地表反照率
收稿日期:2004207225;修订日期:2004208228
基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(“973”项目)(G 2000077908)资助。
作者简介:王介民(1937-),男,研究员,博士生导师,主要从事大气科学与遥感应用研究。
关于地表反照率遥感反演的几个问题
王介民1,高 峰1,2
(11中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州 730000;21中国科学院资源环境科学信息中心,甘肃兰州 730000))
摘要:分析了地表反照率对陆面辐射能收支以及区域和全球气候的影响,强调了地表反照率是遥感反演陆面参数时的第一重要参数,地表反照率或多波段遥感中不同谱段的地表反射率的准确反演常常是准确估算其它陆面参数如植被和土地利用 土地覆盖等状况的先决条件。在对当前关于反照率的概念及容易混淆的术语进行阐述和说明的基础上,简述了遥感反演地表反照率的步骤和主要难点的解决方法,进而对常用陆面过程模式计算地表反照率的过程作了分析,并将其结果与M OD IS 有关产品进行了比较,强调了遥感与陆面过程模式和气候模式的结合。关 键 词:地表反照率;二向反射分布函数;地面能量收支;陆面过程模式;遥感中图分类号:T P 79 文献标识码:A 文章编号:100420323(2004)0520295206
1 引 言
反照率似乎是一个教科书上早已讲述过的基本概念,然而在卫星遥感日新月异地发展和广泛应用的今天,却时时出现许多混淆和困惑。地表反照率的遥感反演,经过多年的实验研究已经有了一些成熟的算法,但其精确估算依然存在诸多困难。
概念上,反照率(albedo )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(～013-410Λm )。对多波段遥感的某个谱段而言,称为谱反照率(sp ectral albedo )。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(reflectance )。
以下是关于地表反照率(反射率)的几个问题的讨论。
2 为什么把地表反照率称为遥感反演
中的第一重要参数?
狭义上说,地表反照率或多波段遥感中不同谱段的地表反射率的准确反演,常常是准确估算其它陆面参数如植被和土地利用 土地覆盖等状况的先决条件。以下关于地表反照率反演方法的介绍中对
此还会有进一步说明。
其实,地表反照率的重要性远不止此。从影响局地乃至全球气候的陆面过程分析,地表反照率是对陆面辐射能收支影响最大的一个参数。地面吸收的净辐射能(R n )可以表示为:
R n =R S ↓(1-Α)+(R L ↓-ΕΡT 4
s )
(1)
其中:R S ↓为太阳总辐射,与当地的经纬度、时间以及天空云状况等有关。Α为地表反射率,是太阳谱段的地表反射率的积分。R L ↓为大气向下的长波辐射,是大气温湿廓线和云状况的函数。ΡT 4s 为地面向上的长波辐射,其中Ε为地表比辐射率,Ρ为斯忒藩-波尔兹曼常数,T s 为地表温度。
(1)式右边第一项是短波净辐射(R nS ),第二项是长波净辐射(R nL )。为了解各有关量的大小,图1给出一个有代表性的实例。这是高原地区短草地上夏季一个晴天(下午略有云)的日变化观测。由图1可见,由于大气和地表的温度差异相对较小,大气向
下的长波辐射和地面向上的长波辐射(R L ↓=ΕΡT 4
s )量值接近。长波净辐射总的来说是一个小量(绝对值不大于短波净辐射的1 5)。地面所吸收的净辐射主
要由短波净辐射R S ↓?(1-Α
)提供。很明显,地表反照率的影响是第一重要的。对这
块草地,白天的绝大多数时段,Α≈0115,即净辐射大
第19卷 第5期2004年10月
遥 感 技 术 与 应 用
REMO TE SEN SI N G TECHNOLO GY AND A PPL ICA T I O N
V ol .19 N o .5O ct .2004
图1 高原地区短草地上夏季一个晴天(下午略有云)
各辐射分量和地表反照率的日变化
约是由80%～85%的太阳总辐射提供的。这其实是大部分植被下垫面(Α≈011～0118)的情况。对裸地,特别是沙漠半沙漠地区,Α≈0125～0135,地面净辐射就可能减少1 3到一半。对冬季或极地和高原地区广为分布的积雪(或积冰)下垫面,地表反照率随雪龄和粒度等变化很大。新鲜雪面的反照率可高达019,融化雪面约为014,脏雪面的反照率可低至012。较小的反照率估算误差,会带来大的地表能量估算错误。这样,实际观测积雪地区的反照率,而不是采用简单的气候平均值,就显得十分必要。
地面吸收的净辐射,在地气能量交换过程中,进而分配为三个热通量:
R n =G +H +L E (2)其中:
G 是向下的土壤热通量
,H 为向上的感热通
量,E 为地面蒸发蒸腾速率,L 为蒸发潜热。一般来说,特别是日平均,G 是一个不大于011?R n 的小量;而感热和潜热(L E )通量,则对区域以至全球气候有巨大影响。地面释放的感热加热地面以上的空气柱,使行星边界层变暖。土壤水分蒸发和植物蒸腾消耗潜热,由之产生的水汽会借助对流作用输送到较高的大气层中,进而凝结释放潜热,在本地区或其它地区上空形成云和降水。
地表反照率对区域乃至全球气候的影响,还可以通过干旱半干旱区反照率和气候的反馈来说明(图2)。干旱区反照率的增加,会造成净辐射的减小,相应地,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,土壤湿度减小的结果又使得反照率增加。这是一个正反馈过程。当然,本地
区云量的减少会使得太阳辐射增加,净辐射加大,存
在一个负反馈作用。在正负反馈作用并最终形成一个稳定状态的过程中,地表反照率起着关键作用
。
以上分析可见,地表反照率是制约地面辐射能收支的基本因子,从而在地面能量平衡分析、天气气候预测和全球变化研究中有广泛的应用。由于卫星遥感有较好的全球覆盖度和时间重复特性,反照率的空间观测即利用卫星遥感资料进行反演,必然引起极大的关注。
3 对地表反照率这一基本概念的理解为什么会产生混淆和困惑?
