定量遙感遙感物理基礎(chǔ)精講

1《定量遙感技術(shù)與應(yīng)用》后續(xù)課程學(xué)習(xí)內(nèi)容遙感物理基礎(chǔ)（電磁波與介質(zhì)）輻射傳輸（微分形式）輻射傳輸方程（方程求解）典型地物分析模型紅外定量遙感模型微波輻射模型（VRT）冠層反射率模型葉片光學(xué)特性模型生化組分遙感反演土壤二向反射特性水色模型1/27第二章遙感物理基礎(chǔ)

武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院龔龑

《定量遙感技術(shù)與應(yīng)用》3第二章遙感物理基礎(chǔ)√§2.1表征電磁輻射的物理量

§2.2電磁波與介質(zhì)的相互作用

§2.3物體表面的反射特性

§2.4遙感數(shù)據(jù)定標(biāo)4一、預(yù)備知識(shí)立體角波段響應(yīng)函數(shù)沖擊函數(shù)5武漢大學(xué)預(yù)備知識(shí)

立體角是球坐標(biāo)系中重要的度量參數(shù)之一，其定義為球面對(duì)球心的張角，即Ω=σ/r2，立體角單位為球面度Sr(steradians)。整個(gè)球面對(duì)球心所張立體角為4π

，半球?qū)η蛐乃鶑埩Ⅲw角為2π。定量遙感中也常用Ω指代方向，如方向Ω等，即與初始方向夾角為Ω

的某三維計(jì)量的方向。

微分立體角元：

dΩ=dσ/r2=dcosθdφ=sinθdθdφa立體角6微分立體角dΩ展開(kāi)沿經(jīng)線邊長(zhǎng)：rdθ

；沿緯線邊長(zhǎng)：rsinθdφ因此：dσ=r2

sinθdθdφ

dΩ=dσ/r2=sinθdθdφrθdφ預(yù)備知識(shí)dθ7b波段響應(yīng)函數(shù)

波段響應(yīng)函數(shù)Γ(λ)是遙感器的固有參數(shù)。儀器出廠時(shí)，廠家會(huì)給出遙感器各個(gè)波段的響應(yīng)函數(shù)曲線.

在遙感器運(yùn)行過(guò)程中，隨著儀器的磨損，包括波段響應(yīng)函數(shù)在內(nèi)的許多光學(xué)參數(shù)都可能發(fā)生變化。預(yù)備知識(shí)8

遙感器的某一波段可以探測(cè)一段波譜范圍的信號(hào)，例如MODIS32通道可以感應(yīng)11.77-12.27μm的信號(hào)。例：MODIS32（11.77-12.27μm）波段響應(yīng)函數(shù)b波段響應(yīng)函數(shù)預(yù)備知識(shí)9

理想的遙感器應(yīng)該是“方波”，即對(duì)小于11.77μm

，大于12.27μm的波譜信號(hào)響應(yīng)度為0，而在兩者之間的信號(hào)響應(yīng)度為1。111.7712.27λΓ0理想的遙感器（以MODIS32為例）

但是限于工藝水平，制作時(shí)只能盡量接近“方波”，實(shí)際的遙感器波段響應(yīng)均有一定誤差。b波段響應(yīng)函數(shù)預(yù)備知識(shí)10

波段響應(yīng)函數(shù)表征了遙感器的某一波段對(duì)各個(gè)精細(xì)的電磁波譜的感應(yīng)程度。因此在很多涉及到光譜轉(zhuǎn)換的工作中，應(yīng)該利用波段響應(yīng)函數(shù)對(duì)待求參數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均。

