（地图学与地理信息系统专业论文）地表反照率反演及冷热源分析.pdf

摘要 地表反照率表征了地球表面反射太阳辐射能量的能力，是影响地表能量收支 平衡的决定性因素，对地气能量交换有很大的影响，是影响大气运动的最重要的 因素之一，从而地表反照率深刻地影响着区域乃至全球的气候变化。本文着手地 表反照率的精确反演进而计算地表和大气之间的能量收支；首先采用像元信息分 解的方法得到地表地物的组成结构，然后根据实测的地物光谱结合太阳辐射能量 光谱分布来精确计算地物组份的反照率，最终得到地表反照率。 本文采用分辨率为3 0 米的t m 数据，图像上一般情况不存在纯像元，考虑 到实际情况，在像元信息分解建模选取地物组份的时候，一般自然地表可以分为 植被、土壤、水体三种组份，从而选取这三种组份作为模型端元，然后选取t m 影像的二、三、四波段的组合进行像元分解，分解中各组份在各波段的反射率采 用实地测量的地物光谱数据处理获得；利用a s d 光谱仪实地测量地物的光谱 ( 3 5 0 - 2 5 0 0 n m ) ，结合太阳辐射能量光谱曲线计算得到地物在3 5 0 - 2 5 0 0 n r a 范围 内的反照率，然后综合反演地表反照率。 地表覆盖是影响地表反照率的直接因素，本文在反演得到的地物组份结构的 基础上计算了地表植被覆盖度，并进一步分析了地表植被覆盖度和地表反照率之 间的关系，分析二者的面状分布情况，显示植被覆盖度高的地区的反照率比周边 地区的反照率要低；另外，还分析了地面坡度对地表反照率的影响。 地表净辐射和地表向大气输送的能量是反映地表冷热源有两种不同方法，本 文在翁笃鸣早期提出的半经验公式基础上结合各种影响因素，计算地表向大气输 送能量。地表接收的太阳直接辐射的影响因素有地表反照率、地面高程及其纬度 分布等，利用遥感反演得到的地表反照率结合数字高程模型计计算得到太阳直接 辐射，再分别计算地表有效辐射和大气逆辐射，最终得到地表净辐射和地表向大 气输送的能量辐射，并对结采进行了统计分析。 关键词：反照率混合像元信息分解冷热源遥感反演 r e t r i e v a lf o ra l e d oo fg r o u n ds u r f a c ea n dt h e r m a le 仃e c t a n a l y s i s m a s t e rc a n d i d a t e ：w a n gw e i ( c a r t o g r a p h ya n dg i s ) d i r e c t e db yp r o f d e n gr u m d e p a r t m e n to fg e o g r a p h ya n dp l a n n i n g ，s u ny a t - s e nu n i v e r s i t y ( a b s t r a c t ) a l b e d or e f l e c t st h ep o w e ro ft h eg r o u n ds u r f a c et oa b s o r bt h es o l a re n e r g y , i ti s o n eo ft h em o s td e c i s i v ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ee n e r g yb a l a n c eo ft h eg r o u n d s u r f a c e ，i ta l s oi n f l u e n c et h em o v e m e n to ft h ec u r r e n tp r o f o u n d l y , a n dt h u sl e a d st o c l i m a t ec h a n g ei nl o c a la r e ae v e nu pt ot h ew h o l ew o r l d t os t u d yt h ee n e r g yb a l a n c e b e t w e e ng r o u n ds u r f a c ea n da t m o s p h e r e ，p r e c i s e g r o u n ds u r f a c ea l b e d ow e r e c o m p u t e db yt h em e t h o do fm i x t u r ep i x e li n f o r m a t i o nd e c o m p o s e f i r s t l y , t h e i n g r e d i e n tp r o p o r t i o no ft h eg r o u n dw e r ea e q u i r e d t h e nt h ea l b e d oo fe a c h e n d m e m b e rw e r ec a l c u l a t e db yt h ec o m b i n a t i o no fs o l a rr a d i a n c ee n e r g yd i s t r i b u t i o n a n dt h er e f l e c t a n c ec u r v eo fe a c he n d m e m b e rg a i n e di ns i t u , g r o u n ds u r f a c ea l b e d o w e r er e t r i e v e da tl a s t l a n d s a ti m a g ed a t aw a su s e di nt h i ss t u d y , t h e r ei sn op u r ep i x e li ns u c h i m a g ed a t ab e c a u s eo fi t sr e s o l u t i o ni so n l y3 0m e t e r , c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o n , t h r e ee n d m e m b e r si n c l u d ev e g e t a t i o n ，s o i la n dw a t e rw