥感所获取作用而改变特性 通过观测分析遥感所获取 的电磁波特性 可以识别目标及目标物存在的电磁波特性 可以识别目标及目标物存在 的环境 因此分析遥感数据的各种特征必须的环境 因此分析遥感数据的各种特征必须 从分析电磁波特性入手 从分析电磁波特性入手 电磁波特性电磁波特性 可以用下列三个参量描述一个电磁波 即 可以用下列三个参量描述一个电磁波 即 强度 振幅 强度 振幅 波长波长 偏振 极化 程度偏振 极化 程度 此外 为表述电磁波在四维时空的位置及其传输此外 为表述电磁波在四维时空的位置及其传输 规律 还需要引入四个参量 规律 还需要引入四个参量 即 即 时间时间 空间位置 同时包括了相位信息 空间位置 同时包括了相位信息 传输方向传输方向 传输速度传输速度 上述七个参量中 除传输速度固定 光速 外 上述七个参量中 除传输速度固定 光速 外 改变任何一项都可以完整地定义一个新的电磁波 改变任何一项都可以完整地定义一个新的电磁波 因此称这六个参量为电磁波的六种特性 即强度因此称这六个参量为电磁波的六种特性 即强度 特性 波长特性 偏振特性 时间特性 空间特特性 波长特性 偏振特性 时间特性 空间特 性和方向特性 性和方向特性 综合上述 我们可以定义一个电磁波 形如函数 综合上述 我们可以定义一个电磁波 形如函数 0 p t s LF 式中 式中 L 分别为电磁波强度和波长 分别为电磁波强度和波长 s t 分别分别 为电磁波的空间和时间位置 为电磁波的空间和时间位置 为电磁波传输方为电磁波传输方 向 向 p 为电磁波偏振度 为电磁波偏振度 方向 当遥感以数据形式记录电磁波信号时 数据本身就当遥感以数据形式记录电磁波信号时 数据本身就 隐含了一定的电磁波特性 例如以特定波长的特定隐含了一定的电磁波特性 例如以特定波长的特定 偏振状态在特定时间和特定观测方向上记录特定空偏振状态在特定时间和特定观测方向上记录特定空 间范围内的电磁波通量或强度 所以我们所获取的间范围内的电磁波通量或强度 所以我们所获取的 遥感数据通常是反映目标物特征的全部电磁波信息遥感数据通常是反映目标物特征的全部电磁波信息 的一个子集 的一个子集 遥感中 传感器所接收的通常是电磁波的强度信息 遥感中 传感器所接收的通常是电磁波的强度信息 通过量化 以数据形式记录下来 变换前式 即得通过量化 以数据形式记录下来 变换前式 即得 到 到 p t s LL 该数据通过转换 可以反射率表示 该数据通过转换 可以反射率表示 p t s RR 由上式可以看出 遥感数据是波长由上式可以看出 遥感数据是波长 空间位置 空间位置s 时间时间t 观测方向 观测方向 和偏振状态和偏振状态p的函数 的函数 由此我们可以定义遥感数据的五种基本特征 即光由此我们可以定义遥感数据的五种基本特征 即光 谱特征 空间特征 时间特征 角度特征和偏振特谱特征 空间特征 时间特征 角度特征和偏振特 征 征 有且只有五种特征 正 交 独立 如果我们固定其它特征 而变化某一特征时 就得如果我们固定其它特征 而变化某一特征时 就得 到在相应特征维上展开的遥感数据子集 如到在相应特征维上展开的遥感数据子集 如 在光谱维上展开的多光谱遥感数据在光谱维上展开的多光谱遥感数据 在时间维上展开的多时相遥感数据在时间维上展开的多时相遥感数据 多角度遥感数据是在角度维上展开的遥感数据 它多角度遥感数据是在角度维上展开的遥感数据 它 与在其它特征维上展开的遥感数据共同构成多维遥与在其它特征维上展开的遥感数据共同构成多维遥 感数据 因此集中反映了遥感数据角度特征的多角感数据 因此集中反映了遥感数据角度特征的多角 度遥感数据是多维遥感数据集合的一个子集 即 度遥感数据是多维遥感数据集合的一个子集 即 