Exp1.求算波段的等效中心波長(zhǎng)：公式1：正確公式：b波段響應(yīng)函數(shù)預(yù)備知識(shí)11Exp2將地面光譜儀測(cè)試的一系列窄波段數(shù)據(jù)擬合到某一遙感器波段數(shù)據(jù)該工作主要為了方便地面波譜測(cè)試數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)的對(duì)比，也可以應(yīng)用于高光譜數(shù)據(jù)與TM、NOAA等寬波段數(shù)據(jù)的對(duì)比。窄波段數(shù)據(jù)可以假設(shè)為方波，假設(shè)光譜儀測(cè)試的反射率數(shù)據(jù)為ρ(λ)，則擬合到具有響應(yīng)函數(shù)Γ(λ)的某一寬波段上的反射率為：b波段響應(yīng)函數(shù)預(yù)備知識(shí)12Exp3計(jì)算某一遙感器波段的太陽(yáng)輻射由于遙感器接收的是地物的輻射亮度，因此該工作主要用于推導(dǎo)某一遙感器波段上的地物反射率。反射率定標(biāo)過(guò)程中離不開(kāi)這一方法。假設(shè)已知太陽(yáng)輻射分布F0(λ)，則在具有響應(yīng)函數(shù)Γ(λ)的某一波段上的太陽(yáng)輻射為：b波段響應(yīng)函數(shù)

以上三個(gè)例子中的積分式在數(shù)值運(yùn)算時(shí)都可以用加法替代，上下限可以用給出的Γ(λ)的上下限替代，dλ用△λ（即Γ函數(shù)中的每一小段波長(zhǎng)間隔）替代。預(yù)備知識(shí)13b沖擊(激)函數(shù)（ImpulseFunction）

沖擊函數(shù)δ是狄拉克最初提出并定義的，所以又稱(chēng)狄拉克函數(shù)。在信號(hào)處理中被廣泛應(yīng)用，反映一種持續(xù)時(shí)間極短、函數(shù)值極大的信號(hào)類(lèi)型。在定量遙感中通常用來(lái)描述物理量只在某一個(gè)方向上存在，以δ(Ω,Ω’)表示。Ω’ΩΩ’Ωδ變量？常量？預(yù)備知識(shí)14此時(shí)沖擊函數(shù)單位為球面度Sr的倒數(shù)，具有性質(zhì)：

積分結(jié)果得到了函數(shù)A(Ω)在Ω’方向（沖擊方向）的函數(shù)值，即將該函數(shù)在該方向的值抽取出來(lái)，因此稱(chēng)為抽樣特性。

沖擊函數(shù)具有抽樣特性。設(shè)某函數(shù)A(Ω)與沖擊函數(shù)相乘，并對(duì)4π空間積分，則有：b沖擊(激)函數(shù)（ImpulseFunction）預(yù)備知識(shí)15二、描述輻射的基本物理量

輻射能量輻射通量輻照度輻出度輻射強(qiáng)度輻射亮度16

輻射能量Q電磁輻射是具有能量的，它表現(xiàn)在：

?使被輻照的物體溫度升高

?改變物體的內(nèi)部狀態(tài)

?使帶電物體受力而運(yùn)動(dòng)

……輻射能量（Q）的單位是焦耳（J）基本物理量17輻射通量(radiantflux)Φ

在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的輻射能量稱(chēng)為輻射通量：輻射通量（Φ）的單位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）基本物理量Φ=Q/t18

輻射通量密度(irradiance)E、(radiantexitance)M單位面積上的輻射通量稱(chēng)為輻射通量密度：

E輻照度=Φ/AM輻出度=Φ/A輻射通量密度的單位是瓦/米2（W/m2）輻射源輻射照射度輻射出射度被輻照物輻射體法向基本物理量19

輻射強(qiáng)度(radiantintensity)I

輻射強(qiáng)度是描述點(diǎn)輻射源的輻射特性的，指在某一方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量.