人们对地表反照率的了解最初是通过观测得到的,即在地面以上某高度,用一个朝上的短波辐射表测量向下的太阳直接辐射加上大气对太阳光的半球散射(漫射辐射),用另一个朝下的短波辐射表测量地面向上的半球反射辐射。后者与前者通量之比即为当地的地表反照率。
在由卫星观测反演地表反照率时,大多数星上辐射仪只能观测偏离天顶的某一个或几个固定方向上的反射率。而反照率是反射率对所有观测方向的积分。由于卫星天顶角有时很大,因而地物(和大气)对入射光和反射光的“方向性特征”这一问题就变得非常突出;地表一般不再能当作各项同性的朗伯体来处理。对于这个困难,不同作者对不同问题或不同卫星采用不同的处理方法,文献上出现了许多有关反照率的术语,如英文的“P lanar albedo ”,“Sp herical albedo ”,“L ocal albedo ”,“Global
albedo ”
,“DHR (D irecti onal hem isp herical )albedo ”
,“B i 2hem isp herical albedo ”,“B lack 2sky albedo ”,“W h ite 2sky albedo ”
,等等。对同一英文术语的汉译也有多种,如将EO S M OD IS 常用的
‘B lack 2sky albedo ’
译为‘黑半球反照率’,‘直入扇6
92 遥 感 技 术 与 应 用 第19卷
出反照率’或‘黑空反照率’等。这难免给初学者带来混淆和困扰。同一过程出现不同术语,同一术语用了好多年却似乎缺乏确切的定义。这种现象在科学史上几乎是司空见惯的。
物体反射的方向性特征,历来用汉译为‘双向反射分布函数’的BRD F描述。这个30年前出现的听起来非常难懂的专业术语,其实说的是我们每天都能看到的事实,即同一物体表面受不同方向光照或从不同方向观察时是不同的。李小文建议用更为拗口的‘二向反射’代替‘双向反射’的译名〔1〕,可能有助于对有关问题的理解。BRD F(用R表示)指的是(Ηi,Υi)方向的入射辐射在(Ηv,Υv)方向反射的比分。对一个小地面元,如果(Ηi,Υi)方向的入射光为L i(Ηi,Υi),则在(Ηv,Υv)方向的卫星辐射仪观测到的辐射值为(不计大气影响):
L v(Ηv,Υv)=∫2Π0∫Π 20L i(Ηi,Υi)
R(Ηv,Υv;Ηi,Υi)co sΗi sinΗi dΗi dΥi(3)对该地面元,总的入射辐射(E i)和总的反射辐射(E r)可分别表示为:
E i=∫2Π0∫Π 20L i(Ηi,Υi)co sΗi sinΗi dΗi dΥi(4)
E r=∫2Π0∫Π 20L v(Ηv,Υv)co sΗv sinΗv dΗv dΥv(5)
按定义,地面反照率表示为:
Α≡E r
E i
(6)
它既不是入射方向也不是反射方向的函数。但实际上,如图1所示,在太阳高度角较小时地面反照率并不是常数。简单情况,如只考虑太阳直接辐射(不计天空漫射),则有:E i=L i8sun co sΗi(7)此处Ηi为太阳天顶角,8sun为地球看到的太阳立体角。由式(4)～(7)简单推导可得:
Α(Ηi,Υi)=E r
E i
=∫2Π0∫Π 20R(Ηv,Υv;Ηi,Υi)co sΗv sinΗv dΗv dΥv(8)由上式可以看出,反照率的确随(Ηi,Υi)而变化。
应当注意,式(8)所示的R(即BRD F)在所有反射方向上的积分,就是近年来许多文献上所谓的‘定向半球反照率’,或‘直入扇出反照率’,亦即M OD IS 的‘B lack2sky albedo’,表示天空除去太阳直射光外,没有散射辐射(是黑色的)。上式再对入射天顶角Ηi从0到Π 2积分,即得到所谓的‘双半球反照率’,或‘扇入扇出反照率’,亦即M OD IS的‘W h ite2sky ’;后者表示完全是天空散射辐射贡献的情况。
地物表面的BRD F还与表面材料的波谱特征和空间结构有关。多年来,以不同地物(裸地,植被等)为目标,通过大量实际观测的统计分析,以及辐射传输和几何光学的理论分析,研究地物结构参数与其表面的二向性反射分布特征,已建立了多种BRD F 物理模型。这些模型,繁简各异,有不同适用领域,详细情况可参阅文献〔1,2〕。在利用卫星观测资料反演地表反照率的过程中,BRD F显然是一个需要预先确定的函数。近年来,新一代的对地多角度观测仪器搭载的卫星平台陆续升空,如EO S M ISR可同时进
行4个波段9个角度的观测,为地面目标的三维空间结构参数的定量遥感,包括地表反照率的反演,提供了新的途径。
4 利用卫星遥感反演地表反照率的主要难点何在?
卫星遥感仪器并不直接测量地表反照率,而是来自一定方向的地球系统(包括地面和大气)的辐射。前者是通过一系列对原始遥感数据的处理(‘反演’)得到的。有关处理步骤及主要难点的解决方法简述如下(图3)。
(1)辐射校正。将卫星辐射仪各波段观测的原始DN值,按用户手册、文件头说明或其它更可靠方法,转换为辐射值(W m-2sr-1)。这是遥感信息定量化的前提,遥感数据的应用在很大程度上取决于遥感辐射仪的定标精度。此外,由于最终目的是反演地表反照率,在辐射校正之前要对图像作去云处理。
(2)大气校正。以上所得是卫星观测的大气顶(TOA)的辐射值,包含了地面以上大气分子和气溶胶等大气成分的吸收和散射的复杂影响。大气校正
792
第5期 王介民等:关于地表反照率遥感反演的几个问题
一直是个较大的难点。近20年来,基于大气辐射传输理论和实验研究,已经建立了许多大气校正模式,并广为应用,如6S,M OD TRAN,A TCO R等,但问题常常在于我们缺乏模式较好运行所必须的实际大气温湿廓线和气溶胶分布的观测资料。简单情况下可采用模式附带的标准大气或气溶胶气候资料;或者,采用‘不变目标法’、‘暗目标(像元)法’等方法,从遥感图像自身信息直接估算大气中水汽和气溶胶的空间分布。EO S M OD IS有较多且谱分辨率很高的波段,可生成多种专用产品,如气溶胶(产品M OD204,由波段1～7),大气可降水量(产品M OD2 05,由波段17～19)等,可用以作大气校正计算地表谱反射率(产品M OD209)。利用多光谱或高光谱辐射仪的特定波段直接探测大气参数,以进行较准确的大气订正,应当是将来的一个重要方向。
(3)各向异性校正。前已述及,由于地表(谱)反照率是对各观测角的反射率的积分,而卫星仅在某一个或几个角度作观测,故由步骤(2)得到的地表谱反射率计算反照率必须应用BRD F模型作各向异性校正。忽略这一点,即地面朗伯假设,会带来大于10%的误差。各向异性校正的难点在于适当的BRD F模型及有关参数的选择,这里以较成熟的EO S M OD IS算法为例说明。M OD IS数据处理算法Am b rals(A lgo rithm fo r M OD IS B idirecti onal R eflectance A n iso trop ies of the L and Su rface)采用基于互易原理的Ro ss L i核驱动模型,用有一定物理意义的核的线性组合来拟合地表的二向性反射〔1〕: R(Ηv,Ηi,Υ,Κ)=f iso(Κ)+f vol(Κ)?K vol(Ηv,Ηi,Υ,Κ)+
f geo(Κ)?K geo(Ηv,Ηi,Υ,Κ)(9)其中包含3个参数(f),两个核函数(K)。K vol称为Ro ssT h ick体散射核,根据对浓密冠层均匀叶角分布下的辐射传输理论近似分析得到;K geo称为L iSp arse几何光学核,描述稀疏非均匀分布的树冠或其它互不遮蔽的地表粗糙元情况。由M OD IS观测可得到R,核函数是已知的,则可根据(9)式拟合得到3个参数f iso,f vol,和f geo。进而,上节所述的B lack2sky反照率Αbs可由下式计算〔3〕:
Αbs(Ηi,Κ)=f iso(Κ)+f vol(Κ)?h vol(Ηi)+f geo(Κ)?H geo(Ηi)=f iso(Κ)+f vol(Κ)?(-01007574-01070987?Η2i+ 01307588?Η3i)+f geo(Κ)?(-11284909-01166314?Η2i+0104180?Η3i)(10)
W h ite2sky反照率Αw s由Αbs对Ηi积分得到:
Αw s(Κ)=f iso(Κ)+01189184?
f vol(Κ)-11377622?f geo(Κ)(11)谱反照率Α(Ηi,Κ)可由二者组合计算。
Α(Ηi,Κ)=(1-S)?Αbs(Ηi,Κ)+S?Αw s(Κ)(12)其中:S为天空散射光所占比分。S的大小要另作估算。由于W h ite2sky反照率是对各入射角的积分,它比较接近一般意义上的反照率值。
(4)窄带向宽带的转换。由于多数卫星测量是在分离的、波段较窄的不连续波长区域进行的,必须将以上所得各窄带反照率转化为宽带反照率。转换方程可由野外实验或理论模拟得到。野外实验结果,如过去作的由两个AV HRR反射波段的谱反照率求地表反照率,常常与当时的特定地面类型、大气条件、太阳位置等有关。经过实际检验的模式模拟则可用于普遍情况。梁顺林等(L iang et al,2000,2003,参见文献〔2〕)采用模拟方法对9种多波段卫星,包括AV HRR,L andsat TM ETM+,M OD IS等,建立了有关方程组,宽带反照率的转换精度约可达到0102。5 常用的陆面过程模式中反照率是如何处理的?是否可用卫星遥感产品
取代?