R R multi direction 第二章第二章 遥感基础概念遥感基础概念 遥遥 感感 科科 学学 第一节第一节 遥感常用术语遥感常用术语 第二节第二节 遥感数据基本特征遥感数据基本特征 第三节第三节 表征电磁辐射的物理量表征电磁辐射的物理量 第四节第四节 物体表面的反射特性物体表面的反射特性 第五节第五节 遥感数据定标中的定量化遥感数据定标中的定量化 辐射能量辐射能量 Q 电磁辐射是具有能量的 它表现在 电磁辐射是具有能量的 它表现在 使被辐照的物体温度升高使被辐照的物体温度升高 改变物体的内部状态改变物体的内部状态 使带电物体受力而运动使带电物体受力而运动 辐射能量 辐射能量 Q 的单位是焦耳 的单位是焦耳 J 1 14 辐射通量辐射通量 radiant flux 在单位时间内通过的辐射能量称为辐射在单位时间内通过的辐射能量称为辐射 通量 通量 Q t 辐射通量 辐射通量 的 的单位是瓦特单位是瓦特 焦耳焦耳 秒秒 W J S 2 14 辐射通量密度辐射通量密度 irradiance E radiant exitance M 单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度 单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度 E辐照度辐照度 A M辐出度辐出度 A 辐射通量密度辐射通量密度的的单位是瓦单位是瓦 米米 W m 辐射源辐射源 辐射照射度辐射照射度 辐辐 射射 出出 射射 度度 被辐照物被辐照物 辐射体辐射体 法向法向 3 14 辐射强度辐射强度 radiant intensity I 辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的 指辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的 指 在某一方向上单位立体角内的辐射通量 在某一方向上单位立体角内的辐射通量 I 辐射强度 辐射强度 I 的 的单位是瓦单位是瓦 球面度 球面度 W Sr 辐射强度辐射强度 点辐射源点辐射源 A R 2 4 各向同性源 各向同性源 4 14 分谱辐射通量分谱辐射通量 辐射通量是波长辐射通量是波长 的函数 的函数 单位波长间隔内单位波长间隔内 的辐射通量称为分谱辐射通量 的辐射通量称为分谱辐射通量 分谱辐射通量分谱辐射通量的的单位是瓦单位是瓦 微米 微米 W m 1 2间隔内的间隔内的 1 2 总辐射通量总辐射通量 辐辐 射射 通通 量量 波长波长 5 14 分谱 分谱 分谱辐射通量分谱辐射通量 分谱辐照度 分谱辐出度分谱辐照度 分谱辐出度 分谱辐射强度分谱辐射强度 分谱 两字可以忽略分谱 两字可以忽略 6 14 辐射亮度辐射亮度 radiance L 单位面积 单位波长 单位立体角内的辐射单位面积 单位波长 单位立体角内的辐射 通量称为辐射亮度 通量称为辐射亮度 L A 辐射亮度 辐射亮度 L 的 的单位是瓦单位是瓦 米米 微米微米 球面度球面度 W m m Sr 7 14 小小 结结 辐辐 射射 度度 量量 一一 览览 表表 辐射量辐射量 符号符号 定义定义 单位单位 辐射能量辐射能量 Q 焦耳焦耳 J 辐射通量辐射通量 2 Q t 瓦瓦 W 辐照度辐照度 E 2 A 瓦瓦 米米 W m 辐出度辐出度 M 2 A 瓦瓦 米米 W m 辐射强度辐射强度 I 2 瓦瓦 球面度球面度 W Sr 辐射亮度辐射亮度 L 2 3 A 瓦瓦 米米 球面度球面度 W m Sr 8 14 辐射通量密度 术语之间乱叫 使用时关注核心问题 单位 辐射亮度与辐射通量密度的关系辐射亮度与辐射通量密度的关系 