輻射強(qiáng)度（I）的單位是瓦/球面度（W/Sr）輻射強(qiáng)度點(diǎn)輻射源Ω=A/R22π、4π各向同性源？基本物理量I=Φ/Ω20

分譜輻射通量

輻射通量是波長(zhǎng)λ的函數(shù)，單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量稱(chēng)為分譜輻射通量.分譜輻射通量的單位是瓦/微米（W/μm）輻射通量波長(zhǎng)基本物理量Φλ=Φ/λ光通量=可見(jiàn)光范圍積分

（光視效能）21

分譜？？？分譜輻射通量分譜輻照度、分譜輻出度分譜輻射強(qiáng)度一般情況下，“分譜”兩字可以忽略基本物理量22

輻射亮度(radiance)L

單位面積、單位波長(zhǎng)、單位立體角內(nèi)的輻射通量稱(chēng)為輻射亮度。輻射亮度（L）的單位是瓦/米2?微米?球面度（W/m2

?

μm?Sr）亮度L面輻射源θ立體角ΩA基本物理量L=3Φ/AλΩ方向空間分布規(guī)律(LED)23

輻射度量小結(jié)輻射度量一覽表輻射量符號(hào)定義單位輻射能量QQ焦耳(J)輻射通量Φ

(2)Q/t(λ)瓦(W)輻照度E

(2)Φ/A(λ)瓦/米2(W/m2)輻出度M

(2)Φ/A(λ)瓦/米2(W/m2)輻射強(qiáng)度I

(2)Φ/Ω(λ)瓦/球面度(W/Sr)輻射亮度L

2(3)Φ/AΩ(λ)瓦/米2?球面度(W/m2?Sr)基本物理量24

太陽(yáng)輻射

太陽(yáng)發(fā)射的電磁輻射（輻照度）在地球大氣頂層隨波長(zhǎng)的分布稱(chēng)為太陽(yáng)光譜。極大值位于0.47μm，維恩位移定律λmaxT=2.897810-3mK，色溫Tsun?Wien’sdisplacementlaw基本物理量夫瑯和費(fèi)(Fraunhofer)吸收線大氣頂層和地表的差異25

太陽(yáng)常數(shù)

在日地平均距離處通過(guò)與太陽(yáng)光束垂直的單位面積上的太陽(yáng)輻射通量稱(chēng)為太陽(yáng)常數(shù)。

上式中太陽(yáng)常數(shù)是對(duì)太陽(yáng)光譜的積分。太陽(yáng)對(duì)地球的張角很小(<9)，因此太陽(yáng)光可以認(rèn)為是平行光束。

太陽(yáng)總輻射量和表面輻出度分別是多少？θ0左圖大氣頂?shù)耐棵芏葹?/p>

F=F0(dm/d)2cosθ00.9674<(dm/d)2<1.0344通量密度很多時(shí)候簡(jiǎn)稱(chēng)通量基本物理量F0=1353(±21)W/m2(1976,NASA)為什么是平方關(guān)系?26太陽(yáng)常數(shù)與太陽(yáng)輻射亮度Lλ=3Φ/AλΩFλ=2Φ/Aλ

太陽(yáng)光是平行光入射，即只在Ω0方向存在亮度，注意到公式：因此，太陽(yáng)的輻射亮度與Ω0方向上的輻射通量（即太陽(yáng)常數(shù)）之間的關(guān)系為：Ω0L0=δ(Ω,Ω0)F0基本物理量27

各向同性輻射時(shí)亮度與通量的關(guān)系

假設(shè)地表為各向同性輻射，即輻射亮度L在各方向分布均一，則其垂直地表向上的輻射通量為：通量密度針對(duì)垂直穿過(guò)某個(gè)平面的量，為半球積分。由于dΩ=dσ/r2=sinθdθdφ因此：θ基本物理量28基本輻射量總結(jié)：

表征輻射的物理量很多：能量、通量、密度、強(qiáng)度、亮度，以及譜（分譜）……需要注意的是：文獻(xiàn)中的稱(chēng)謂不盡相同，關(guān)鍵看單位最重要的是密度（通量）和亮度凡是涉及面積的都要注意使用法向面積，即cosθ基本物理量29第二章遙感物理基礎(chǔ)