e r es e l e c t e dt ob u i l du pt h e m o d e lf o ri n f o r m a t i o nd e c o m p o s e ，a n dt h e nw a v eb a n d2 ，b a n d3 ，b a n d4f r o mi m a g e d a t aw e r ec h o s e ni nt h em o d e l 1 1 他r e f l e c t a n c eo fe a c hm e m b e ri ne a c hw a v eb a n d w a sc o m p u t e db yt h ed a t aa c q u i r e db ya s df i e l ds p e c t r a lw i t hs p e c t r a lr e s p o n s e r a n g ef r o m3 5 0 n mt o2 5 0 0 n m f r o mt h es a m ed a t a , e a c he n d m e m b e ra l b e d ow a s g a i n e db yt h eu s eo fs o l a rr a d i a n c ee n e r g yd i s t r i b u t i o nc u r v e l a n dc o v e ri n f l u e n c ea l b e d od i r e c t l y , t oa n a l y s i si t s i n f l u e n c e ，v e g e t a t i o n c o v e r a g ew a sc a l c u l a t e db a s e do nt h ei n f o r m a t i o no fp i x e ld e c o m p o s i t i o n , t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mw a sw e l ls h o w nb yt h e i rd i s t r i b u t i o ni nm a p s t h ea l b e d o o fl a n dw i t hh i g h v e g e t a t i o nc o v e r r a t i ow a sl o w e rt h a ni t s n e i g h b o r h o o d i f u r t h e r m o r e ，t h es l o p eo fg r o u n ds u r f a c ew a sa l s oh i g h l yr e l a t e dw i t ht h ea l b e d o d i s t r i b u t i o n ，t h ef i g u r es h o w st h a th u m a na c t i v i t yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ea l b e d o d i s t r i b u t i o n , s u c h 嬲h i g hd e n s i t yr e s i d e n t s ，r a i l w a y , h i g h w a ya n da l lk i n d so fh u g e m a n r n a d ef e a t u r e t h e r ea r et w ow a y st od e f i n et h ea t t r i b u t eo fg r o u n da sah o to fac o l ds o u r c e ， t h ei n d e xo fl a n dn e tr a d i a n c ef l u xa n de n e r g yt r a n s f e rf r o mg r o u n ds u r f a c et ot h e a t m o s p h e r e t h ee n e r g yt r a n s f e r r e df r o mg r o u n dt oa t m o s p h e r ew a sr e c k o n e db yt h e b i e m p i r i c a lf o r m a lp r o p o s e db yw e n gd u m i n g s o l a re n e r g ya b s o r b e db yg r o u n d s u r f a c em a i n l yd e p e n d so na l b e d o ，e l e v a t i o na n d l a t i t u d e ，t h u sd i g i t a le l e v a t i o nm o d e l d a t ai sp u tt oc a l c u l a t ei tw i t ht h ea l b e d oa l r e a d yr e t r i e v e d a n a l y s i so ft h er e s u l t s e x p l a i n sw h a tk i n do fr o l et h eg r o u n ds u r f a c ep l a y si n t h ep r o c e s so fe n e r g y t r a n s f o r m a t i o n k e y w o r d s ：a l b e d o ，m i x t u r ep i x e li n f o r m a t i o nd e c o m p o s e ，h o ta n dc o l d s o u r c e ，r e m o t es e n s i n gr e t r i e v a l i v 原创性及学位论文使用授权申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：云谚肇 日期：p 年6 肌 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复 制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 保密论文保密期满后，适用本声明。 