中科院遥地所定量遥感-第一讲-光学遥感基础

第一讲光学遥感概述与基础第1节光学遥感与反射率第2节典型光学成像系统第3节遥感数据资源第4节光学遥感瓶颈问题与挑战刘良云2014年4月1日第一节光学遥感与反射率WavemodelofelectromagneticRadiationQ1：电磁波作为横波，与纵波相比，什么信息在遥感中能够发掘？ElectromagneticSpectrum遥感波谱范围根据大气窗口和反射/辐射情况,将光学遥感波段划分为可见光：0.4-0.7m近红外：0.7-1.35m短波红外：1.45-2.5m中红外：3-5m热红外：8-14m远红外：14-100m遥感成像基本原理spsdsusLLLLepedeueLLLL大气辐射传输示意图(左边为可见/近红外波段，右边为热红外波段)遥感成像基本原理普朗克定律或黑体辐射定律遥感成像基本原理反射率光谱1.1方向性反射光谱的定义与测量1.2地物光谱测量原理1.1方向性反射光谱的定义与测量双向反射率分布函数（BRDF）的物理意义是：来自方向地表辐照度的微增量与其所引起的方向上反射辐射亮度增量之间的比值。),,(),,(),,,,(iirrTrriidEdLBRDFQ1:BRDF如何直接测量？双向反射率因子(Bi-directionalReflectanceFactor,BRF)定义：在相同的辐照度条件下，地物向(θ，φ)方向的反射辐射亮度与一个理想的漫反射体在该方向上的反射辐射亮度之比值，称为双向反射率因子R：BRDFLLBRFiiPrrTrrii),,(),,(),,,,(1.1方向性反射光谱的定义与测量反射率（Reflectance）定义为物体表面反射能量与到达物体表面入射能量的比值。光谱反射率（SpectralReflectance）为某个特定波长间隔下测定的物体反射率，连续波长测定的物体反射率曲线构成反射率波谱（ReflectanceSpectrum）。LE由于测定方式的差异，反射率波谱又可以根据入射能量的照明方式及反射能量测定方式给定如下4种定义：1.1方向性反射光谱的定义与测量(1)方向－方向反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有或可以忽略散射光；波谱测定仪器仅测定某个特定方向的反射能量。地物双向反射特性主要就是研究方向－方向反射率波谱。晴天条件下，以太阳光为照明光源，利用野外便携式地物光谱仪测定的地物反射率波谱就可以近似为方向－方向反射率波谱。方向－方向反射率的定义BRDF基本一致，其定义如下，(,)(,,,)(,)rriirriiLE),,(),,(),,,,(iirrTrriidEdLBRDF1.1方向性反射光谱的定义与测量(2)半球－方向反射率波谱：入射能量在半球空间内分布，波谱测定仪器仅测定某个特定方向的反射能量。全阴天条件下，以太阳散射光为照明光源，利用野外便携式地物光谱仪测定的地物反射率波谱就可以近似为半球－方向反射率波谱。2200(,)(,)(,)(,)cossinrrrrrrdiiiiiiLLEEd1.1方向性反射光谱的定义与测量(3)方向－半球反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有或可以忽略散射光；波谱测定仪器测定的半球空间的平均反射能量。利用积分球原理测定的物体反射率波谱就是方向－半球反射率波谱。2200(,)cossin(,)(,)2*(,)rrrriiuiiiiiiLdLEE1.1方向性反射光谱的定义与测量(4)半球－半球反射率波谱：入射能量在半球空间内分布，波谱测定仪器测定的是2半球空间的平均反射能量。半球－半球反射率波谱就是地物反照率波谱。udLE式中定义的半球－半球反射率就是反照率（albedo），全球变化遥感的热点！！！1.1方向性反射光谱的定义与测量(1)方向－方向反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有或可以忽略散射光；波谱测定仪器仅测定某个特定方向的反射能量。地物双向反射特性主要就是研究方向－方向反射率波谱。晴天条件下，以太阳光为照明光源，利用野外便携式地物光谱仪测定的地物反射率波谱就可以近似为方向－方向反射率波谱。(2)半球－方向反射率波谱：入射能量在半球空间内分布，波谱测定仪器仅测定某个特定方向的反射能量。全阴天条件下，以太阳散射光为照明光源，利用野外便携式地物光谱仪测定的地物反射率波谱就可以近似为半球－方向反射率波谱。(3)方向－半球反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有或可以忽略散射光；波谱测定仪器测定的半球空间的平均反射能量。利用积分球原理测定的物体反射率波谱就是方向－半球反射率波谱。(4)半球－半球反射率波谱：入射能量在半球空间内分布，波谱测定仪器测定的是2半球空间的平均反射能量。半球－半球反射率波谱就是地物反照率波谱。1.1方向性反射光谱的定义与测量1.2地物光谱测量原理野外地物方向反射率波谱测定和计算原理野外条件下的太阳辐照度光谱的测定可以借助一个标定好的朗伯体作为反射参考板，利用便携式地物光谱仪测定参考板的辐亮度光谱，从而计算太阳光源到达地表的辐照度光谱。太阳辐照度光谱计算如下*()()()RefdRefLE根据方向反射率定义和公式，太阳辐照度光谱测定后，只要同步测定目标反射的辐亮度光谱，就可以计算目标的光谱反射率，*(,,)(,,)(,,)()(,,)trrtrrtrrRefdRefrrLLELQ1:我为什么在这里不用BRF的公式？野外地物方向反射率波谱测定注意事项方向反射率波谱数据依赖于波谱测定条件，如直射/散射光比例、直射光方向、观测方向、地物尺度效应及观测对象个体和群体特点等，野外地物波谱测定时不仅需要准确记录和获取这些属性数据，还要尽量不破坏现场条件，包括成像条件和观测对象。