遥感反演课程-反照率

1,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,典型陆表及大气参数的遥感反演与模拟,2,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：热辐射方向性模型,3,5,本章提纲,地表反照率的研究意义,反照率的计算和决定因素,全球反照率产品及其特点,地表反照率研究展望,1,2,4,课间休息,常见的地表反照率遥感算法,3,第四章：地表反照率遥感,4,1.地表反照率的研究意义,5,1.1什么是反照率？,反照率通常是指物体反射太阳辐射与该物体表面接收太阳总辐射的两者比率或分数度量，也就是指反射辐射与入射总辐射的比值。(维基百科),反照率表,6,1.1什么是反照率？,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,不同学科中的反照率,7,1.1什么是反照率？,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3040,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1020。,反照率是地-气系统的不确定因子,8,1.2地表反照率和全球变化,全球变化的驱动因子,地表反照率,9,1.2地表反照率和全球变化,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,地表反照率对气候变化的反馈机制,10,1.2地表反照率和全球变化,April:Uniformwhitesurface,July:Variegateddarkersurface,10,11,DatafromScanningMultichannelMicrowaveRadiometer(SMMR)onNASAsNimbus7satelliteandfromSpecialSensorMicrowaveImagers(SSMI)onDefenseMeteorologicalSatellites.Plotcredit:ClaireParkinson,etal.,J.Geophys.Res.,1999.,1.2地表反照率和全球变化,N.HemisphereMonthly-AverageSeaIceExtent,12,1.2地表反照率和全球变化,MuirGlaciernearJuneauinSEAlaskaretreatedmorethan7kmfrom1973to1986.By1986,BurroughsGlacier(A),cutofffromitssourceofice,wascollapsingintoameltingicefield.,1973,1986,13,2.反照率的计算和决定因素,14,地物波谱特性,地物的二向反射,大气辐射传输,地表二向反射因子的在角度维和波长维积分的结果。,地表宽波段反照率,2.1地表反照率的计算,15,2.2地表的波谱特性和特点,典型的植被、土壤、水体、冰雪光谱,16,2.2地表的波谱特性和特点,反照率的波长积分,宽波段反照率,入射辐射,波谱反照率,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,短波反照率：可见光反照率：近红外反照率：,17,2.2地表的波谱特性和特点,大气下行辐射的波谱分布规律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,窄波段反照率向宽波段反照率的转换及其原理,转换公式,18,2.3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（BidirectionalReflectanceDistributionFunction,BRDF）定义如下（Nicodemus，1997）：,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。,19,2.3地表的二向反射特性,地表的二向反射的基本物理过程,20,2.3地表的二向反射特性,BRDF的简化替代量BRF（二向反射因子）,BRF是最接近BRDF的可测量物理量，其定义为直射光入射条件下，某一观测方向上目标反射的辐射亮度与假定该目标被一理想漫反射表面代替时反射的辐射亮度之间的比值。,BRDF,BRF,21,2.3地表的二向反射特性,二向反射的其他图示方法,(SSandmeiereral.,1998),在主平面上显示的植被冠层的二向反射特点,遥感中常用的二向反射图示方法还有两种：,22,2.3地表的二向反射特性,反映地表的二向反射的照片,PhotographbyDonDeering,23,2.3地表的二向反射特性,反映地表的二向反射的照片,PhotographbyDonDeering,24,2.3地表的二向反射特性,反映地表的二向反射的照片,PhotographbyDonDeering,25,2.3地表的二向反射特性,二向反射分布函数方向-半球反射率（DHR）漫射半球-半球反射率（BHR_diff）半球-半球反射率（BHR）,窄波段地表反照率和二向反射的关系,26,2.3地表的二向反射特性,黑空、白空还有蓝空反照率,黑空反照率,蓝空反照率,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）,27,2.4大气对地表反照率的影响,黑空、白空还有蓝空反照率,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不同的大气状况和太阳角决定了天空散射光的比例，因此从一定程度上影响地表的真实反照率,28,2.4大气对地表反照率的影响,晴空的大气层顶反射率与地表反照率之间有确定的函数关系，气溶胶和水汽是主要变化因子有云的情况下，大气层顶反照率主要受云影响，数值通常高于晴空反照率,大气层顶反照率和地表反照率的关系,大气层顶方向反射率,地表白空反照率,地表二向反射率,29,2.4大气对地表反照率的影响,波谱反照率向宽波段反照率转换的过程,大气下界的太阳辐射是波谱反照率向宽波段反照率转换的权重函数，该参数受到大气状态的影响。,30,思考题,31,3.常见的地表反照率反演算法,32,3.常见的地表反照率反演算法,反照率遥感反演算法的分类按照传感器分类极轨卫星：MODIS、MISR、MERIS、CERES、POLDER、VEGETATION、NPP-VIIRS静止卫星：MSG、GOESR-ABI高分辨率卫星：TM、ETM、HJ-CCD按照算法原理和流程分类基于BRDF模型反演的算法（多角度）直接反演算法（单一角度）地表反射率大气层顶反射率地表-大气参数联合优化算法（多时相）,33,3.1基于朗伯假定的反照率算法,主要关注问题：窄波段反射率向宽波段反照率转换的系数,适用范围：通常是高分辨率数据,高分辨率遥感数据的定标与大气校正,忽略问题：地表的二向反射特性忽略的原因：高分辨率图像一般只有一个观测角度往往是接近垂直观测的，角度变化小地表异质性和波谱特性是决定地表反照率的最主要因素,34,3.2基于BRDF模型反演的反照率算法,以Ambrals算法为例：算法基本流程,35,3.2基于BRDF模型反演的反照率算法,气溶胶参数的获取通常用暗目标法，在高反射地表不适用水汽参数的获取使用了MODIS水汽通道的特性，精度较高，但是对于其他传感器就很难达到高精度云、雪识别问题很多，常常不能识别薄云，难以区分云和雪，难以处理云的阴影,大气校正及其中存在的问题,36,3.2基于BRDF模型反演的反照率算法,物理模型：比较复杂，反演难度大，效果不好经验模型：Minnaert模型Shibayama模型Walthall模型改进的Walthall模型半经验模型：RPV模型、核驱动模型,地表的二向反射模型的分类,37,3.2基于BRDF模型反演的反照率算法,表面散散核（几何光学）LiSparse和LiSparseR核LiDense核LiTransit核Roujean几何核,体散射核（辐射传输）RossThick核RossThin核RossHotspot核,核驱动模型简介,核函数（已知函数）,核系数（未知数）,核驱动模型的优点：未知参数少线性模型，避免了非线性反演核函数具有一定物理含义对混合像元BRDF的拟合能力强,几何光学核,体散射核,38,3.2基于BRDF模型反演的反照率算法,核驱动模型对观测数据的拟合能力,不同太阳天顶角的RossThick核与LiSparseR核在主平面和垂直主平面的函数值。,RossThick碗形核,LiSparsR丘形核,RossThick核与不同的几何光学核组合对BRDF观测数据的拟合效果（观测目标为翻耕的裸土，观测平面为主平面）。,Pokrovsky,O.2003.Landsurfacealbedoretrievalviakernel-basedBRDFmodeling:I.Statisticalinversionmethodandmodelcomparison.RemoteSensingofEnvironment84,no.1:100-119.,39,3.2基于BRDF模型反演的反照率算法,核驱动模型对观测数据的拟合能力,Bicheron地表反照率的地形影响通常被忽略；验证中的尺度问题未得到解决。,国内外研究现状分析,101,5.总结与展望,改进陆表反照率产品在冰雪、山地的精度建立多源遥感数据的陆