表觀反射率及其在植被遙感中的應(yīng)用

1、表觀反射率及其在植被遙感中的應(yīng)用1背景在植被遙感中經(jīng)常涉及到植被指數(shù)，例如，歸一化差植被指數(shù)(NDV)。用何種遙感數(shù)據(jù)計(jì)算才能得到較真實(shí)的植被指數(shù)？對于同一塊森林或草地，如何對比和監(jiān)測它們在不同時(shí)期的狀況？這些研究均需要定量化的方法。本文試圖對輻射校正中存在的一些容易混淆的概念和術(shù)語，進(jìn)行澄清。特別對植被遙感應(yīng)用定量化、監(jiān)測，具有特殊作用的大氣層頂表觀反射率(簡稱表觀反射率，Apparentreflectance)的定義；長期以來，各種書刊關(guān)于輻射校正(Radiometriccorrection)的定義和內(nèi)容沒有統(tǒng)一。輻射定標(biāo)(Ra-diometriccalibration)、輻射校正和大氣校

2、正(Atmosphericcorrection)使一些初步參與遙感應(yīng)用的人員感到困惑。他們不知道三者之間的區(qū)別和關(guān)系。有的人員將輻射定標(biāo)與輻射校正等同，有的則認(rèn)為大氣校正是獨(dú)立于輻射校正的。從光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的獲取過程，我們知道地物反射的輻射亮度(Radiance)通過大氣層，然后被衛(wèi)星傳感器接收，最后轉(zhuǎn)換為DN值。理想狀況下，光學(xué)遙感傳感器各波段紀(jì)錄下的輻射通量應(yīng)該是地物反射的精確測量值。然而，誤差(噪聲)在遙感數(shù)據(jù)獲取過程中，通過幾種途徑混雜進(jìn)來。輻射校正的目的就是消除這些誤差(噪聲)。它們包括，由傳感器本身產(chǎn)生的內(nèi)部誤差和由環(huán)境影響一一大氣和地形影響引起的外部誤差。內(nèi)部誤差一般是系統(tǒng)的、可以

3、預(yù)測的，通過衛(wèi)星發(fā)射之前的輻射定標(biāo)(Preflightcalibration)和運(yùn)行中的星上輻射定標(biāo)(Onboardcalibration)、替代(場地)輻射定標(biāo)(Vicariouscalibration)來確定。而外部誤差在自然界是變化的、不確定的，非系統(tǒng)誤差。一般在內(nèi)部誤差校正(即輻射定標(biāo))后，由用戶自己來消除這種誤差。在平原地區(qū)，只進(jìn)行大氣校正即可消除它，而在山區(qū)，除大氣校正外，有時(shí)還要進(jìn)行地形輻射校正。圖1清楚地說明了輻射校正、輻射定標(biāo)和大氣校正等之間的關(guān)系。輻射定標(biāo)的目的是消除傳感器本身產(chǎn)生的誤差。大氣校正則消除大氣散射、吸收等引起的誤差。對在光學(xué)遙感數(shù)據(jù)獲取過程中，產(chǎn)生的一切與輻射

4、有關(guān)的誤差的校正(包括輻射定標(biāo)和大氣校正)統(tǒng)稱輻射校正在遙感監(jiān)測等具體應(yīng)用中，大氣校正難度較大。有時(shí)只能依據(jù)遙感影像中的暗色物體(例如湖泊)校正，不能完全消除大氣的影響。然而，根據(jù)輻射定標(biāo)，傳感器產(chǎn)生的誤差則較容易消除。輻射定標(biāo)的結(jié)果是給出一個(gè)聯(lián)系DN值與輻射亮度關(guān)系的公式和一些參數(shù)。這樣根據(jù)遙感數(shù)據(jù)中的DN值和這些參數(shù)，就可以計(jì)算出相應(yīng)的進(jìn)入傳感器的輻射亮度值和表觀反射率。遙感應(yīng)用人員特別關(guān)注能反映地物性質(zhì)和特征的反射率，因此，下面主要論述表觀反射率。圖1輛射校通.相射定除和大氣檢出之間的區(qū)別與相互關(guān)累2表觀反射率2. 1表觀反射率的概念在文獻(xiàn)中，表觀反射率有多個(gè)不同的提法。例如，場景的大氣

5、層頂?shù)葍r(jià)反射率(rI1leTOAequivalentreflectanceofscene)(Dinguirard&Slater,1999);表觀星上反射率(Apparentatsatellitereflectance)(Hill&Sturm,1991)星上光譜行星反照率(Atsatellitespectralplanetaryalbedos)(Markham&Barker,1987)和等價(jià)光譜反照率(Equivalentspectralalbo)(Price,1987)等等。目前，雖然這個(gè)物理量有不同的名稱，但是它的定義可以用(1)式來表達(dá)(Rodericketa1.,