§2.1表征電磁輻射的物理量√§2.2電磁波與介質(zhì)的相互作用

§2.3物體表面的反射特性

§2.4遙感數(shù)據(jù)定標(biāo)30

電磁波的散射和吸收

當(dāng)電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生散射(scattering)和吸收(absorption)，其中散射又分為反射(reflection)和透射(transmission)。透射反射入射吸收使電磁波強(qiáng)度減弱在熱紅外和微波區(qū)域，還存在介質(zhì)自身發(fā)射的電磁波，增強(qiáng)電磁波強(qiáng)度。反射與透射區(qū)別在于電磁波出射的方向：

2π？31

反射率ρ

以比例形式表征的反射輻射強(qiáng)度，反射率為反射輻射（亮度）與入射輻射（亮度）之比：

ρ=Lr/Li透射率τ？吸收率α？反射率、透射率、吸收率之間的關(guān)系：ρ+τ+α=？（介質(zhì)有無(wú)發(fā)射是不同的）32

光譜反射率ρλ

由于物體自身成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于不同波長(zhǎng)的電磁波有選擇性的反射。

例如綠色植物的葉子由上表皮、葉綠素顆粒組成的柵欄組織和多孔薄壁細(xì)胞組織構(gòu)成。入射的太陽(yáng)輻射透過(guò)上表皮，藍(lán)、紅輻射能被葉綠素吸收進(jìn)行光合作用；綠光也吸收了一大部分，但仍能反射一部分，所以葉子成綠色；而近紅外輻射可以穿透葉綠素，被多孔薄壁細(xì)胞組織所反射。因此，在近紅外波段上形成強(qiáng)反射。波長(zhǎng)與穿透性的關(guān)系？33

地物反射光譜特性

物體反射率隨波長(zhǎng)而改變的特性稱(chēng)為地物反射光譜特性。光譜曲線：植物？水體？土壤？云？雪？水體+葉綠素？水體+泥沙？新雪、舊雪？地物波譜（特性）34

電磁波與介質(zhì)的相互作用總結(jié)：作用類(lèi)型散射吸收（發(fā)射）反射透射率：以比例形式表征的反射、透射和吸收強(qiáng)度與入射輻射強(qiáng)度無(wú)關(guān)

ρ+τ+α=1（無(wú)自身發(fā)射）光譜反射率、地物光譜特性35第二章、遙感物理基礎(chǔ)

§2.1表征電磁輻射的物理量

§2.2電磁波與介質(zhì)的相互作用√§2.3物體表面的反射特性

§2.4遙感數(shù)據(jù)定標(biāo)36一、物體表面的反射輻射物體表面對(duì)電磁波的反射有三種形式：

?鏡面反射(mirrorreflection)

反射能量集中在一個(gè)方向，反射角=入射角

?漫反射(diffusereflection)

整個(gè)表面都均勻地向各向反射入射光稱(chēng)為漫反射

?方向反射(directionalreflection)

介于漫反射和鏡面反射之間，各向都有反射，但各向反射強(qiáng)度不均一。37一、物體表面的反射輻射物體表面對(duì)電磁波的反射三種形式：

?鏡面反射(mirrorreflection)?漫反射(diffusereflection)?方向反射(directionalreflection)

這三種反射形式分別在什么情況下發(fā)生？根據(jù)表面光滑或粗糙？38θiθr鏡面反射漫反射方向反射L.Rayleigh提出表面為光滑或粗糙的標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)為光滑表面