全球大气环流模式或全球气候模式(GC M s),或区域大气水文模式,需要陆气界面上的辐射、感热、潜热和动量通量作为其下边界条件。陆面过程模式便是为此目的而建立的一些子模式;它同时也作为地气相互作用过程分析的主要理论工具。陆面过程模式经过20世纪60年代以来的几代发展,当前最常用的有Si B2(简单生物圈模式2),BA T S (B i o sp here2A tm o sp here T ran sfer Schem e), O SU L S M(O regon State U n iversity L and Su rface M odel),以及最新的CLM(Comm on L and M odel)等。
地表反照率是制约陆面辐射能收支的关键因子,勿庸置疑,它也是陆面过程模式的主要参数之一。但是,尽管已经有了较成熟的利用卫星遥感反演地表反照率的方法,迄今为止,其结果还没有直接应用于陆面过程模式。地表反照率,在当前所有的陆面过程模式中,都还是作为诊断变量由其它参数导出的,而不是像许多驱动变量那样由一个数据表提供。各种模式对地表反照率的处理过程基本相同。以下
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以Comm on L and M odel(其与N CA R气候模式CCS M2耦合的新版本称Comm un ity L and M odel,即CLM2)为例说明〔4〕。
根据植被光学特性在017Λm附近的显著变化,模式将反照率分为可见光(Κ<017Λm)和近红外(Κ>017Λm)两个波段,并分别按直射光和散射光处理。模式分别计算土壤、积雪和植被的反照率,然后按下式加权求和得到模式网格上的地表反照率:
Α=Αs f s+Αsn f sn+Αv f v(13)下标s、sn和v分别表示裸土、积雪和植被的反照率,
f为各下垫面所占比分。
在已知各网格和次网格的地面土壤类型的前提下,土壤的反照率Αs是指定的土壤颜色和土壤湿度的函数。
Αs=Αsat+m in{Αsat,m ax[0101?(11-40?M),0]}
(14) CLM将全球范围内的土壤颜色由浅至深分为8种类型,不同土色水分饱和情况下的土壤反照率Αsat等参数是由先验知识给定的。土壤湿度M(体积含水量)则是模式的另一个诊断变量。模式计算Αs时未考虑太阳天顶角变化的影响,并假设Κ>017Λm的反照率是Κ<017Λm的反照率的2倍。
积雪反照率Αsn是积雪时间(雪龄,为模式诊断变量)及与之相关的雪粒度、污染程度和太阳天顶角Ηi 等的函数。CLM设定新雪在Ηi≤60°的反照率为0195 (对Κ<017Λm)或0165(对Κ>017Λm)。积雪所占比分分别按积雪覆盖裸土(f sn,s,与土壤表面粗糙度、积雪深度有关)和积雪覆盖植被(f sn,v,与叶面 茎面指数等有关)两种情况作更细的处理。
植被反照率Αv,是根据不同土地覆盖类型下植被冠层的叶面光学特征(反射率、透过率、叶面取向)、形态参数和生理参数的先验值,考虑叶面 茎面指数(LA I,SA I)和太阳天顶角的随时间变化,用简化的二流辐射传输模式计算的。同样,计算对直射光和散射光按Κ<017ΛmΚ>017Λm分别处理。模式加入了冠层下的土壤反照率的影响,但不考虑冠层与地面间的多次反射。CLM模式中叶面指数(LA I)这一重要参数,和Si B2一样,可以由卫星遥感的AV HRR植被指数(NDV I)推算。
以上可见,陆面过程模式对地表反照率的计算,基于陆面土地覆盖分类(如IGB P的18种分类),包含了许多先验的预定参数;复杂的计算过程中含有许多近似处理。这些,显然需要地面观测和高精度卫星反演结果的检验。近年已经有几篇文献对比M OD IS地面反照率的时空变化,分析了CLM模式反照率的误差及其可能原因。
M OD IS的BRD F A lbedo产品(M OD43),地面分辨率1km,每16d一次,含有3个波段(013～017Λm,017～510Λm,013～310Λm)的全球B lack2sky 反照率和W h ite2sky反照率。产品含有像元QA(质量保证)标志,是一套质量很高且便于与CLM有关结果比较的资料。Zhou et al(2003)〔5〕利用2001年M OD43B3产品对CLM模式反照率做了分析。结果表明,对植被覆盖较好的地区,特别是低中纬度,模式反照率与M OD IS结果的偏差较小,约0102～0104。但对植被较稀疏地区,偏差增大。对裸土特别是积雪下垫面,CLM反照率偏差很大,如北方高纬地区冬季的CLM可见光(013～017Λm)反照率偏低达014～015,沙漠半沙漠地区模式的近红外(017～510Λm)反照率偏低约0105～011。CLM模式似乎还难以应对积雪变化的复杂性,积雪反照率计算过程中可能高估了叶面 茎面指数(LA I,SA I)及其影响。对裸地或稀疏植被地区的处理可能有同样缺点。同类地区,误差有正有负,可能与土地覆盖的分类精度有关。CLM模式的一些处理过程较简单,如全球土壤颜色只分为8类且假设红外反照率是可见光的2倍;二流辐射传输近似处理中没能包含冠层三维结构和各项异性的影响。
利用M OD IS BRD F A lbedo产品的对比分析为CLM等陆面过程模式的有关改进提供了依据。迄今为止,许多文献都集中在如何改进CLM的反照率计算过程方面,还没有提到如何直接将卫星遥感反演的地面反照率,如M OD IS相关产品,直接引入模式的驱动参数中。其原因,一方面是已建立的并与气候模式较好耦合的陆面过程模式本身的复杂性,直接引入遥感反照率产品涉及许多改动,包括与气候模式的动态反馈过程等。另一方面,可能更主要的,是遥感反照率产品的生成、分发和应用,还没有像AV HRR NDV I那样,达到业务化的水平。根据气候模式的要求,反照率的精度应达到±0102～±0105。对卫星遥感来说,这也是一个较高的指标。近年较新的卫星观测及处理方法,特别是有关M OD IS产品,应当可以随着业务化的逐渐推进达到这一要求,将其直接引入模式应用应能在不远的将来实现。
6 结 语
地表反照率是入射太阳能被地表反射的比分。它决定地表吸收太阳辐射能的多少,是影响地表能
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第5期 王介民等:关于地表反照率遥感反演的几个问题
量收支的关键参数。地表反照率随地表植被、土壤、积雪覆盖类型及其结构变化而变化。陆面过程模式或气候模式中地表反照率的确定误差会带来多种严重的影响。
地表反照率也是遥感反演陆面参数时的第一重要参数。反演过程有两个较大的难点,一是大气校正,二是各向异性校正。EO S M OD IS已经发展了较好的算法。地物的‘二向性’特征和处理方法,是当前理解上产生混淆的原因。M OD IS的有关计算采用半经验的核驱动线性BRD F模式,由多天、多角度和无云大气校正反演每16d一次的全球1km地表谱反射率,再由窄带-宽带转换生成三波段(013～017Λm,017～510Λm,013～310Λm)反照率产品。
陆面过程模式中的反照率是由模式内部过程而不是由数据表提供的。这些过程基于土壤和地面覆盖分类,包括对植被、土壤和积雪等过程的不同处理。由于某些过程处理中的简化假设,丢失了一些空间和光谱信息。模式对地表反照率的计算,必须用遥感反演结果特别是质量较好的M OD IS产品检验。
对比模式与M OD IS地面反照率,二者在某些地区的差别是明显的。由于模式对高纬地区叶面 茎面指数(LA I,SA I)的高估,积雪下垫面的反照率偏低达014～015。模式反照率在沙漠半沙漠地区的估算也偏低;在这些地区,卫星比模式结果显示出更大的空间变化。卫星观测结果为模式在处理LA I SA I,积雪植被和土壤下垫面的反照率计算过程等方面,提供了改进的依据。
当前,遥感反照率产品的生成、分发和应用,还没有像AV HRR NDV I那样,达到业务化的水平。随着遥感反演精度的进一步提高和业务化的逐渐推进,有可能在不远的将来将卫星遥感反照率产品直接引入模式应用,提高陆面过程模式和气候模式的性能。
本文得到《国家重点基础研究发展规划》“地球表面时空多变要素的定量遥感理论及应用”项目(G2000077908)的资助。
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E nv ironm en t,Ch inese A cad e m y of S icences,L anz hou730000,Ch ina;)
Abstract:T he effects of albedo on land su rface radiati on budget and regi onal and global cli m ate w ere analyzed in th is p ap er.R etrieving accu rately land su rface albedo by rem o te sen sing data is the p reconditi on of o ther land su rface p aram eters retrieval,so albedo is the first i m po rtan t p aram eter in land su rface p aram eters retrieval by rem o te sen sing data.O n the basis of the concep t of albedo and o ther term s often confu sed w ere dem on strated,the step s and so lu ti on s to m ain difficu lties of retrieving land su rface albedo by rem o te sen sing data w ere given and discu ssed b riefly.A t last,w e analyzed the p rocess of calcu lating albedo in p resen t land su rface p rocess m odels and com p ared the resu lts w ith the p roducts related to M OD IS.T he in tegrati on of rem o te sen sing and land su rface p rocess m odels and global cli m ate m odels w as em p hasized.