6、1996：Markham&Barker,1987)7T*L*I)2P=ESUN無薪(1)式中，P為大氣層頂（TOA）表觀反射率（無量綱），冗為常量（球面度sr）,L為大氣層頂進(jìn)入衛(wèi)星傳感器的光譜輻射亮度（2m&*pm）,防日地之間距離（天文單位）,esu的大氣層頂?shù)钠骄玾f陽光譜輻照度（«"m皿】）,9為太陽的天頂角。以上（1）式成立的條件是假設(shè)在大氣層頂，有個(gè)朗勃特（Lanbertian）反射面。太陽光以天頂角e入射到該面。如圖2,該表面的輻照度為E=ESUN<Cos8/D（呂斯驊，1981）。該表面的輻射出射度M=ttL（呂斯驊，1981）。根據(jù)

7、Lanbertian反射率定義，大氣層頂?shù)谋碛^反射率p等于睡DE_電_豆口。的比值，即0-七一ESUNCosd這就是上面0）式的由來。這里還有三點(diǎn)需要說明。第一，L和ESU的別為光譜輻射亮度和光譜輻照度，與波段有關(guān)，不同的波段有其相應(yīng)的值。第二，注意單位的一致。例如，L的單位是，皿，如果資料給出的L為mWcm-2sr-1'（in-1,應(yīng)該換算為前者（i=。mWcm-2-sr-1-nm1）。第三，L是大氣層頂進(jìn)入衛(wèi)星傳感器的光譜輻射亮度。實(shí)際上，它是來自地物和大氣輻射亮度的總和。因此，大氣層頂?shù)谋碛^反射率p也是地面反射率P"和大氣反射率P4的總和，即：Q=Pc+Pa3表觀反射率

8、在植被遙感中的應(yīng)用3. 1構(gòu)建植被指數(shù)裊55種地物在波段EM和E'HM中的光謂輜的亮度和表現(xiàn)反射率計(jì)第實(shí)例Table5Casesltjdynnf|Eralndian噂andaftpaimtrefleclanooffivelargelyinETM331詁(al計(jì)算EIM3和口M4中的光譜輻射亮度和表現(xiàn)反射率所需要的參蚊Wk-f«rairwiCTsincnmpuUngspectralradian僅andapparenirefleciuncvorETM3andEfTM4波段HandEPW+iTuih31sr-1*ptmtW*inumm2駁('pm1rtI)ESUNW-m&#

9、39;03-5,。15293,141的1.01295155LQ035,配4=5.1241.13.141591.012951C44.0035W(h)5種地物在波段E【Y3和中的"V假和計(jì)算得到的匚門和VPk/ffiValueMDVmidL,pandVDWfrom/aulalimforfivrI叫中ininETM3andKTM4地物ONLP£>I7TaqgH!ETM3ERM1314LJ林的Woodlmd婚更22.35386,0130.05740.32790.55710.5S7507022卓地9674540570,快了0.2503-042940,09690.琢g衣地Famd

10、and5226.7041115Q.O64J50.4U9。理g0.61280.7217裸沙Swtd170l(M100,05994,7370.25670.3611-0.2409-0.02736y0水體Water551828,569。第330.0454-0.506g-04304-0.565植被指數(shù)(VI)上另植被的生物量、凈初級生產(chǎn)力(NPP)、覆蓋度，以及冠層的葉面積指數(shù)(LAI)等，都有較好的相關(guān)性。許多遙感模型和以遙感信息為驅(qū)動(dòng)變量的生態(tài)學(xué)模型都需要植被指數(shù)的參與。衛(wèi)星的DN1、輻射亮度值L和表觀反射率p均可以計(jì)算植被指數(shù)。以歸一化差植被指數(shù)(NDVI)為例，NDVI=(NIRR)/(NIR+

11、R),NIR和尺分別為近紅外和紅光，它們計(jì)算的結(jié)果見表5(b)。顯然，三者用同一公式11算出了不同的NDVI數(shù)值。哪種NDVI數(shù)值接近地物的實(shí)際情況？從理論上分析，DNh經(jīng)過任何校正，包括輻射定標(biāo)校正，而且只是進(jìn)入傳感器中的輻射能的一種數(shù)字轉(zhuǎn)換形式，不能本質(zhì)地反映地物的輻射特性。L和p都經(jīng)過了輻射定標(biāo)校正，但是，當(dāng)p再經(jīng)過大氣校正后，它就是地物的反射率，能本質(zhì)地反映地物的輻射特性。由它構(gòu)成的NDVI植被指數(shù)最接近地物的NDVI。以表5(b)中的草地和裸沙為例。盡管草地為退化草地，在地面它的NDVI值可以達(dá)到0.3左右。然而，L的NDVI值為0.0969,在地面這是裸地的NDVI值。DN勺NDV