當(dāng)為粗糙表面二、瑞利判據(jù)分析39

粗糙度推導(dǎo)示意圖

其中：為粗糙度；為光的入射角；為光波長(zhǎng)。（光程差）（相位差）兩波差相位為完全抵消，差0為完全相重合，介乎之間差二、瑞利判據(jù)分析40

如果兩波偏于相重合，則呈反射為主、光滑表面。如果兩波偏于相抵消，則呈散射為主、粗糙表面。

引出地表粗糙度的概念：在遙感中一個(gè)象元覆蓋的地面面積單元內(nèi)，相鄰一個(gè)波長(zhǎng)距離的平均高差。

對(duì)于可見(jiàn)光，在范圍內(nèi)，幾乎所有地物都是粗糙面，而對(duì)于微波，在cm到m之間，地物表面呈粗糙與光滑臨界狀態(tài)。

增大，增大，有利于形成光滑表面。減小，減小，有利于形成粗糙表面。二、瑞利判據(jù)分析41鏡面反射

折射定律（斯涅耳Snell定律）表征了入射角與折射角的關(guān)系：

n1sinθi=n2sinθt

其中n為折射系數(shù)。

如果界面相對(duì)入射波長(zhǎng)λ而言非常光滑（λ>>界面粗糙度），則反射是鏡面的。θiθrθtn1n242

根據(jù)菲涅耳公式，當(dāng)θi+θt=π/2時(shí)，垂直極化波出現(xiàn)零反射點(diǎn)，即反射波中沒(méi)有垂直極化的偏振波，因此用鏡面反射的方法可以得到線偏振波束。此時(shí)的入射角稱(chēng)為起偏角，又稱(chēng)為布儒斯特（Brewster）角：θp=tan-1(n2/n1)

水與空氣間的相對(duì)折射率n2/n1=1.3，對(duì)應(yīng)的布儒斯特角約為？鏡面反射43漫反射

實(shí)際上多數(shù)自然表面對(duì)輻射的波長(zhǎng)而言都是粗糙表面嚴(yán)格講自然界中只存在近似意義下的朗伯體。只有黑體才是真正的朗伯體。

當(dāng)目標(biāo)物的表面足夠粗糙，以致于它對(duì)太陽(yáng)短波輻射的反射輻射亮度在以目標(biāo)物的中心的2π空間中呈常數(shù)，即反射輻射亮度不隨觀測(cè)角度而變，我們稱(chēng)該物體為漫反射體，亦稱(chēng)朗伯體。

漫反射又稱(chēng)朗伯(Lambert)反射，也稱(chēng)各向同性反射。44回憶輻射亮度：L=3Φ/AλΩ關(guān)于天頂角θ在表述輻射中的作用：若輻射亮度為L(zhǎng)0的輻射，以入射角θ0，輻射到物體表面，則入射輻射亮度Li為：Li=L0cosθ0設(shè)朗伯體反射率為ρ，則出射輻射亮度Lr與L0關(guān)系為？θ0θ漫反射Lr=ρ*Li=ρL0cosθ045方向反射

介于漫反射和鏡面反射之間反射稱(chēng)為方向反射，也稱(chēng)非朗伯反射。

目前大部分應(yīng)用還都采用朗伯近似。描述方向反射不能簡(jiǎn)單用反射率表述，因?yàn)楦鞣较虻姆瓷渎识疾灰粯印?/p>

當(dāng)遙感應(yīng)用進(jìn)入定量分析階段，我們必須拋棄“目標(biāo)是朗伯體”的假設(shè)。

產(chǎn)生方向反射的物體在自然界中占絕大多數(shù)，即它們對(duì)太陽(yáng)短波輻射的散射具有各向異性性質(zhì)。46三、地物波譜特征與方向譜特征對(duì)非朗伯體而言，它對(duì)太陽(yáng)短波輻射的反射、散射能力不僅隨波長(zhǎng)而變，同時(shí)亦隨空間方向而變。所謂地物的波譜特征是指該地物對(duì)太陽(yáng)輻射的反射、散射能力隨波長(zhǎng)而變的規(guī)律。地物波譜特征與地物的組成成份，物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，通俗講地物波譜特征也就是地物的顏色特征。地物的方向譜特征是用來(lái)描述地物對(duì)太陽(yáng)輻射反射、散射能力在方向空間變化的，這種空間變化特征主要決定于兩種因素。其一是物體的表面粗糙度，它不僅取決于表面平均粗糙高度值與電磁波波長(zhǎng)之間的比例關(guān)系，其二與視角關(guān)系密切。47四、雙向反射率分布函數(shù)(Bi-directionalReflectanceDistributionFunction,BRDF)

