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1、定量遥感定量遥感主讲人：鲁蕾兰州大学资源环境学院Quantitative Remote Sensing of Land SurfacesQuantitative Remote Sensing of Land Surfaces第一章第一章 绪论绪论Chapter 1 IntroductionChapter 1 Introduction什么是遥感？什么是遥感？遥感（Remote Sensing）遥远的感知最基本：眼睛、耳朵照相机、气球摄影人造卫星、遥感学科遥感是以电磁波与地球表面物质相互作用为基础，探测、分析和研究地球资源与环境，揭示地球表面各要素的空间分布特征与时空变化规律的一门科学技术。遥感的
2、优势遥感的优势 提供全球三维同步或准三维同步观测数据，为地球系提供全球三维同步或准三维同步观测数据，为地球系统科学的形成提供了新的技术手段统科学的形成提供了新的技术手段 为检验地球系统科学模拟的真伪提供最直接、最生动为检验地球系统科学模拟的真伪提供最直接、最生动的景观图象的景观图象 彻底改变了地球科学中传统的点测量状况，代之以从彻底改变了地球科学中传统的点测量状况，代之以从象元到象元的信息获取方式象元到象元的信息获取方式 遥感：全球、重复、面状、数据信息遥感：全球、重复、面状、数据信息 用于地球系统科学建模、反演、验证用于地球系统科学建模、反演、验证 遥感应用是推动遥感发展的原动力遥感应用是推
3、动遥感发展的原动力城市规划城市规划自然环境自然环境农业农业资源资源气象气象遥感的主要任务遥感的主要任务(徐希孺，2007；李小文，2005)反照率地表温度叶面积指数叶绿素含量土壤水分含量地表蒸发分 类参数反演基于地表目标漫反射的假定，对获取的数据作一些简单校正后利用地面目标的光谱特性作有监督或无监督的最大似然率分类，或经验判读。定定量量化化干旱地区缺水状况区域生物碳循环数值天气预报全球变化作物受胁状况及估产强烈需求强烈需求有力推动有力推动遥感反演遥感反演什么是反演？什么是反演？（梁顺林，2011）定量遥感面临的基本理论问题定量遥感面临的基本理论问题建模与反演二向性反射模型（可见光、热红外、微波
4、，陆面与海面）混合像元分解与信息融合大气效应纠正尺度效应（空间上的延伸）和数据同化（时间上的延伸）课程内容课程内容 大气短波辐射传输建模 植被冠层反射模型 土壤和雪的反射模型 卫星遥感辐射定标 光学图像的大气纠正 地形校正方法 地表生物物理量的估计 地面辐射平衡估算-宽波段的反照率 地表辐射平衡估算-长波 四维数据同化 真实性检验与空间尺度转换基本概念n电磁波与电磁波谱n电磁辐射n黑体辐射n大气层顶太阳辐照度n二向反射与反照率绪绪 论论电磁波与电磁波谱电磁波的概念： 交互变化的电磁场在空间的传播交互变化的电磁场在空间的传播电磁波与电磁波谱特征特征电磁波是横波电磁波在真空中以光速传播，满足：电磁
5、波具有波粒二象性：反射、折射、吸收、透 射、散射特性。电磁波与电磁波谱电磁波谱概念： 按电磁波波长的长短（频率的高低），依次排列制成的图按电磁波波长的长短（频率的高低），依次排列制成的图表叫电磁波谱。表叫电磁波谱。按波长由短向长排列依次为：射线、射线、X X射线、紫外线、射线、紫外线、可见光可见光、红外线红外线、微波、无线电波、微波、无线电波 高高 电磁波能量电磁波能量 低低0.4-14m基本概念n电磁波与电磁波谱n电磁辐射n黑体辐射n大气层顶太阳辐照度n二向反射与反照率电磁辐射辐射源：太阳地球大气Atmosphere电磁辐射辐射能量辐射能量 电磁辐射源以电磁波的形式向外传送能量，常用电磁辐射
6、源以电磁波的形式向外传送能量，常用Q表示，单表示，单位为焦耳（位为焦耳（J）辐射通量辐射通量（Radiant flux） 单位时间内通过某一表面的辐射能量，常用单位时间内通过某一表面的辐射能量，常用表示，单位为表示，单位为瓦（瓦（W）辐射出射度辐射出射度（Radiant exitance） 又称辐射通量密度，指面辐射源在单位时间内，从单位面积又称辐射通量密度，指面辐射源在单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量，常用上辐射出的辐射能量，常用M表示，单位为瓦表示，单位为瓦/米米2（Wm-2）电磁辐射辐射照度辐射照度（Irradiance） 简称辐照度，指面辐射源在单位时间内，从单位面积上接收简称