Key words:L and su rface albedo;BRD F;L and su rface radiati on budget;L and su rface p rocess m odel; R em o te sen sing
003 遥 感 技 术 与 应 用 第19卷
表观反射率(反射率反照率)的计算
表观反射率（反射率、反照率）的计算 第一步、分别计算各个波段每个像元的辐射亮度L 值： L=Gain*DN+Bias 或者 min min min max min max )(*L QCAL QCAL QCAL QCAL L L L +---= 式中，QcaL 为某一像元的DN 值，即QCAL=DN 。 QCALmax 为像元可以取的最大值255。QCALmin 为像元可以取的最小值。如果卫星数据来自LPGS(The level 1 product generation system)，则QCAL=1(Landsat-7数据属于此类型)。如果卫星数据来自美国的NLAPS ( National Landsat Archive Production System )，则QCALmin=0 (Ldsat-5的TM 数据属于此类型)。 根据以上情况，对于Landsat-7来说，可以改写为(QCALmin=1)： min min max )1(*254L DN L L L +--= 对于Landsat-5来说，可以改写为(QCALmin=0)： min min max *255L DN L L L +-= 表1 Iandsa-7 ETM+各个反射波段的Lmax 和Lmin 值 Table1The values of Lmmax and Lmin for reflecting bands of Landsat-7 表2 Landsat-5 TM 各反射波段的Lmax 和Lmin 值
的陆地、沙漠、冰与雪、水体、海冰、火山等6大类型)和太阳高度角状况来确定采用高增益参数或是低增益参数。一般低增益的动态范围比高增益大1.5倍，因此当地表亮度较大时，用低增益参数;其它情况用高增益参数。在非沙漠和冰面的陆地地表类型中，ETM+的1一3和5,7波段采用高增益参数，4波段在太阳高度角低于45度（天顶角>45度）时也用高增益参数，反之则用低增益参数。详见文献(NASA Landsat Project ScienceOffice , 1998b )。 第二步、计算各波段反射率（反照率、反射率）ρ： 波段） 为第i i Cos ESUN D L i () (2 θπρ???= 式中，p 为人气层顶(TOA)表观反射率(无量纲)，π为常量(球面度str)，L 为大气层顶进人卫星传感器的光谱辐射亮度(W ˙m-2-sr-1˙μm-1)，D 为日地之间距离(天文单位),ESUN 为大气层顶的平均太阳光谱辐照度(W ˙m-2-sr-1˙μm-1),θ为太阳的天顶角(θ=90?-β，β为太阳高度角， Cos(θ)也可以这样计算：Cos(θ)=Sin φ*Sin δ+Cos φ*Cos δ*Cosh,式中φ甲为地理纬度，φ为太阳赤纬，h 为太阳的时角。太阳赤纬是太阳光与地球赤道平面的夹角)。 也可以是： 2 )365)5.93(2sin 0167.01(cos )()(??????-+?= D E L s sun T πθλλπρ 其中,θs 为太阳天顶角, D 为儒略历(Julian) 日期,这两个参数可由数据头文件读 出。L (λ) 为入瞳辐亮度, Esun 为外大气层太阳辐照度。 上式成立的条件是假设在大气层顶，有一个朗勃特(Laribcitian)反射面。太阳光以天顶角θ人射到该面，该表面的辐照度为E = ESUN*Cos(θ)/D 2(吕斯哗，1981)。该表面的辐射出射度M=πL(吕斯骤，1981)。根据Lanbertian 反射率定义，大气层顶的表观反射率P 等于M 和E 的比值，即 波段） 为第i i Cos ESUN D L E M i () (2 θπρ???= = 表 3 随时间变化的日地距离（天文单位） 表 4 Landsat-7 和Landsat-5的大气层顶平均太阳光谱辐照度ESUN(W ˙m-2-sr-1˙μm-1)
表观反射率
表观反射率 遥感反射率的定义:地物表面反射能量与到达地物表面的入射能量的比值。遥感表观反射率的定义:地物表面反射能量与近地表太阳入射能量的比值。大气校正就是将辐射亮度或者表观反射率转换为地表实际反射率，目的是消除大气散射、吸收、反射引起的误差。 1、反射率:是指任何物体表面反射阳光的能力。这种反射能力通常用百分数来表示。比如说某物体的反射率是45%，这意思是说，此物体表面所接受到的太阳辐射中，有45%被反射了出去.英文表示:Reflectance 2、地表反射率:地面反射辐射量与入射辐射量之比，表征地面对太阳辐射的吸收和反射能力。反射率越大，地面吸收太阳辐射越少;反射率越小，地面吸收太阳辐射越多，表示:surface albedo 3、表观反射率:表观反射率就是指大气层顶的反射率,辐射定标的结果之一，大气层顶表观反射率，简称表观反射率，又称视反射率。英文表示为:apparent reflectance (=地表反射率+大气反射率。所以需要大气校正为地表反射率)。 “6S”模型输入的是表观反射率而MODTRAN模型要求输入的是辐射亮“5S”和度。 4、行星反射率:从文献“一种实用大气校正方法及其在,,影像中的应用”中看到“卫星所观测的行星反射率(未经大气校正的反射率)”;在“基于地面耦合的TM 影像的大气校正-以珠江口为例”一文有“该文应用1998年的LANDSAT5 TM影像,对原始数据进行定标、辐射校正,求得地物的行星反射率”。因此行星反射率就是表观反射率。英文表示:planetary albedo
5、反照率:反照率是指地表在太阳辐射的影响下，反射辐射通量与入射辐射通量的比值。它是反演很多地表参数的重要变量，反映了地表对太阳辐射的吸收能力。英文表示:albedo 它与反射率的概念是有区别的:反射率(reflectance)是指某一波段向一定方向的反射，因而反照率是反射率在所有方向上的积分;反射率是波长的函数，不同波长反射率不一样，反照率是对全波长而言的。反照率的定义是地物全波段的反射比,反射率为各个波段的反射系数。因此,反照率为地物波长从0 到?的反射比。 6. 地表比辐射率(Surface Emissivity)，又称发射率，指在同一温度下地表 发射的辐射量与一黑体发射的辐射量的比值，与地表组成成分，地表粗糙度，波长等因素有关。比辐射率的直接测量。理论上,比辐射率的测定有两种途径,一种是比色法,这种方法目前只能使用在被测物的温度大于50 ?的场合。因为信噪比太小, 不适合常温地球表面的测量。然而,随着传感器技术的发展,如果能测量零度以下物体的话,这种比色法似可取得突破性的发展; 另一种是亮度法。也是目前人们所采用的办法。在实验室里,利用封闭式黑体筒可以成功地测量地物的比辐射率。也可以利用主动和被动相结合的方法测量比辐射率,这种方法已在实验室里取得成功。利用二 氧化碳激光,可以远距离测量地物的比辐射率,目前,已经开始把这一技术向航 空和航天遥感扩展,它的可行性已经得到证实,其目标是对区 域范围的地物比辐射率进行直接测定。我们深信这种高技术的实现已为期不远了。这种比辐射率的直接测定,不仅可以直接获得比辐射率 区域分布,而且可以获得比辐射率的多角度以及地物性质的有关信息。这种研 究思路的实现,对定量热红外遥感的推动作用是巨大的。
地表反照率