設(shè)波長(zhǎng)為λ，空間具有δ分布函數(shù)的入射輻射，從(θ0，φ0)

方向，以輻射亮度L0(θ0，φ0，λ)投射向點(diǎn)目標(biāo)，造成該點(diǎn)目標(biāo)的輻照度增量為dE(θ0，φ0，λ)=L0(θ0，φ0，λ)cosθ0dΩ。傳感器從方向(θ，φ)觀察目標(biāo)物，接收到來(lái)自目標(biāo)物對(duì)外來(lái)輻射dE的反射輻射，其亮度值為dL(θ，φ，λ)。則定義雙向反射率分布函數(shù)：瓦/米2?球面度(W/m2?Sr)瓦/米2(W/m2)量綱？48

雙向反射率分布函數(shù)（BRDF）的物理意義是：來(lái)自方向地表輻照度的微增量與其所引起的方向上反射輻射亮度增量之間的比值。對(duì)于理想漫反射體（指反射率為100%的朗伯體）：對(duì)于反射率為ρ的朗伯體，f=?四、雙向反射率分布函數(shù)(BRDF)49BRDF表達(dá)地物的非朗伯體特性思路分析：四、雙向反射率分布函數(shù)(BRDF)

眾所周知，在現(xiàn)實(shí)世界中投射到地物表面上的輻射能量往往有兩部份組成，即來(lái)自太陽(yáng)的直射輻射與天空散射輻射。而傳感器在方向上測(cè)得的輻射亮度是空間入射輻射場(chǎng)的綜合效應(yīng)，它不僅與該點(diǎn)地物的反射特性有關(guān)，而且與輻射環(huán)境（即入射輻射亮度的空間分布函數(shù)）有關(guān)。50這樣定義的f有如下三個(gè)特點(diǎn)：

與輻射環(huán)境無(wú)關(guān)，它僅與該地物的反射輻射特性有關(guān)，并且具有(Sr)-1因次。它是θ0，φ0，θ，φ，λ

五個(gè)自變量的函數(shù)，在2π空間中無(wú)論是入射還是反射均有無(wú)窮多個(gè)方向。這樣定義的BRDF，雖然從理論上能較好地表征地物的非朗伯體特性，但在實(shí)際測(cè)量上困難較大，精確測(cè)量dE(θ0，φ0，λ)很困難。四、雙向反射率分布函數(shù)(BRDF)51五、雙向反射率因子(Bi-directionalReflectanceFactor,BRF)

定義：在相同的輻照度條件下，地物向(θ，φ)方向的反射輻射亮度與一個(gè)理想的漫反射體在該方向上的反射輻射亮度之比值，稱(chēng)為雙向反射率因子R：待測(cè)目標(biāo)參考板dLTdLP52對(duì)于雙向反射率因子的性質(zhì)，我們應(yīng)注意到：

環(huán)境因素五、雙向反射率因子(BRF)

我們?cè)诮o出BRF的定義時(shí)，并沒(méi)有對(duì)輻射環(huán)境作任何限定，嚴(yán)格講R值不僅取決于目標(biāo)物的非朗伯體特性，而且還與輻射環(huán)境有關(guān)。因此它并不是一個(gè)理想的描述地物非朗伯體特性的物理量。R與f有原則上的不同，兩者的量綱亦不相同，這充分地表明了它們的區(qū)別。