7、辐照度，指面辐射源在单位时间内，从单位面积上接收的辐射能量，即照射到物体单位面积上的辐射通量，常用的辐射能量，即照射到物体单位面积上的辐射通量，常用E表示，单位为瓦表示，单位为瓦/米米2（Wm-2）辐射强度辐射强度（Radiant intensity） 指点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的指点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量，即点辐射源在单位立体角内发出的辐射通量，辐射能量，即点辐射源在单位立体角内发出的辐射通量，常用常用I表示，单位为瓦表示，单位为瓦/球面度（球面度（Wsr-1）电磁辐射辐射亮度辐射亮度（Radiance） 简称辐亮度，指面辐射源在单位
8、立体角、单位时间内，在简称辐亮度，指面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积（法向面积）上辐射出的辐某一垂直于辐射方向单位面积（法向面积）上辐射出的辐射能量，即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射能量，即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量，常用射通量，常用L表示，单位为瓦表示，单位为瓦/米米2球面度（球面度（Wm-2sr-1）亮度亮度亮度亮度 L L面辐射源面辐射源面辐射源面辐射源立体角立体角立体角立体角 A A电磁辐射光谱辐射亮度光谱辐射亮度（Radiance） 指单位立体角，单位面积上和在单位波长上的辐射通量。指单位立体角，单位面积上和在单位波长上的
9、辐射通量。数字值数字值（Digital number，DN）波长波长： （ ）波数波数： （ ）思考作业题：请写出光谱辐射亮度的公式，并分别给出其波思考作业题：请写出光谱辐射亮度的公式，并分别给出其波长形式和波数形式的光谱辐亮度单位及单位之间的转换长形式和波数形式的光谱辐亮度单位及单位之间的转换关系。关系。电磁辐射立体角立体角（Solid angle） 锥体所拦截的球面积锥体所拦截的球面积A与半径与半径r的平方之比的平方之比电磁辐射辐射照度辐射照度如果辐射与方向无关（各向同性）如果辐射与方向无关（各向同性）基本概念n电磁波与电磁波谱n电磁辐射n黑体辐射n大气层顶太阳辐照度n二向反射与反照率黑体
10、辐射绝对黑体绝对黑体 对任何波长的电磁辐射都对任何波长的电磁辐射都 全部吸收的物体，满足：全部吸收的物体，满足： 吸收率：吸收率： 反射率反射率：黑体辐射几个重要定律：几个重要定律：Max Planck (1858-1947)普朗克公式斯忒藩-玻尔兹曼定律黑体辐射l维恩位移定律：维恩位移定律：黑体辐射实际物体的辐射实际物体的辐射基尔霍夫定律 在一定温度下，任何物体的辐射出射度与其吸收率的比值是一在一定温度下，任何物体的辐射出射度与其吸收率的比值是一个普适函数，只与温度和波长有关，与物体性质无关个普适函数，只与温度和波长有关，与物体性质无关比辐射率 实际物体的辐射出射度与相同温度下黑体的辐射出射
11、度之比实际物体的辐射出射度与相同温度下黑体的辐射出射度之比基尔霍夫定律是把实际物体与理想黑体联系的桥梁黑体辐射辐射温度辐射温度-亮度温度亮度温度-真实温度真实温度辐射温度：辐射温度：若实际物体的辐射亮度（包括全部波长）与绝对黑体的总辐若实际物体的辐射亮度（包括全部波长）与绝对黑体的总辐射亮度相等，则黑体的温度称为实际物体的辐射温度射亮度相等，则黑体的温度称为实际物体的辐射温度亮度温度：亮度温度：若实际物体在某一波长下的波谱辐射亮度与绝对黑体在同一若实际物体在某一波长下的波谱辐射亮度与绝对黑体在同一波长下的波谱辐射亮度相等，则黑体的温度被称为该波长下波长下的波谱辐射亮度相等，则黑体的温度被称为该
12、波长下的亮度温度的亮度温度基本概念n电磁波与电磁波谱n电磁辐射n黑体辐射n大气层顶太阳辐照度n二向反射与反照率大气层顶部太阳辐照度Atmosphere给定天文距离给定天文距离D=1D=1时的大气顶部太阳辐照度时的大气顶部太阳辐照度 ，则任意某天，则任意某天大气顶部的太阳辐照度大气顶部的太阳辐照度大气层顶部太阳辐照度更为精确的计算公式为更为精确的计算公式为其中其中通道通道i i大气顶部平均太阳辐照度大气顶部平均太阳辐照度大气层顶部太阳辐照度将将 在整个波长范围内进行积分，可获得常说的太阳常数在整个波长范围内进行积分，可获得常说的太阳常数Landsat TM/ETM+ 反射通道的大气层顶太阳辐照度
