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)05202952061　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 4s )(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 4s )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 NV 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 ”,“Globalalbedo ”,“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692 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 rE 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 rE 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。