9 14 由辐射亮度由辐射亮度L在在4 空空间的分布 可以计算某一间的分布 可以计算某一 2 空间的辐射通量密度 即空间的辐射通量密度 即 前向通量 后向通量 向上通量 向下通量前向通量 后向通量 向上通量 向下通量 2 dcos L F 利用上式 可以计算利用上式 可以计算 任一任一2 空间的辐射通空间的辐射通 量密度 量密度 各向同性辐射时亮度与通量的关系各向同性辐射时亮度与通量的关系 10 14 假设地表为各向同性辐射 即辐射亮度在各方假设地表为各向同性辐射 即辐射亮度在各方 向分布均一 则其垂直地表向上的辐射通量为向分布均一 则其垂直地表向上的辐射通量为 通量密度针对垂直穿过某个平面的量 为半球积分 通量密度针对垂直穿过某个平面的量 为半球积分 2 dcos L F Lddsincos L F 2 0 2 0 由于由于d d r2 sin d d 因此 因此 太阳常数太阳常数 在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的单在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的单 位面积上的太阳辐射通量称为太阳常数 位面积上的太阳辐射通量称为太阳常数 F0 1353 21 W m2 1976 NASA 太阳对地球的张角很小太阳对地球的张角很小 9 因此太阳光可以认为是平行光束 因此太阳光可以认为是平行光束 太阳总辐射和表面辐出度分别是多少 太阳总辐射和表面辐出度分别是多少 左图大气顶的通量密度为左图大气顶的通量密度为 F F0 dm d 2cos 0 0 9674 dm d 2 界界 面粗糙度 则反射是面粗糙度 则反射是 镜面的 镜面的 i r t n1 n2 3 16 根据菲涅耳公式 此处省略 当根据菲涅耳公式 此处省略 当 i t 2时 时 垂直极化波出现零反射点 即反射波中没有垂直垂直极化波出现零反射点 即反射波中没有垂直 极化的偏振波 因此用镜面反射的方法可以得到极化的偏振波 因此用镜面反射的方法可以得到 线偏振波束 此时的入射角称为起偏角 又称为线偏振波束 此时的入射角称为起偏角 又称为 布儒斯特 布儒斯特 Brewster 角 角 p tan 1 n2 n1 4 16 即使入射辐射无偏振 反射辐射也是偏振的 即使入射辐射无偏振 反射辐射也是偏振的 水与空气间的相对折射率水与空气间的相对折射率n2 n1 1 3 对应的布儒斯特角约为 对应的布儒斯特角约为 漫反射漫反射 实际上多数自然表面对辐射的波长而言都是粗实际上多数自然表面对辐射的波长而言都是粗 糙表面 当目标物的表面足够粗糙 以致于它糙表面 当目标物的表面足够粗糙 以致于它 对太阳短波辐射的反射辐射亮度在以目标物的对太阳短波辐射的反射辐射亮度在以目标物的 中心的中心的2 空间中呈常数 即反射辐射亮度不随空间中呈常数 即反射辐射亮度不随 观测角度而变 我们称该物体为漫反射体 亦观测角度而变 我们称该物体为漫反射体 亦 称朗伯体 漫反射又称朗伯称朗伯体 漫反射又称朗伯 Lambert 反射 也反射 也 称各向同性反射 称各向同性反射 严格讲自然界中只存严格讲自然界中只存 在近似意义下的朗伯在近似意义下的朗伯 体 真正的朗伯体是体 真正的朗伯体是 不存在的 不存在的 5 16 方向反射方向反射 介于漫反射和镜面反射之间反射称为方向反射 介于漫反射和镜面反射之间反射称为方向反射 也称非朗伯反射 所有自然界物体的反射都是方也称非朗伯反射 所有自然界物体的反射都是方 向反射 即它们对太阳短波辐射的反射具有各向向反射 即它们对太阳短波辐射的反射具有各向 异性性质 当遥感应用进入定量分析阶段 