反演讲习班_宽波段反照率2015年

L/O/G/O宽波段反照率@bnu.edu.cn1第五届陆表卫星遥感数据反演理论与方法暑期学校地表反照率概述31.1什么是地表反照率1.2地表反照率和全球变化1.3全球反照率产品概况1.4全球反照率的时空分布特点什么是地表反照率？反照率（Albedo）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)44(1)slslnnnddRRRFFTAlbedoDownwardshortwavefluxDownwardlongwavefluxEmissivityLandsurfacetemperature什么是地表反照率？•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30～40％,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10～20％。反照率是地-气系统的不确定因子5地表反照率和全球变化•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6气温升高海冰融化面积扩大反照率减低吸收更多的太阳能量海冰反照率普通海洋反照率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地表反照率对气候变化的反馈机制7干旱使植被进一步退化反照率升高蒸散减少降水减少裸土或草原反照率森林反照率森林砍伐全球反照率产品概况9无缺失长时间序列青藏高原区域2010年全年的反照率分布图动画81828384858788899091869293949596989900010297040503070910080611GLASS12POLDERMODIS,MISRMERISGEOLAND2GLOBALBEDO(a)MODIS产品(b)GLASS产品GLASS反照率产品特色全球反照率时空分布特点11GLASS反照率GLASS反照率产品，version1.0，1989年影响地表反照率的因素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2121(,)(,)(,)(,)dddFFAd2/2002/200(,;2)(,)sincos(,)sincosiiiiiiiiiiiiiiiiLddBHRLdd13地表的波谱特性和特点典型的植被、土壤、水体、冰雪光谱14(,)(,)(,)(,)dddFFAd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15短波反照率：可见光反照率：近红外反照率：0.25~2.5m0.4~0.7m0.7~2.5m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）：(,;,;)(,;,;)(,;,;)riirrriirriiirrdLfdE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。16地表的二向反射特性地表的二向反射的物理模型辐射传输模型原理示意图几何光学模型原理示意图二向反射物理模型基于入射光与地表相互作用的物理过程建立地表二向反射与地表参数之间的关系，模型参数具有明确的物理意义。物理模型通常可分为辐射传输模型、几何光学模型、几何光学－辐射传输混合模型和真实场景计算机模拟模型四类。物理模型虽然有很多优点，但是模型参数较多，反演难度大，在地表反照率研究中受到局限。18地表的二向反射特性经验模型：–Minnaert模型–Shibayama模型–Walthall模型–改进的Walthall模型半经验模型：–RPV模型（Rahman-Pinty-Verstraete）–核驱动模型地表的二向反射的经验、半经验模型010,,,,,(,,,)iririrMaFH(,,)(,,)(,,)irisoisogeogeoirvolvolirfkfkfk19二向反射与反照率的关系黑空、白空还有蓝空反照率黑空反照率（BSA）也称方向-半球反射率白空反照率（WSA）也称漫射半球-半球反射率蓝空反照率也称半球-半球反射率（BHR）202/200(,;2)(,;,)sincosiiriirrrrrrBSAfdd2/200(2;2)(,;2)sincosiiiiiiWSAdd00(1)(,;2)(2;2)BHRss固有反照率与表观反照率窄波段的黑空反照率与白空反照率由地表BRDF积分得出，是地表的固有属性，与大气状态无关，称为固有反照率真实反照率（也称表观反照率）不仅是地表的特性，还与光线的入射条件有关①真实反照率在窄波段上近似等于黑空反照率与白空反照率的加权组合，不同的大气状况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②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反照率算法（直接反演算法）常见的地表反照率反演算法反照率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）输入地表反射率输入大气层顶反射率地表-大气参数联合优化算法（多时相）23假如地表是朗伯体（即各方向的反射率相同），则经过大气校正后的地表反射率就是窄波段反照率，可直接进行窄波段反照率向宽波段反照率的转换。例如（Liang2000，RSE）：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25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27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(,,)(,,)(,,)irisoisogeogeoirvolvolirRfkfkfk28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BRDF模型——线性核驱动模型各向同性核模型反演的反照率算法核驱动模型反演作为一个“线性模型核”，反演核系数可以通过最小二乘法求解方程组来完成。病态反演问题即使n=7，由于方程系数的相关性，仍然可能出现反演不稳定的现象BRDF模型反演中存在的问题111111111222222222(,,)(,,)(,,)(,,)(,,)(,,)(,,)(,,)(,,)isovolvolgeogeoisovolvolgeogeonnnisovolvolnnngeogeonnnRffkfkRffkfkRffkfkn个方程，3个未知数n=7,FullinversionN7,Magnitudeinversion29