收稿日期:2004207225;修订日期:2004208228 基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(“973”项目)(G 2000077908)资助。 作者简介:王介民(1937-),男,研究员,博士生导师,主要从事大气科学与遥感应用研究。 关于地表反照率遥感反演的几个问题 王介民1,高 峰1,2 (11中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州 730000;21中国科学院资源环境科学信息中心,甘肃兰州 730000)) 摘要:分析了地表反照率对陆面辐射能收支以及区域和全球气候的影响,强调了地表反照率是遥感反演陆面参数时的第一重要参数,地表反照率或多波段遥感中不同谱段的地表反射率的准确反演常常是准确估算其它陆面参数如植被和土地利用 土地覆盖等状况的先决条件。在对当前关于反照率的概念及容易混淆的术语进行阐述和说明的基础上,简述了遥感反演地表反照率的步骤和主要难点的解决方法,进而对常用陆面过程模式计算地表反照率的过程作了分析,并将其结果与M OD IS 有关产品进行了比较,强调了遥感与陆面过程模式和气候模式的结合。关 键 词:地表反照率;二向反射分布函数;地面能量收支;陆面过程模式;遥感中图分类号:T P 79 文献标识码:A 文章编号:100420323(2004)0520295206 1 引 言 反照率似乎是一个教科书上早已讲述过的基本概念,然而在卫星遥感日新月异地发展和广泛应用的今天,却时时出现许多混淆和困惑。地表反照率的遥感反演,经过多年的实验研究已经有了一些成熟的算法,但其精确估算依然存在诸多困难。 概念上,反照率(albedo )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(～013-410Λm )。对多波段遥感的某个谱段而言,称为谱反照率(sp ectral albedo )。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(reflectance )。 以下是关于地表反照率(反射率)的几个问题的讨论。 2 为什么把地表反照率称为遥感反演 中的第一重要参数? 狭义上说,地表反照率或多波段遥感中不同谱段的地表反射率的准确反演,常常是准确估算其它陆面参数如植被和土地利用 土地覆盖等状况的先决条件。以下关于地表反照率反演方法的介绍中对 此还会有进一步说明。 其实,地表反照率的重要性远不止此。从影响局地乃至全球气候的陆面过程分析,地表反照率是对陆面辐射能收支影响最大的一个参数。地面吸收的净辐射能(R n )可以表示为: R n =R S ↓(1-Α)+(R L ↓-ΕΡT 4 s ) (1) 其中:R S ↓为太阳总辐射,与当地的经纬度、时间以及天空云状况等有关。Α为地表反射率,是太阳谱段的地表反射率的积分。R L ↓为大气向下的长波辐射,是大气温湿廓线和云状况的函数。ΡT 4s 为地面向上的长波辐射,其中Ε为地表比辐射率,Ρ为斯忒藩-波尔兹曼常数,T s 为地表温度。 (1)式右边第一项是短波净辐射(R nS ),第二项是长波净辐射(R nL )。为了解各有关量的大小,图1给出一个有代表性的实例。这是高原地区短草地上夏季一个晴天(下午略有云)的日变化观测。由图1可见,由于大气和地表的温度差异相对较小,大气向 下的长波辐射和地面向上的长波辐射(R L ↓=ΕΡT 4 s )量值接近。长波净辐射总的来说是一个小量(绝对值不大于短波净辐射的1 5)。地面所吸收的净辐射主 要由短波净辐射R S ↓?(1-Α )提供。很明显,地表反照率的影响是第一重要的。对这 块草地,白天的绝大多数时段,Α≈0115,即净辐射大 第19卷 第5期2004年10月 遥 感 技 术 与 应 用 REMO TE SEN SI N G TECHNOLO GY AND A PPL ICA T I O N V ol .19 N o .5O ct .2004
玻璃的反射率和透光率计算
玻璃的反射率和透光率计算 设r 为每个界面反射率 r=((n-1)/(n+1))2 ，n 是玻璃的折射率，等于1.5，则r=4% 单片玻璃有两个界面，设其反射率为R ，PVB 的透过率为0.92 则 R=r e r r t ??-+-β22)1( 式中β 为吸收率系数,等于1M -1，t 为厚度。 （1）采光顶8+12A+6+1.52PVB+6mm 中空钢化夹胶玻璃 R= %00.792.004.0)04.01(04.02020.022=???-+-x e 单片玻璃的透过率为T ，t e r T β-?-=2)1( %1.8392.0)04.01(020.012=??-=-x e T （2）幕墙10+12A+10mm 中空钢化玻璃 R= %00.792.004.0)04.01(04.02020.022=???-+-x e %1.8392.0)04.01(020.012=??-=-x e T 综合以上计算，采光顶8+12A+6+1.52PVB+6mm 中空钢化夹胶玻璃,幕墙10+12A+10mm 中空钢化玻璃的反射率为7.00%，透光率为83.1%。 玻璃的热传导系数 66333.43.2111d G ++=εδ 66352.1733.452.13.2111+?+=εG 1111-+=i o εεε 式中: G 中空夹胶玻璃的导热系数，c h m kcal o 2/ δ 夹层的厚度（mm ） ε 有效放射率
i o εε 外、内側玻璃的放射率，0.896 d 原板玻璃公称厚度之和，( mm ) （1）采光顶8+12A+6+1.52PVB+6mm 中空钢化夹胶玻璃 23956.066352.33812.033.412 3.2111=+?+=G 中空夹胶玻璃的热传导系数 o i h h G K 1111++= 式中: o h 外侧空气对流系数，17.5 c h m k c a l o 2/ i h 内侧空气对流系数，7.4 c h m k c a l o 2/ 31568.25 .1714.7123956.01=++=K c h m k c a l o 2/ K m W K 2/702..23600 420031568.2=?= （2）幕墙10+12A+10mm 中空钢化玻璃 228..066332812.033.412 3.2111=+?+=G 夹胶玻璃的热传导系数 o i h h G K 1111++= 式中: o h 外侧空气对流系数，17.5 c h m k c a l o 2/ i h 内侧空气对流系数，7.4 c h m k c a l o 2/ 37938.25 .1714.71228.01=++=K c h m k c a l o 2/ K m W K 2/776..23600 420037938.2=?=
行星反射率的计算
行星反射率的计算 1.打开ENVI软件→File→Open External File→Landsat→Geo TIFF→文件夹里 的图像 2.选择742波段为RGB值打开图像 3.将六个波段的DN值转化为亮度值：Basic Tools→Band Math→在Enter an expression的框里输入(b1-1)*(193.0+1.52)/254-1.52→Add to list→Ok→选定第一波段→Choose建立一个文件夹保存 4.重复步骤2，将第1至第7（第6除外）波段的DN值全部转化为亮度值，每 次代入相应波段对应的公式（见最后） 5.将六个波段的亮度值转化为反射率：Basic Tools→Band Math→在在Enter an expression的框里输入!pi*b1*1^2/(1957*cos(!pi*(90-65.3691418)/180))→Add to list→Ok →选定第一波段的亮度值（带公式的那个）→Choose建立一个文件夹保存6.重复步骤4，将第1至第7（第6除外）波段的亮度值全部转化为反射率， 每次代入相应波段对应的公式（见最后） 7.打包：File→Save as→ENVI standard→选择六个波段的反射率→Reorder 重排一下 8.打开保存好的反射率的文件选择742波段为RGB值打开图像 New Display 9.连接俩图像：在图像窗口Tools→Link→Link Displays→Dynamic选择Off 10.在图像上双击左键查看RGB的值 用ENVI的band math功能，将DN值向亮度值转换部分。 (b1-1)*(193.0+1.52)/254-1.52 (b1-1)*(365.0+2.84)/254-2.84 (b1-1)*(264.0+1.17)/254-1.17 (b1-1)*(221.0+1.51)/254-1.51 (b1-1)*(30.2+0.37)/254-0.37 (b1-1)*(16.5+0.15)/254-0.15 亮度值向反射率转换部分 !pi*b1*1^2/(1957*cos(!pi*(90-65.3691418)/180)) !pi*b1*1^2/(1829*cos(!pi*(90-65.3691418)/180)) !pi*b1*1^2/(1557*cos(!pi*(90-65.3691418)/180)) !pi*b1*1^2/(1047*cos(!pi*(90-65.3691418)/180)) !pi*b1*1^2/(219.3*cos(!pi*(90-65.3691418)/180)) !pi*b1*1^2/(74.52*cos(!pi*(90-65.3691418)/180))