我们异性性质 当遥感应用进入定量分析阶段 我们 必须抛弃 目标是朗伯体 的假设 必须抛弃 目标是朗伯体 的假设 目前大部分应用还都采用目前大部分应用还都采用 朗伯近似 朗伯近似 描述方向反射不能简单用描述方向反射不能简单用 反射率表述 因为各方向反射率表述 因为各方向 的反射率都不一样 的反射率都不一样 6 16 地物波谱特征与方向谱特征地物波谱特征与方向谱特征 对非朗伯体而言 它对太阳短波辐射的反射能力不对非朗伯体而言 它对太阳短波辐射的反射能力不 仅随波长而变 同时亦随反射方向而变 仅随波长而变 同时亦随反射方向而变 所谓地物的波谱特征是指该地物对太阳辐射的反射所谓地物的波谱特征是指该地物对太阳辐射的反射 能力随波长而变的规律 地物波谱特征与地物的组能力随波长而变的规律 地物波谱特征与地物的组 成成份 物体内部的结构关系密切 通俗讲地物波成成份 物体内部的结构关系密切 通俗讲地物波 谱特征也就是地物的颜色特征 谱特征也就是地物的颜色特征 而地物的方向特征是用来描述地物对太阳辐射反射而地物的方向特征是用来描述地物对太阳辐射反射 能力在方向空间变化的 这种空间变化特征主要决能力在方向空间变化的 这种空间变化特征主要决 定于两种因素 一是物体的表面粗糙度 它不仅取定于两种因素 一是物体的表面粗糙度 它不仅取 决于表面平均粗糙高度值与电磁波波长之间的比例决于表面平均粗糙高度值与电磁波波长之间的比例 关系 而且还与视角关系密切 二是地物内部结构关系 而且还与视角关系密切 二是地物内部结构 特征 特征 7 16 双向反射率分布函数双向反射率分布函数 Bi directional Reflectance Distribution Function BRDF 设波长为设波长为 空间具有 空间具有 分布函数的入射辐射 从分布函数的入射辐射 从 0 0 方方 向 以辐射亮度向 以辐射亮度L0 0 0 投射向目标 造成目标的辐照投射向目标 造成目标的辐照 度为度为E 0 0 传感器从方向 传感器从方向 观察目标物 接收观察目标物 接收 到来自目标物对外来辐射到来自目标物对外来辐射E的反射辐射 其亮度值为的反射辐射 其亮度值为L 则定义双向反射率分布函数则定义双向反射率分布函数 E L f 00 00 8 16 三种反射率 1 3 solar direction view direcion 回复下一页问题 其中M为出射强度 理想漫反射体的理想漫反射体的BRDF是多少 是多少 9 16 双向反射率分布函数 双向反射率分布函数 BRDF 的物理意义是 来自方向地表 的物理意义是 来自方向地表 辐照度与其所引起的方向上反射辐射亮度之间的比值 这样辐照度与其所引起的方向上反射辐射亮度之间的比值 这样 定义的定义的BRDF为什么可以恰当地表达地物的非朗伯体特性呢 为什么可以恰当地表达地物的非朗伯体特性呢 众所周知 现实中投射到地物表面上的辐射能量往往有两部众所周知 现实中投射到地物表面上的辐射能量往往有两部 份组成 即来自太阳的直射辐射与天空散射辐射 份组成 即来自太阳的直射辐射与天空散射辐射 而传感器在方向上测得的辐射亮度是空间入射辐射场的综合而传感器在方向上测得的辐射亮度是空间入射辐射场的综合 效应 它不仅与该点地物的反射特性有关 而且与辐射环境效应 它不仅与该点地物的反射特性有关 而且与辐射环境 即入射辐射亮度的空间分布函数 有关 即入射辐射亮度的空间分布函数 有关 2 skylight 0 sun skylight 0 sun dcos Lcos F Ecos F E 100 反射 这样定义的这样定义的 f 有如下三个特点 有如下三个特点 具有具有 Sr 1 因次 因次 是是 0 0 五个自变量的函数 在五个自变量的函数 