與BRDF關(guān)系53

如果入射（δ）光源對(duì)目標(biāo)物所張的立體角ΔΩ0，以及傳感器對(duì)目標(biāo)物所張的立體角ΔΩ都趨于無(wú)窮小，則：

當(dāng)ΔΩ0與ΔΩ趨近無(wú)窮小時(shí)，在數(shù)值上R為f的π倍，這為測(cè)定目標(biāo)物的f值提供了一條現(xiàn)實(shí)可行的通道。

五、雙向反射率因子(BRF)54

半球反射率（albedo）

定義：目標(biāo)物的出射度與入射度之比值稱(chēng)為半球反射率，通常用符號(hào)ρ表示

在某些問(wèn)題中我們并不需要知道輻射亮度值及其空間分布，而只需要知道輻射通量密度值，比如在求解輻射熱平衡問(wèn)題中，或者在討論作物光合作用強(qiáng)度問(wèn)題時(shí)都是如此。55

嚴(yán)格講要求解出射度（M），必須對(duì)2π空間的L值進(jìn)行積分，這幾乎是不可能的。因?yàn)閺膫€(gè)別方向的BRDF的測(cè)值中，我們無(wú)法判斷目標(biāo)物在2π空間中的反射輻射行為，因此也無(wú)法由積分求得半球反射率。

目前流行的目標(biāo)物的半球反射率的測(cè)量方法，實(shí)際上只是視角取天頂角條件下的BRF。如果用此值代替嚴(yán)格意義下的半球反射率，其誤差有時(shí)可以高達(dá)45%。

半球反射率（albedo）56反射特性總結(jié)：反射分類(lèi)鏡面反射漫反射：朗伯體、F=πL方向反射雙向反射率分布函數(shù)（BRDF）雙向反射率因子（BRF、BRDF）半球反射率（albedo）折射定律布儒斯特角……57第二章遙感物理基礎(chǔ)

§2.1表征電磁輻射的物理量

§2.2電磁波與介質(zhì)的相互作用

§2.3物體表面的反射特性

√§2.4遙感數(shù)據(jù)定標(biāo)58一、定標(biāo)概述二、定標(biāo)過(guò)程的變量分析三、定標(biāo)方法遙感數(shù)據(jù)定標(biāo)59對(duì)地面目標(biāo)的探測(cè)分析，所依據(jù)的是什么？一、定標(biāo)概述波長(zhǎng)反射率反射率隨波長(zhǎng)的變化曲線

關(guān)于地面目標(biāo)的基本問(wèn)題回顧：60各類(lèi)地物反射光譜曲線一、定標(biāo)概述農(nóng)作物砂土巖石樹(shù)木

不同波長(zhǎng)下的地物光譜反射率，是對(duì)地物進(jìn)行認(rèn)知和識(shí)別的重要依據(jù)。地面光譜測(cè)量61成像光譜儀獲取的高光譜影像行列波段灰度值波長(zhǎng)光譜響應(yīng)曲線每個(gè)像元一、定標(biāo)概述62地面實(shí)測(cè)光譜曲線影像光譜響應(yīng)曲線一、定標(biāo)概述對(duì)比水稻:99-15水稻:武香5021目標(biāo)的精確分析63一、定標(biāo)概述

思考：成像光譜儀在空中所獲取的像元響應(yīng)曲線，是否真實(shí)的反應(yīng)了目標(biāo)在不同波長(zhǎng)下的反射率？不一致

利用已知目標(biāo)測(cè)試地面布控了白板的原始高光譜影像(HyperScan成像光譜儀)白板特點(diǎn)：對(duì)所有波長(zhǎng)的電磁波的反射率都相同。影像光譜響應(yīng)曲線反射率波長(zhǎng)白板實(shí)際光譜曲線100%64

我們所需要的：目標(biāo)在不同波長(zhǎng)下的正確的反射率。

概念：成像光譜儀定標(biāo)

對(duì)成像光譜儀的誤差進(jìn)行修正，建立起各個(gè)成像通道的響應(yīng)值與真實(shí)值之間的定量關(guān)系。一、定標(biāo)概述