地表反射率,温度,植被指数
地表反射率、温度、植被指数、几何精纠正和Landsat影像
Basic Tools|Band Math，在Band Math对话框中输入公式，公式中的ｂ３和ｂ４分别选取第3和第4波段的地表反射率。然后导出结果。 二、地表温度反演 1、计算辐射亮度。加载htm影像，根据头文件中的数据，得到1、2波段的辐射亮度的计算公式0.067086617777667001*b1+(-0.067086617777667001)和0.037204722719868001*b2+(3.1627953249638470)，步骤同上，得出辐射量度的计算结果。 2、辐射反演。利用公式T=k2/ln(k1/Lλ+1)算地物的辐射反演，其中T为开尔温度；查找参数值：k1=666.09; k2=1282.71;Lλ分别利用步骤1中的波段1和波段2的辐射量度。 3、统计反演后的地物的温度值，并比较其差异。打开反演后的温度影像，右击影像选择ROI Tool，统计各种地物值的最大值，最小值，均值，标准差，将其统计到Excel中，比较其差异。 结果与分析 一、DNVI建模 【地表反射率】
第3波段第4波段【DNVI】 【3、4波段表观反射率和地表反射率的线性关系】
【表观反射率和地表反射率的线性关系数学表达式】 波段关系式波段关系式 1波段y=0.8933*x+0.0473 4波段y=0.9401*x+0.0065 2波段y=0.8801*x+0.0242 5波段y=0.9399*x+0.001 3波段y=0.9161*x+0.0143 7波段y=0.9584*x+0.0004 【部分地物的DNVI值】 地物DNVI值min max mean stdev Reservior 0.057713 0.338587 0.145087 0.038598 Snow -0.12395 0.152669 0.025088 0.031572 Bare Land 0.105628 0.374843 0.192701 0.043621 Urban -0.356923 0.038094 -0.273288 0.045284 Plant 0.333387 0.786695 0.656094 0.081619 Desert 0.071897 0.155663 0.100783 0.014291 River 0.043469 0.429917 0.127503 0.08131 【结果与分析】：通过对提取地物的DNVI值的可以发现，绿色的DNVI值比较高，原因是绿色植物叶绿素引起的红光吸收和叶肉组织引起的近红外光反射使得植被在近红外波段和红光波段有很大的差异；水体和
地表反射率、温度、植被指数教学教材
地表反射率、温度、 植被指数
地表反射率、温度、植被指数、几何精纠正和Landsat影像
结果与分析 一、DNVI建模 【地表反射率】 第3波段第4波段【DNVI】
【3、4波段表观反射率和地表反射率的线性关系】 【表观反射率和地表反射率的线性关系数学表达式】 波段关系式波段关系式 1波段y=0.8933*x+0.0473 4波段y=0.9401*x+0.0065 2波段y=0.8801*x+0.0242 5波段y=0.9399*x+0.001 3波段y=0.9161*x+0.0143 7波段y=0.9584*x+0.0004 【部分地物的DNVI值】 地物DNVI值min max mean stdev Reservior 0.057713 0.338587 0.145087 0.038598 Snow -0.12395 0.152669 0.025088 0.031572 Bare Land 0.105628 0.374843 0.192701 0.043621
Urban -0.356923 0.038094 -0.273288 0.045284 Plant 0.333387 0.786695 0.656094 0.081619 Desert 0.071897 0.155663 0.100783 0.014291 River 0.043469 0.429917 0.127503 0.08131 【结果与分析】：通过对提取地物的DNVI值的可以发现，绿色的DNVI值比较高，原因是绿色植物叶绿素引起的红光吸收和叶肉组织引起的近红外光反射使得植被在近红外波段和红光波段有很大的差异；水体和裸地在红光波段和近红外波段反射率相当，因此水库和裸地的NDVI值接近0；雪地NDVI最低值中出现负值，是由于在近红外波段比可见光波段有较低的反射率；沙漠中植被很少，因此其近红外波段和红光波段的反射情况和裸地类似，因此其NDVI值接近于0；河流的NDVI值稍大于由于河流中存在一定的含沙量，使得地物在近红外波段的反射率大于近红外波段。 二、温度反演 【温度反演】 低增益温度反演高增益温度反演 【第1波段部分地物低增益温度反演数据】 开尔文温度摄氏温度 反演温度 地物min max mean stdev min max mean Reservior 287.47641 289.289886 288.13127 0.388036 14.32641 16.13989 14.98127 Snow 273.154785 293.990417 278.177771 3.788266 0.004785 20.84042 5.027771 Bare Land 295.989319 310.676086 303.445647 2.819391 22.83932 37.52609 30.29565 Urban 300.165253 310.928528 307.469228 1.530421 27.01525 37.77853 34.31923 Plant 294.278015 305.525879 298.698402 2.333251 21.12802 32.37588 25.5484 Desert 302.605286 309.915955 306.491575 1.39902 29.45529 36.76596 33.34158 River 300.438721 313.922485 305.865796 4.320705 27.28872 40.77249 32.7158
地表反射率的计算
地表覆盖反射率的计算(6s软件的应用) 9月23日首先在envi软件中打开已经处理好的真彩色影像（TM543波段），我的影像因为没有居中，所以首先进行了裁剪，让影像满幅居中再操作。 1、打开遥感影像，并裁减居中： 先打开7个波段影像，， 选中543，。合成，，，在弹出的对话框中点，按住ctrl再选中这3项 ，点ok，命名为。 打开矢量边界，，，选中。建立掩膜， ，，，，，重命名为，点，形成掩膜文件。再应用掩膜，选文件，点 ，选，，，重命名为，形成影像
。所以接下来对背景进行裁剪，，，选，，，选，，，，， 重命名为，形成影像。 2、让#1和Scroll中的红方框大致居中，在#1中任意位置双击弹出“光标位置评估”，或者右键找出也可。
（可是我不太清楚调出这个的目的？） 3、寻找我们应用的黄石市遥感影像中头文件为MTL.txt的文件，以写字板的形式打开，方便查看遥感影像的具体信息。 找到影像获取的时间即“DATE _ACQUIRED”，这个原始的影像获取时间才是我们需要的，不要被其他的信息误导。 因为6s识别不了具体的时分秒，所以我们需要将具体时间换算成小时，即此处的02:26:32应转换成2.43小时。 4、打开中的,
我们在运行6s的一切操作，都是按着这个步骤来的，但是期间会出现一些专业术语的特定要求，所以我们需要打开另外的文件，书名如下： 打开到35页，IGEOM，从对应上我们找到TM影像，即Landset对应的数字为7， 接下来，我们运行6s软件。打开中的，
Geometrical conditions (几何条件) igeom [0-7]:7(因为IGEOM，从对应上我们找到TM影像，即Landset对应的数字为7); 输好后只按一次enter键； 4、接下来输入时间：
地表反射率反演