12、I值更離譜，為-0.1294,這是地面水體的NDV顏值。p的NDVI值為0.2869,最接近地面退化草地的NDVI值。在裸沙一行中，只有l(wèi)0的NDVK1(0.1690)接近裸沙的實(shí)際情況，L和DN勺值均為負(fù)數(shù)，是地面水體的NDVI數(shù)值范圍。以上的分析和計(jì)算結(jié)果說明只有表觀反射率p構(gòu)成的植被指數(shù)能較好地反映地物的情況。這也是輻射定標(biāo)將衛(wèi)星的DN直轉(zhuǎn)換為表觀反射率P的原因之一3. 2遙感模型中的變量許多植被遙感應(yīng)用要求用地物的光譜反射率與生物物理量建立遙感模型。例如，SAIL模型。3. 3大氣校正在定量化植被遙感應(yīng)用中，大氣影響是主要誤差來源之一，而且消除這種影響很困難。般來說，要完成大氣校正，必

13、須先進(jìn)行輻射定標(biāo)。表觀反射率是輻射定標(biāo)的結(jié)果之一。因此，可以認(rèn)為表觀反射率計(jì)算是大氣校正的前期準(zhǔn)備。前面的(2)式，,表明表觀反射率p是地物反射率P"和大氣反射率°，的和。大氣校正就是消除P"有時(shí)，由于種種原因不能用大氣傳輸模型進(jìn)行大氣校正，可以用表觀反射率進(jìn)行部分簡單校正。例如，根據(jù)遙感影像中的暗色地物，用直方圖最小值方法校正(彭望祿，1991)。這樣可以盡量減少，即大氣的影響。“裸沙土壤線”大氣校正方法(Chi,2003),可以實(shí)用于干旱和半干旱地區(qū)NOAAAVHRR1道1(R)和但是，使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)不是DN直，必通道2(NIR)的大氣校正，即去除(2)式中大

14、氣的反射率須是表觀反射率P。3. 4不同時(shí)期遙感數(shù)據(jù)的比較在植被遙感監(jiān)測中，經(jīng)常遇到不同時(shí)期遙感數(shù)據(jù)的比較。這類遙感數(shù)據(jù)的比較，包括同一個(gè)傳感器，不同時(shí)間遙感數(shù)據(jù)的比較和不同傳感器遙感數(shù)據(jù)的比較。長期監(jiān)測同一植被或地區(qū)，既是使用同個(gè)傳感器，由于光學(xué)傳感器的性能隨時(shí)間變化，會(huì)引起輸出信號值的漂移。要消除這種影響，必須進(jìn)行輻射定標(biāo)，將DN1換算為表觀反射率，然后才能進(jìn)行不同時(shí)間遙感數(shù)據(jù)之間的比較。然而，對于不同傳感器遙感數(shù)據(jù)的比較，還要面對傳感器之間的波段、光譜分辨率和空間分辨率的差異等問題。當(dāng)然，在實(shí)際遙感應(yīng)用中為了盡量減少傳感器之間的差異，一般選擇相同衛(wèi)星系列傳感器的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)彳f比較，例如，

15、Landsat-5的TMF口Landsat-7的ETM+這兩個(gè)傳感器的15和7反射波段相同，而且地面分辨率也相同。只要將它們的DN直分別換算為表觀反射率，就可以相互比較。4討論以上主要以Landsat.5和Landsat7為例，論述了表觀反射率的定義、概念、計(jì)算方法和在植被遙感中的應(yīng)用。以上的計(jì)算方法原理，同樣適用于其它衛(wèi)星，例如SPOTNOA等傳感器的遙感數(shù)據(jù)表觀反射率。Landsat5發(fā)射于1984年3月1日，至今已運(yùn)行20年。我國衛(wèi)星地面站建立于20世紀(jì)80年代中期，也應(yīng)接收和存檔了近20年的Landsat5的數(shù)據(jù)。美國2003年發(fā)布的Landsat.5TM數(shù)據(jù)新的輻射定標(biāo)參數(shù)(表2),又為其早期數(shù)據(jù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過表觀反射率，可以在20年的時(shí)間尺度上，對我國的植被資源和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，發(fā)掘Landsat5遙感數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。如前所述，衛(wèi)星光學(xué)傳感器的性能隨時(shí)間變化，它的輻射定標(biāo)參數(shù)也會(huì)改變。在計(jì)算表觀反射率時(shí)，應(yīng)上網(wǎng)查看是否有變化，以新的定標(biāo)參數(shù)為準(zhǔn)。表255TM各個(gè)反射波段的工和Le值Table2ThevaIucsofandl.uriforreflectingbandsofLandsaJ-5(W*m'2*sr1*-1)2003/05/