成像光譜儀的原始數(shù)據(jù)：包含誤差的各通道像元響應(yīng)值。定標(biāo)65可見(jiàn)光及近紅外波段簡(jiǎn)化輻射傳輸過(guò)程成像光譜儀遙感過(guò)程涉及到的主要因素傳感器響應(yīng)大氣傳輸過(guò)程地物目標(biāo)特性其它因素程輻射透射天空光反射能傳感器入瞳處影像灰度值二、定標(biāo)過(guò)程的變量分析大氣太陽(yáng)地表成像光譜儀66大氣傳輸已知輻射值

L從入瞳輻射值中消除大氣影響傳感器響應(yīng)灰度傳感器輻射值L已知未知建立起傳感器記錄值與入瞳輻射值之間的聯(lián)系12/27二、定標(biāo)過(guò)程的變量分析大氣-地表過(guò)程地物光譜特征未知輻射能量傳輸過(guò)程中的已知與未知67F=F0(dm/d)2cosθ0大氣頂?shù)耐棵芏葹椋焊飨蛲苑瓷鋾r(shí)亮度與通量的關(guān)系：

M=πLS輻射亮度定標(biāo)與反射率定標(biāo)轉(zhuǎn)換

傳感器數(shù)據(jù)（圖象灰度值）經(jīng)過(guò)定標(biāo)后可以直接得到地表的輻射亮度，設(shè)為L(zhǎng)s，如何得到反射率ρ？以及半球反射率定義：ρ=M/F二、定標(biāo)過(guò)程的變量分析68F=F0(dm/d)2cosθ0各向同性反射時(shí)亮度與通量的關(guān)系：

M=πLS因此可以計(jì)算得到（大氣頂部）反射率：以及半球反射率定義：ρ=M/F上式假設(shè)大氣不存在，其結(jié)果被廣泛用于預(yù)處理中的反射率計(jì)算。當(dāng)解算各向同性反射率時(shí)，太陽(yáng)輻射通量與亮度之間可以看成相差π倍。二、定標(biāo)過(guò)程的變量分析69根據(jù)上式，可進(jìn)一步推導(dǎo)輻射亮度定標(biāo)與反射率定標(biāo)系數(shù)之間的轉(zhuǎn)換公式。設(shè)ρ=aρDN+bρ，LS=aLDN+bL，并有：因而最終得到：二、定標(biāo)過(guò)程的變量分析70

建立起傳感器各通道記錄灰度值與入瞳輻射值之間的聯(lián)系。三、定標(biāo)方法1.定標(biāo)的關(guān)鍵多參數(shù)嚴(yán)密方程參數(shù)變量71(第i通道)

建立起傳感器各通道記錄灰度值與入瞳輻射值之間的聯(lián)系。三、定標(biāo)方法1.定標(biāo)的關(guān)鍵

線性方程72三、定標(biāo)方法2.定標(biāo)的類(lèi)型根據(jù)定標(biāo)參數(shù)獲取的途徑和時(shí)間，可以分為：

實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)（prelaunch）機(jī)（星）上定標(biāo)（on-board）地面目標(biāo)物定標(biāo)73處于不同的階段實(shí)驗(yàn)室機(jī)上星上場(chǎng)地定標(biāo)2.定標(biāo)的類(lèi)型所考慮的主要因素不同實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)機(jī)上星上定標(biāo)場(chǎng)地定標(biāo)原始定標(biāo)

準(zhǔn)確度高

是后續(xù)定標(biāo)的基礎(chǔ)反映入軌運(yùn)行的實(shí)際情況綜合性定標(biāo)，對(duì)前兩項(xiàng)修正74

作為高光譜遙感中的傳感器，成像光譜儀搭載在衛(wèi)星或飛機(jī)上，用于對(duì)地觀測(cè)。

成像光譜儀的定標(biāo)主要是發(fā)射前在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，也稱(chēng)實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)。包括光譜定標(biāo)與輻射定標(biāo)兩部