MODIS 反照率反演算法 1 基本概念 1地表反射率(albedo)指地表向各个方向反射的全部光通量与总入射光通量的比。 2 辐射亮度指面辐射源上某点在一定方向上的辐射强弱的物理量 3 BRDF （二向反射率） 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（Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF ）定义如下： 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。 2 反照率反演算法流程 2.1核驱动模型和反演 核驱动的线性BDRF 模型，是用核的线性组合来拟合地表的二向反射特征。简单地说，可以用下面的公式表示： ),,,(∧φ?θR =),,()(k φ?θk k k f ∧∑ 其中 , R 为二向反射; K k 为各类核 , f K 为相应各个核所占的比例(权重),θ为 太阳入射天顶角,?为观测天顶角,φ为相对方位角;Λ为波段宽。 拟合观测数据()∧ρ，通过最小二乘法，反演拟合观测数据的最优的k f ，也就是说，已知l l φ?θ,,l 角度的反射观测()∧ρ，最小化 得到，各个核的权重k f 其中，d 为自由度，也就是观测样本数减去核系数k f 的个数；()∧l w 为第l 个观 (,;,;)(,;,;)(,;,;) r i i r r r i i r r i i i r r dL f dE θφθφλθφθφλθφθφλ=
地表反射率计算
黄石市地表反射率计算 一、数据预处理 1、打开：用ENVI5.1将黄石市2000年遥感影像数据的3,、4、5波段打开（1）用鼠标左键双击ENVI5.1图标，打开ENVI5.1程序； （2）打开黄石市2000年遥感影像数据的3,、4、5波段。 File→Open Image File→选择黄石市2000年遥感影像数据的3、4、5波段→打开。 2、合成：对黄石市2000年遥感影像数据的 3、 4、5波段进行合成。 Basic Tools→Layer Stacking→Import File→选择黄石市2000年遥感影像数据的3、4、5波段→Ok→Choose→命名（2000_band543_hecheng）→
打开→Ok 3、裁剪：用黄石市边界矢量数据裁剪合成后的2000黄石市遥感影像。（1）打开合成后的黄石市2000年遥感影像数据的3、 4、5波段； File→Open Image File→选图（2000_band543_hecheng）→打开→Ok （2）打开黄石市边界矢量数据； Vector→Open Vector File→选图（黄石市边界范围.evf)→打开
备注：建立掩膜时一定要将2000_band543_hecheng和黄石市矢量边界的影像打开。 （3）以黄石市边界矢量数据建立掩膜； Basic Tools→Masking→Bulid Mask→Display #1→Options →Import EVFS→选图（111）→Ok→Choose→命名（2000_band543_hecheng_yanmo)→打开→Apply （4）应用掩膜； Basic Tools→Masking→Apply Mask→2000_band543_hecheng→ Select Mask Bang→2000_band543_hecheng_yanmo→Ok→Ok→Choose→命名（2000_band543_hecheng_clip)→打开→Ok
反照率表观测规范
“黑河综合遥感联合试验”中游试验简明观测规范 反照率表观测规范 一、准备工作 反照率观测需要准备一下物品：短波表、电压表、记录表、铅笔、橡皮、卷尺、GPS（如果没有其它组定位）、水准棒、电子表或者手表、三角架、自制横杆（带固定螺丝）、马扎、整理箱。 二、仪器架设 1.打开三角架，初步固定，连接横杆各部分，固定到三角架上。 2.将探头安装到横杆的顶端（指向太阳），小心谨慎，防止探头脱手，不要接触探头玻璃部分。 3.连接数据线，可以将数据线缠绕横杆几圈，注意数据线连接电压表部分不可以短路。 4.利用探头上的水平水柱或者水平棒调整探头水平。 5.为下垫面拍摄相片1-2张，并记录照片号。 三、操作流程 1.按以上步骤架设好仪器。 2.连接数据线，用护套鳄鱼夹连接数据线保证完全接触。电压表的黑色表笔插入COM口，另一端 接数据线蓝色电线，红色表笔插入V/Ω口，另一端接数据线红色电线。 3.用卷尺测量探头距地面高度（如有植被，还需测量探头距冠层高度），尽量控制探头距冠层高度 为1米，以探头向上时上表面（不包括玻璃罩部分）为准。 4.记录测量日期、样地号、测量人、记录人、短波表编号和天气状况等相关信息。 5.按要求记录电压表读数。 单表与双表测量说明： 1.观测分分为单表测量与双表测量，对应不同的记录表。 2.单表测量法在进行观测时需要先后测量向上与向下两个方向，两次观测时间间隔越短越好。转 换方向时需要人工使用转杆改变方向，之后重复3－6步骤。 3.双表测量时注意是测量两次探头高度。 四、注意事项 为了防止仪器设备损坏，杜绝不规范操作，获得高精度的观测数据，请牢记以下注意事项：1.三角架必须安置稳当，不要用力拉扯连接探头和电压表的数据线，注意试验人员不要跨数据线 行走而绊到数据线，防止三角架倒下损坏探头。 2.探头方向应指向太阳。 3.测量人员衣物尽量为深色。 4.注意数据线连接电压表部分不可以短路，防止烧坏探头，连接电压表时要完全接触，否则读数 不稳定。 5.不要随意改变电压表的设置，不可以反接数据线，按步骤进行读数和记录的操作，防止误操作 损坏探头和电压表（万用表或电压表设置为mv即可）。 6.不要用手直接接触探头的玻璃罩部分。 7.观测时间最好在上午10点到下午5点之间。 8.在太阳辐射相对稳定的时刻观测，读数变化太快时不宜观测。 9.观测时以探头的高度×8的半径范围内尽量不要有人或者其它物品的干扰。 10.尽量保持地表的原始状态，架设仪器时尽量减少对地表的破坏。 11.将电压表设置在离探头尽可能远的地方，减小读数时对探头造成的影响。 12.注意探头必须保持水平。 13.观测完毕后将仪器整理好装入整理箱内，注意清点所有物品，防止丢失。 14.每天晚上必须及时将数据录入电脑，分析数据。
表观反射率(反射率、反照率)的计算(完整资料).doc
此文档下载后即可编辑 表观反射率（反射率、反照率）的计算 第一步、分别计算各个波段每个像元的辐射亮度L 值： L=Gain*DN+Bias 或者 min min min max min max )(*L QCAL QCAL QCAL QCAL L L L +---= 式中，QcaL 为某一像元的DN 值，即QCAL=DN 。 QCALmax 为像元可以取的最大值255。QCALmin 为像元可以取的最小值。如果卫星数据来自LPGS(The level 1 product generation system)，则QCAL=1(Landsat-7数据属于此类型)。如果卫星数据来自美国的NLAPS ( National Landsat Archive Production System )，则QCALmin=0 (Ldsat-5的TM 数据属于此类型)。 根据以上情况，对于Landsat-7来说，可以改写为(QCALmin=1)： min min max )1(*254L DN L L L +--= 对于Landsat-5来说，可以改写为(QCALmin=0)： min min max *255L DN L L L +-= 表1 Iandsa-7 ETM+各个反射波段的Lmax 和Lmin 值 Table1The values of Lmmax and Lmin for reflecting bands of Landsat-7 ETM+(W ˙m-2-sr-1˙μm-1) 表2 Landsat-5 TM 各反射波段的Lmax 和Lmin 值