在2 空间空间 中无论是入射还是反射均有无穷多个方向 中无论是入射还是反射均有无穷多个方向 从概念上 从概念上 说要完整地表达一个物体的非朗伯体特性需要有无穷多个测量数据 而且这组说要完整地表达一个物体的非朗伯体特性需要有无穷多个测量数据 而且这组 无穷多个测量数据仅与一个具体对象相联系 例如对某一棵树的无穷多个测量数据仅与一个具体对象相联系 例如对某一棵树的BRDF测量结测量结 果一般不同于对另一棵树的测量结果 实际上它使得对物体的非朗伯体的描述果一般不同于对另一棵树的测量结果 实际上它使得对物体的非朗伯体的描述 几乎成为不可能 所以重要的问题是能否对一类地物建立一种模型 从无穷多几乎成为不可能 所以重要的问题是能否对一类地物建立一种模型 从无穷多 个测量数据集中找到一组个数有限的子集 它足以表征这类地物共同的对入射个测量数据集中找到一组个数有限的子集 它足以表征这类地物共同的对入射 辐射的反射 散射特性 并且它与这类地物的空间结构特征有着稳定的函数关辐射的反射 散射特性 并且它与这类地物的空间结构特征有着稳定的函数关 系 我们把这样的特殊子集称之为这类地物的方向谱 系 我们把这样的特殊子集称之为这类地物的方向谱 这样定义的这样定义的BRDF 虽然从理论上能较好地表征地 虽然从理论上能较好地表征地 物的非朗伯体特性 但在实际测量上困难较大 精确物的非朗伯体特性 但在实际测量上困难较大 精确 测量测量E 0 0 很困难 很困难 10 16 双向反射率因子双向反射率因子 Bi directional Reflectance Factor BRF BDRF 定义 在定义 在相同的辐照度条件相同的辐照度条件下 地物向下 地物向 方向的方向的 反射辐射亮度与一个反射辐射亮度与一个理想的漫反射体理想的漫反射体在该方向上的反在该方向上的反 射辐射亮度之比值 称为双向反射率因子射辐射亮度之比值 称为双向反射率因子R 待测目标待测目标 参考板参考板 LT LP L L R P T 11 16 对于双向反射率因子 对于双向反射率因子 R 的性质 我们应注意到 的性质 我们应注意到 我们在给出我们在给出BRF的定义时 并没有对辐射环境作的定义时 并没有对辐射环境作 任何限定 严格讲任何限定 严格讲R值不仅取决于目标物的非朗伯值不仅取决于目标物的非朗伯 体特性 而且还与辐射环境有关 因此它并不是一体特性 而且还与辐射环境有关 因此它并不是一 个理想的描述地物非朗伯体特性的物理量 个理想的描述地物非朗伯体特性的物理量 R与与 f 有原则上的不同 两者的量纲亦不相同 这有原则上的不同 两者的量纲亦不相同 这 充分地表明了它们的区别 充分地表明了它们的区别 如果入射 如果入射 光源对目标物所张的立体角 光源对目标物所张的立体角 0 以及传 以及传 感器对目标物所张的立体角感器对目标物所张的立体角 都趋于无穷小 则 都趋于无穷小 则 当当 0与与 趋近无穷小时 在数值上趋近无穷小时 在数值上R为为f的的 倍 这为测定目倍 这为测定目 标物的标物的f值提供了一条现实可行的通道 值提供了一条现实可行的通道 f E L M L L L R TT P T 12 16 如何满足上述条件 如何满足上述条件 13 16 F L R 00 T 作业 作业 一些文献中 双向反射率因子被写为 一些文献中 双向反射率因子被写为 其中其中F0 为太阳光谱 为太阳光谱 0为太阳天顶角为太阳天顶角 0的余弦的余弦 请根据其原始定义推导上述公式 请根据其原始定义推导上述公式 作业 作业 一些文献中 双向反射率因子被写为 一些文献中 双向反射率因子被写为 其中其中F0 为太阳光谱 为太阳光谱 0为太阳天顶角为太阳天顶角 0的余弦 的余弦 