13、反射通道的大气层顶太阳辐照度Bands123457Pan.ETM+1970184315551047227.180.531368TM1954182615581047217.280.29N/A 基本概念n电磁波与电磁波谱n电磁辐射n黑体辐射n大气层顶太阳辐照度n二向反射与反照率二向反射地物对电磁波的三种反射形式地物对电磁波的三种反射形式镜面反射镜面反射漫反射漫反射方向反射方向反射二向反射当地表目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的当地表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中心的反射辐射亮度在以目标物中心的 空间中呈常数，即反射辐空间中呈常数，即反射辐射亮度不
14、随观测角度而变，则将该物体称为漫反射体，亦称射亮度不随观测角度而变，则将该物体称为漫反射体，亦称朗伯体朗伯体。漫反射又称朗伯。漫反射又称朗伯（Lambert）反射）反射，也称，也称各向同性反各向同性反射射。介于漫反射和镜面反射之间的反射称为方向反射，也称介于漫反射和镜面反射之间的反射称为方向反射，也称非朗非朗伯反射伯反射。对非朗伯体而言，它对太阳短波辐射的反射、散射。对非朗伯体而言，它对太阳短波辐射的反射、散射能力不仅随波长而变，同时亦随散射方向而变。能力不仅随波长而变，同时亦随散射方向而变。二向反射二向反射率分布函数（二向反射率分布函数（BRDF）二向反射二向反射率因子（二向反射率因子（BR
15、F）待测目标待测目标参考板参考板二向反射理想的漫反射体是指反射率为理想的漫反射体是指反射率为100%的朗伯体，即入射辐照度的朗伯体，即入射辐照度的微增量的微增量 等于等于岀岀射辐照度的微增量射辐照度的微增量 。根据漫反射体辐。根据漫反射体辐射通量密度值与亮度值的关系，可得射通量密度值与亮度值的关系，可得如果入射光源对目标物所张立体角如果入射光源对目标物所张立体角 以及传感器对目标物所以及传感器对目标物所张立体角张立体角 都趋于无穷小，则都趋于无穷小，则二向反射当当 以及以及 都趋于无穷小时，在数值上二向反射率因子都趋于无穷小时，在数值上二向反射率因子等于二向反射率分布函数的等于二向反射率分布函
16、数的 倍倍二向反射大气层顶的大气层顶的表观反射率表观反射率（Apparent reflectance）大气层顶表面辐射出射度与该表面入射辐射度之比，一般用大气层顶表面辐射出射度与该表面入射辐射度之比，一般用表示表示如果假定大气层顶表面是一个朗伯体反射面，则表观反射率如果假定大气层顶表面是一个朗伯体反射面，则表观反射率又可表示为又可表示为反照率波谱反照率波谱反照率目标物的波谱目标物的波谱岀岀射辐照度与波谱入射辐照度的比值，即向上射辐照度与波谱入射辐照度的比值，即向上的波谱辐照度的波谱辐照度 与向下的波谱辐照度与向下的波谱辐照度 的比值的比值黑半球反照率黑半球反照率固定太阳天顶角，在观测的半球空间
17、对二向反射函数积分，固定太阳天顶角，在观测的半球空间对二向反射函数积分，也叫直入扇出反照率（李小文等，也叫直入扇出反照率（李小文等，2000），方向），方向-半球反射率，半球反射率，反照率半球半球-方向反射率方向反射率固定观测角度，在太阳入射的半球空间对二向反射函数积分固定观测角度，在太阳入射的半球空间对二向反射函数积分白半球反照率白半球反照率在太阳角和观测角的双半球空间积分二向反射函数，亦叫扇在太阳角和观测角的双半球空间积分二向反射函数，亦叫扇入扇出反照率入扇出反照率反照率宽通道反照率宽通道反照率与反照率的定义类似，宽通道反照率是在某个通道范围内向与反照率的定义类似，宽通道反照率是在某个通道
18、范围内向上的辐射照度与向下的辐射照度之比（上的辐射照度与向下的辐射照度之比（Liang,2000），这里，），这里，必须使向上的辐照度和向下的辐照度分别对波长进行积分。必须使向上的辐照度和向下的辐照度分别对波长进行积分。如果如果 取值为取值为0.25-5 ，则，则 表示整个短波宽通道反照表示整个短波宽通道反照率率参考文献梁顺林，梁顺林，范闻捷等（译）范闻捷等（译）. .定量遥感，科学出版社，定量遥感，科学出版社，2009.赵英时等赵英时等. 遥感应用分析原理与方法，科学出版社，遥感应用分析原理与方法，科学出版社，2003.李小文李小文. 定量遥感的发展与创新，河南大学学报（自然科学定量遥感的发展与创新，河南大学学报（自然科学版），版），2005,35（4）：）：49-56.徐希孺徐希孺. 遥感物理遥感物理
