25
3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法
算法流程
地表方向反射率
卫星数据
大气校正
BRDF 定模
窄波段反照率
短波反照率
窄波段到 宽波段转换

26
3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法 大气校正及其中存在的问题 • 气溶胶参数的获取
i ,r , 0 M i ,r , a1 F , H (0 ,i ,r , )
–RPV模型（Rahman-Pinty-Verstraete）
(i ,r , ) fisokiso f geokgeo (i ,r , ) fvol kvol (i ,r , )
14
2.2 地表的波谱特性和特点
反照率的波长积分
波谱反照率 短波反照率：
0.25 ~ 2.5m
可见光反照率：
A( , )
2
1
( , ) Fd ( , )d

2
1
0.4 ~ 0.7 m
近红外反照率：
Fd ( , )d
0.7 ~ 2.5m
宽波段反照率
多传感器合成的反照率产品 单一传感器的反照率产品
GLASS反照率产品

8
1.3 全球反照率产品概况
GLASS反照率产品特色
无缺失
长时间序列
(a) MODIS产品 (b) GLASS产品 青藏高原区域2010年全年的反照率分布图动画
81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 MODIS, MISR POLDER MERIS
2
1. 地表反照率概述
1. 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

3
1.1 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)
–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

27
3.2 基于BRDF模型反演的反照率算法 BRDF模型——线性核驱动模型
气温升高
吸收更多的 太阳能量
海冰融化面 积扩大
• 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

反照率减低
海冰反照率 > 普通海洋反照率
6
1.2 地表反照率和全球变化
地表反照率对气候变化的反馈机制
森林砍伐 干旱使植被 进一步退化
辐射传输模型原理示意图

几何光学模型原理示意图
18
2.3 地表的二向反射特性
地表的二向反射的经验、半经验模型 经验模型：
–Minnaert 模型 –Shibayama模型
–Walthall模型
–改进的Walthall模型
半经验模型：
–核驱动模型

各向同性核 几何光学核 体散射核
R(i ,r , ) fisokiso f geokgeo (i ,r , ) fvol kvol (i ,r , )
核系数 （未知数） 核函数 （已知函数）
核驱动模型的优点： • 表面散散核（几何光学） • 体散射核（辐射传输）
24
3.1 基于朗伯假定的反照率算法
适用范围：通常是高分辨率数据
主要关注问题： •窄波段反射率向宽波段反照率转换的系数 •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
地物 波谱特性 地物的 二向反射 大气 辐射传输
地表宽波 段反照率
地表二向反射因子的在角度维和 波长维积分的结果。
2 /2
BHR

0 0
(i , i ;2 ) Li (i , i )sin i cos i di di
2 /2
A( , )
2
1
16
2.3 地表的二向反射特性
地表二向反射的实验测量数据
在主平面上绘图 在极坐标系下描绘整个观测半球空间
绿 光
红 光
近 红 外

17
2.3 地表的二向反射特性
地表的二向反射的物理模型
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。
Z
dLr (i , i ;r , r ; ) f r (i , i ; r , r ; ) dEi (i , i ; r , r ; )
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。
X
dΩi
θi dΩr θr
dA
O
Y
Фi
Фr

4
1.1 什么是地表反照率？
反照率是地-气系统的不确定因子
• 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％。
19
2.4 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
2 /2
BSA (i , i ;2 )

0 0
f r (i , i ;r , r )sin r cosr dr dr
白空反照率（WSA） 也称 漫射半球-半球反射率
入射辐射
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
2.3 地表的二向反射特性
地表的二向反射现象和定义
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（Nicodemus，1997）：

5
1.2 地表反照率和全球变化
地表反照率对气候变化的反馈机制
• 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

23
3.1 基于朗伯假定的反照率算法
算法原理
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（Liang 2000， RSE）：

降水减少
反照率升高
蒸散减少
• 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
裸土或草原反照率 > 森林反照率

7
1.3 全球反照率产品概况
20
2.5 大气对地表反照率的影响
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
GLASS

GEOLAND2 GLOBALBEDO
9
1.4 全球反照率时空分布特点
美国NASA发布的MODIS反照率产品

10
1.4 全球反照率时空分布特点
GLASS反照率
GLASS 反照率产品，version 1.0，1989年
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）
( , ) Fd ( , )d
L ( , )sin cos d d
i i i i i i 0 0
i

2
1
Fd ( , )d
13