在波谱测定时需要考虑：尽可能避免试验人员和仪器对太阳入射光的影响：测量人员或仪器要面向太阳，不能阻挡太阳直射光；尽量减小测量人员或仪器相对于观测对象在上半空间的立体角，即减少测量人员和仪器设备阻挡的天空散射光；测量人员着深色装，测量仪器要涂黑或用深色物包括，降低测量人员/仪器与观察对象的交叉辐射影响。观测范围选取时要观测对象的尺度效益：避免瞎子摸象现象，以行播作物的冠层波谱测定为例，观测范围要覆盖3～5个行距。室内分析的取样对象要与观测对象保持一致：特别是植被地物，一是要保证取样范围与波谱测定范围一致，另外要考虑植被的呼吸和光合作用对生理生化指标的影响，尽可能地保证室内分析时植物样品的生理生化状态与波谱测定时一致。测定天空散射光信息：明确直射光和散射光对入射能量的贡献。参考板和观测对象的反射波谱测定要同步：由于野外条件的气象条件的瞬变特性，特别是风、云对太阳入射能量的影响，要尽可能保证参考板和观测对象的波谱测定的同步，避免天气变化造成的反射率波谱数据误差。记录现场天气条件和观测对象的详细描述，并辅以现场照片。1.2地物光谱测量原理植被冠层光谱反射率测量拍摄1.6米冠层光谱测定及参考板校正Step1：测量参考般的辐亮度光谱；Step2：测量冠层反射的辐亮度光谱；Step3：测量参考般的辐亮度光谱；Step4：测量天空散射光光谱；FieldSpectroscopymeasurement夏玉米不同生育期冠层光谱2003-07-08051015202530350850135018502350Wavelength(nm)Reflectance(%)R01-GR01-HR01-Z2003-07-19051015202530350850135018502350Wavelength(nm)Reflectance(%)01漫01-G01-H01-Z2003-07-280510152025303540350850135018502350Wavelength(nm)Reflectance(%)01-m01-g01-h01-z2003-08-110510152025303540350850135018502350Wavelength(nm)Refletance(%)01-m01-g01-h01-zBRDFreflectanceBRDFreflectanceBRDFreflectance0.380.390.400.410.420.430.440.450.460.470.000.010.020.030.040.050.060.07-60-40-200204060BlueREDNIR0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.000.010.020.030.040.050.060.07-60-40-200204060BlueREDNIRAt12:24onMay4,2013(left,SZA=24.36,SAA=187.78)At16:08onMay4,2013(right,SZA=56.40,SAA=262.73).00.10.20.30.40.50.600.010.020.030.040.050.060.070.08-60-40-200204060REDRED-ModelledNIRNIR-modelledAt12:24onMay4,2013(left,SZA=24.36,SAA=187.78)利用积分球测定叶片反射率光谱仪探头待测样品(a)叶片半球反射辐亮度测量光源积分球光谱仪探头(b)光源辐照度光谱测量参考板光源积分球sdrsrd(I-I)RR=(I-I)×srrIRITs=叶片光谱测量叶片光谱测量表观反射率(Apparentreflectance)：定义遥感器观测的辐射信号与太阳入射辐射信号比值。可见光波段还有植被光合作用荧光。反射率（Reflectance）：定义为物体表面反射能量与到达物体表面入射能量的比值。2、表观反射率光谱卫星遥感的表观反射率光谱TOA辐亮度光谱、辐照度光谱TOC辐亮度光谱、辐照度光谱TOA表观反射率光谱TOC表观反射率光谱卫星遥感的表观反射率光谱TOA辐亮度光谱、辐照度光谱TOC辐亮度光谱、辐照度光谱TOA表观反射率光谱TOC表观反射率光谱FLAASH、ATREM、ACORNTOA和TOC表观反射率光谱差异FLAASH辐射校正前-TOA辐射校正后-TOC植被裸土水体植被裸土水体TOA和TOC表观反射率光谱差异表观反射率(红)与真实反射率（黑）TOA和TOC表观反射率光谱差异TOA和TOC表观反射率光谱差异不同光谱分辨率条件下观测的冠层表观反射率光谱曲线(Meroni&Colombo，2006)Passivevs.ActiveSensors•PassivesensorsdetectandrecordEMRemittedfromanexternalsource.•ActivesensorsdetectandrecordEMRemittedfromthesensoritself.第2节植被遥感数据获取基础被动遥感主动遥感热红外辐射被动微波辐射可见光反射近红外反射太阳合成孔径雷达(SAR)干涉SAR(InSAR)极化SAR（POL-SAR)极化干涉SAR(POL-InSAR)激光雷达（LIDAR）……PassiveSensorsWhatDoesTheDetector“See”?Theinstantaneousfieldofview(IFOV)istheconeangleinwhichtheincidentenergyonthedetectorisfocused.ObjectiveDetectorConeoflightAngle=IFOVUsefulconversion:thegroundareaadetector“sees”ifnadir(pointedstraightdown)is:D=H’*IFOV,where•D=diameterofcirculargroundareaviewedbythedetect