Table 2 The values of Lmax and Lmin for reflecting bands of Landsat-5 TM (W ˙m-2-sr-1˙μm-1) 表类型(非沙漠和冰面的陆地、沙漠、冰与雪、水体、海冰、火山等6大类型)和太阳高度角状况来确定采用高增益参数或是低增益参数。一般低增益的动态范围比高增益大1.5倍，因此当地表亮度较大时，用低增益参数;其它情况用高增益参数。在非沙漠和冰面的陆地地表类型中，ETM+的1一3和5,7波段采用高增益参数，4波段在太阳高度角低于45度（天顶角>45度）时也用高增益参数，反之则用低增益参数。详见文献(NASA Landsat Project ScienceOffice , 1998b )。 第二步、计算各波段反射率（反照率、反射率）ρ： 波段）为第i i Cos ESUN D L i ()(2θπρ???= 式中，p 为人气层顶(TOA)表观反射率(无量纲)，π为常量(球面度 str)，L 为大气层顶进人卫星传感器的光谱辐射亮度(W ˙m-2-sr-1˙μm-1)，D 为日地之间距离(天文单位),ESUN 为大气层顶的平均太阳光谱辐照度(W ˙m-2-sr-1˙μm-1),θ为太阳的天顶角(θ=90?-β，β为太阳高度角， Cos(θ)也可以这样计算：Cos(θ)=Sin φ*Sin δ+Cos φ*Cos δ*Cosh,式中φ甲为地理纬度，φ为太阳赤纬，h 为太阳的时角。太阳赤纬是太阳光与地球赤道平面的夹角)。 也可以是： 2)365)5.93(2sin 0167.01(cos )()(??????-+?=D E L s sun T πθλλπρ 其中,θs 为太阳天顶角, D 为儒略历(Julian) 日期,这两个参数可 由数据头文件读出。L (λ) 为入瞳辐亮度, Esun 为外大气层太阳辐照
各种反射率
遥感反射率的定义：地物表面反射能量与到达地物表面的入射能量的比值。 遥感表观反射率的定义：地物表面反射能量与近地表太阳入射能量的比值。 大气校正就是将辐射亮度或者表观反射率转换为地表实际反射率，目的是消除大气散射、吸收、反射引起的误差。 1、反射率：是指任何物体表面反射阳光的能力。这种反射能力通常用百分数来表示。比如说某物体的反射率是45%，这意思是说，此物体表面所接受到的太阳辐射中，有45%被反射了出去.英文表示：Reflectance 2、地表反射率：地面反射辐射量与入射辐射量之比，表征地面对太阳辐射的吸收和反射能力。反射率越大，地面吸收太阳辐射越少；反射率越小，地面吸收太阳辐射越多，表示：surface albedo 3、表观反射率：表观反射率就是指大气层顶的反射率,辐射定标的结果之一，大气层顶表观反射率，简称表观反射率，又称视反射率。英文表示为：apparent reflectance （=地表反射率+大气反射率。所以需要大气校正为地表反射率）。“5S”和“6S”模型输入的是表观反射率而MODTRAN模型要求输入的是辐射亮度。 4、行星反射率：从文献“一种实用大气校正方法及其在ＴＭ影像中的应用”中看到“卫星所观测的行星反射率（未经大气校正的反射率）”；在“基于地面耦合的TM影像的大气校正-以珠江口为例”一文有“该文应用1998年的LANDSAT5 TM影像,对原始数据进行定标、辐射校正,求得地物的行星反射率”。因此行星反射率就是表观反射率。英文表示：planetary albedo 5、反照率：反照率是指地表在太阳辐射的影响下，反射辐射通量与入射辐射通量的比值。它是反演很多地表参数的重要变量，反映了地表对太阳辐射的吸收能力。英文表示：albedo 它与反射率的概念是有区别的：反射率（reflectance)是指某一波段向一定方向的反射，因而反照率是反射率在所有方向上的积分；反射率是波长的函数，不同波长反射率不一样，反照率是对全波长而言的。反照率的定义是地物全波段的反射比,反射率为各个波段的反射系数。因此,反照率为地物波长从0 到∞的反射比。 6. 地表比辐射率(Surface Emissivity)，又称发射率，指在同一温度下地表发射的辐射量与一黑体发射的辐射量的比值，与地表组成成分，地表粗糙度，波长等因素有关。比辐射率的直接测量。理论上,比辐射率的测定有两种途径,一种是比色法,这种方法目前只能使用在被测物的温度大于50o C的场合。因为信噪比太小,不适合常温地球表面的测量。然而,随着传感器技术的发展,如果能测量零度以下物体的话,这种比色法似可取得突破性的发展; 另一种是亮度法。也是目前人们所采用的办法。在实验室里,利用封闭式黑体筒可以成功地测量地物的比辐射率。也可以利用主动和被动相结合的方法测量比辐射率,这种方法已在实验室里取得成功。利用二氧化碳激光,可以远距离测量地物的比辐射率,目前,已经开始把这一技术向航空和航天遥感扩展,它的可行性已经得到证实,其目标是对区域范围的地物比辐射率进行直接测定。我们深信这种高技术的实现已为期不远了。这种比辐射率的直接测定,不仅可以直接获得比辐射率区域分布,而且可以获得比辐射率的多角度以及地物性质的有关信息。这种研究思路的实现,对定量热红外遥感的推动作用是巨大的.
COMSOL-RF模块计算光学器件透射率的方法—探讨
COMSOL-RF模块计算光学器件透射率的方法—探讨 透/反射率的计算在电磁波研究中非常常见，计算结果的准确性与材料参数定义，边界条件的选择，网格剖分有十分紧密的关系。以下是关于电磁波透/反射率计算问题的经验整理，如有错漏欢迎指正和补充。需要计算透/反射率的器件通常可分为几种类型： 1. 波导器件 如各类波导分路器，光纤Bragg光栅，其入射端及出射端都满足波导模式。 当入射及出射端波导满足端口（Port）内置结构（同轴/矩形），可直接选择内置的波导类型，如RF案例库中的H弯波导（h_bend_waveguide）及环形器（lossy_circulator）案例。 当波导结构与内置类型不同时，需要首先通过模场分析计算出波导模式，通过Port边界的Numeric类型耦合到频域分析中，作为入射条件。如V3.5a及V4中的波导适配器（Wave_adapter）案例，以及在V4.2a中更新的dielectric_slab_waveguide案例。 波导常常支持多个模式，为了保证作为频域分析边界条件的模场分布是正确的，可以先进行边界模式分析，设定查找多个模式，根据模场分布从结果中找到作为入射条件的模式对应的模指数，然后在进行整个模型分析时，把此模指数作为参考值（Search for modes around:），查找模式数（Desired number ofmodes:）设定为1。以此保证入射条件正确。 对于以上两种情况，Port边界内置的S参数可计算出透/反射率，其中S11对应端口1的振幅反射率，S21对应从端口1至端口2的振幅透射率，以此类推。 2. 周期性散射体 如金属纳米天线阵列，光栅，光子晶体，在一或两个维度上具有周期性。 在RF模块中，完美电/磁导体（PEC/PMC）是完全反射边界，散射边界（SBC）、端口（Port）边界仅对某些角度或分布的光波透明，其他角度的光波均会有一定程度的反射，而PML如果设置恰当可以保证各角度入射波均被吸收。可以想像，如果散射场在边界上有反射，最终计算出的透射场及反射场会受到影响。边界的选择十分重要。 此类结构，可用周期性边界条件，或是根据电/磁场的对称性用PMC/PEC边界进行简化，仅对重复单元进行模拟。目前的解决方案主要有两种： a). 入射及出射端采用完美吸收层PML 当入射和出射端均设置为PML时，怎样定义光源？ 在V3.5a版本中，可以通过Port边界内部一致对作为入射条件，在入射端和出射端进行能流积分来计算透射率及反射率。典型案例是Grating。 在V4版本中，内部一致对方法不可行（https://www.docsj.com/doc/2012075210.html,/community/forums/general/thread/11030/） ，光源可通过背景场定义。透射功率可通过出射端总场能流积分算出，而反射功率可通过入射端散射场能流积分算出。 如果所研究的结构在入射端和出射端是同一种介质，背景场可直接定义为平面波。但是当入射与出射端处于两种介质中时，比如一个石英板与空气界面上排列着金属颗粒，电磁波从空气入射到界面上，采用一个单独的平面波作为背景场时，会在出射端的PML边界上出现不合理的反射这时需要根据Fresnel公式定义出符合界面反射的场分布，或是添加计算背景场的步骤，见 （https://www.docsj.com/doc/2012075210.html,/community/forums/general/thread/16715/， https://www.docsj.com/doc/2012075210.html,/forum/post/show.html?tid=8444）。