请根据其原始定义推导上述公式 请根据其原始定义推导上述公式 F L R 00 T 作业答案 作业答案 双向反射率因子原始定义为 双向反射率因子原始定义为 L L R P T 其中其中Lp为理想漫反射体的反射辐射亮度 为理想漫反射体的反射辐射亮度 对于漫反射体 反射的辐射亮度与通量密度存在 对于漫反射体 反射的辐射亮度与通量密度存在 L M 对于理想反射体 入射与反射的通量密度相等 对于理想反射体 入射与反射的通量密度相等 M E 因此 因此 如不考虑大气影响 入射的辐射通量密度即为分如不考虑大气影响 入射的辐射通量密度即为分 谱太阳常数的垂直分量 谱太阳常数的垂直分量 上式也可以进一步考虑日地距离的影响 上式也可以进一步考虑日地距离的影响 综上可得 综上可得 F E 00 E LP F L R 00 T 上式如果按照反射率等于反射亮度除以入射亮度上式如果按照反射率等于反射亮度除以入射亮度 来理解的话 就会得出错误结论 即太阳辐射亮来理解的话 就会得出错误结论 即太阳辐射亮 度等于其辐射通量密度除以度等于其辐射通量密度除以 等式两边略去用 等式两边略去用 来计算垂直分量的 来计算垂直分量的 0 0 实际上太阳辐射亮度与辐射通量密度的关系为 实际上太阳辐射亮度与辐射通量密度的关系为 F L00 F L000 当然 如果明白其物理实质 也不妨按错误的理当然 如果明白其物理实质 也不妨按错误的理 解来简单记住本作业所述的双向反射率因子公式 解来简单记住本作业所述的双向反射率因子公式 半球反射率 半球反射率 albedo 定义 目标物的出射度与入射度之比值称为半球反定义 目标物的出射度与入射度之比值称为半球反 射率 或称反照率 通常用符号射率 或称反照率 通常用符号 表示表示 E M 在某些问题中我们并不需要知道辐射亮度值及其空在某些问题中我们并不需要知道辐射亮度值及其空 间分布 而只需要知道辐射通量密度值 比如在求间分布 而只需要知道辐射通量密度值 比如在求 解辐射热平衡问题中 或者在讨论作物光合作用强解辐射热平衡问题中 或者在讨论作物光合作用强 度问题时都是如此 度问题时都是如此 14 16 半球透射 半球透射 理想反射体 理想反射体 法线 方向投影总和 需要 cos thi 朗伯体情况下 pi L T pi L p BRF 不 考虑 大 气时 L p cos thi 0 F 0 入射通量 密度总是可以替换为 pi L 严格讲要求解出射度 严格讲要求解出射度 M 必须对 必须对2 空间的空间的L值进行值进行 积分 这几乎是不可能的 因为从个别方向的积分 这几乎是不可能的 因为从个别方向的BRDF的的 测值中 我们无法判断目标物在测值中 我们无法判断目标物在2 空间中的反射辐射空间中的反射辐射 行为 因此也无法由积分求得半球反射率 行为 因此也无法由积分求得半球反射率 目前流行的目标物的半球反射率的测量方法 实际上目前流行的目标物的半球反射率的测量方法 实际上 只是视角取天底角条件下的只是视角取天底角条件下的BRF 如果用此值代替严 如果用此值代替严 格意义下的半球反射率 其误差有时可以高达格意义下的半球反射率 其误差有时可以高达45 15 16 方向方向 半球反射率半球反射率 反射特性总结 反射特性总结 16 16 反反 射射 分分 类类 镜面镜面 反射反射 漫反射 朗伯体 漫反射 朗伯体 F L 方向方向 反射反射 双向反射率分布函数 双向反射率分布函数 BRDF 双向反射率因子 双向反射率因子 BRF BDRF 半球反射率 半球反射率 albedo 折射定律折射定律 布儒斯特角布儒斯特角 三种反射率在某些假设下可以互 换 第二章第二章 遥感基础概念遥感基础概念 遥遥 感感 科科 学学 第一节第一节 遥感常用