学位论文作者签名：艺3 i 为导师签名：鬣p 鸦编 日期：u l i d 年期拍。 日期：纱6 月办 1 1 研究意义与目的 第一章绪论 地表反照率作为地表反射率半球反射积分值，表征地球表面对太阳辐射的反 射能力，是影响地表能量收支平衡的决定性因素，对地气能量交换有很大的影响， 是影响大气运动的最重要的因素之一，从而深远地影响着局地、区域乃至全球气 候变化( l i a n g ，2 0 0 3 ) 【l l 。太阳辐射能是大气运动动力的主要来源，但大气自身 接收短波辐射的能力非常有限，而接收长波辐射的能力却很强。地表通过接收透 过大气的太阳辐射能升温，并将部分能量转化为长波辐射传递给大气；因此地面 反照率小，接收的太阳辐射能就多，地面升温高，传给大气的太阳能就多；反之 地表反照率小，接收的太阳辐射能就少，传给大气的太阳能就少，因此地面接收 太阳辐射能的多少决定了大气能获取的太阳能的多少。地表反照率为地表覆盖研 究提供了基础的地学参数，也是气候、农业和环境等研究领域的一个重要输入参 数，它定量地描述了入射太阳能在地气之间再分配比例。大范围的精确计算下 垫面反照率可以发现、揭示局地和区域气候形成的内在机制，提高中、长期气候 预报的精度1 2 l 。总之，在地表能量和大气能量平衡等各项研究中，地表反照率的 反演具有非常重大的意义。 从影响局地乃至全球气候的陆面过程分析，地表反照率是影响地表辐射收支 的一个重要参数。地面吸收的净辐射能收支包括短波净辐射和长波净辐射，地面 吸收的净辐射主要由短波净辐射提供，长波净辐射的绝对值不到短波净辐射的 2 0 ，而地表反照率是短波净辐射的主要决定因素1 3 1 ，因此地表反照率深刻地影 响着地表净辐射平衡。 地表反照率对区域乃至全球气候的影响，可以通过分析干旱半干旱区反照率 和气候的反馈机制得以反映。在干旱半干旱地区，反照率的增加，会造成地表净 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，这一的结果又使得反照率增加。这是一个j 下反馈 过程。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。正负反馈相互作用并最终形成一个稳定状态，地表反照率在这一过程中起着 关键作用。 作用过程如下图所示： e i ：r n 增加i 。i i - - - 。一- - - - 。- 气 一i 太阳辐射增加； i 。 反照率的传统计算方法是用实测资料结合植被特征和土壤特征来进行估算， 根据观测资料并结合自然地理条件研究地表反照率的分布特征。由于地表覆盖类 型以及特征要素的变化很大，常规研究需要有大量的观测点才能保证精度1 4 1 。由 于地表反照率受地球表面覆盖类型等地表特征和太阳高度角等因素的影响，具有 较大的时空分异性，观测资料代表性和地表参数的不确定性影响其计算精度【5 l 。 与以往气候观测和模拟不同的是，遥感反演反照率有地表特征模式的支持，一次 获得的是面上的反照率，这样可以部分或完全的消除平流的影响( 点上的模式在 面上的应用所造成的误差) 嘲。 遥感反演反照率有以下优点： l 、覆盖面积广，信息量大；2 、观测周期短，卫星遥感周期性地覆盖地球表 面，可地表反照率的动态变化进行监测，获得反照率时问序列的变化结果；3 、 可快速建立和更新地表特征模式：4 、遥感反演技术可以得到目前常规气象观测 所无法获得的高分辨率数据。因此通过遥感和地理信息系统技术获得的反照率比 传统的气候学方法所获资料具有更大的应用价值，这对于研究陆面过程中热力作 用对大气环流的影响非常重要。 1 2 国内外研究现状 概念上，反照率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。 2 一般应用中，指的是一个宽带，如太阳光谱段( 0 3 4 0 u m ) ，称为宽带反照率。 对于某个谱段而言则称为窄带反照率，也称谱反照率【7 1 。人们早期对地表反照率 研究主要是通过常规的地面观测站得到的，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，两者通量之比即为当 地的地表反照率3 。 1 1 1 国内研究现状 早期人们通过传统的气候学的方法对地表反照率进行了反演l s l 。传统的计算 方法是根据实测资料结合植被特征和土壤类型推算地表反照率。陈建绥( 1 9 6 4 ) 1 9 1 、 陆渝蓉( 1 9 7 6 ) t 1 0 l 等根据日射站的观测资料并结合自然地理条件，研究地表反照率 的分布特征和土壤类型推算地表反照率。 近年来，随着遥感科学的发展，利用遥感的方法反演地表反照率的优势凸显， 因而利用遥感的手段对地表反照率进行反演的方法得到较多应用。如钟强 0 9 8 8 ) 1 1 j 、吴艾笙( 1 9 9 2 ) i 记1 等人利用气象卫星资料，应用回归方法计算了青藏高 原地区及黑河地区的地表反照率；孙治安( 1 9 9 4 ) 1 3 l 贝0 将太阳辐射光谱分成3 个谱 区，给出平均地表反照率计算公式，反演了青藏高原地区地表反照率；陈云浩 3 通过对研究区下垫面类型进行分类，然后针对不同下垫面类型分别建立相应的 地表反照率计算方法对我国西北地表反照率进行了计算：张琼1 1 4 1 等利用多年平均 n c e p pn c a r 再分析辐射资料估算了全球尺度的月平均地表反照率，较好的 反映出不同下垫面反照率的季节变化趋势；杨华等( 2 0 0 2 ) 1 5 】发展新几何光学核 l i t r a n s i t 核驱动b r d f 模型反演地表反照率；徐兴奎( 2 0 0 2 ) 6 等通过统计和双向 反射模型，应用n o a a a v h i 状数据并结合地理信息系统，反演计算了中国月平 均反照率的分布；邓孺孺2 ( 2 0 0 3 ) 为获得较高反演精度，采取像元组份分解方法 将像元对应地物分解为土壤、植被、水分、水体、雪被等基本组份，再根据光谱 组合模型和组份含量反演青藏高原地表反照率和冷热源参数；刘三超( 2 0 0 3 ) ( j 用t m 影像和d e m 数据在大气纠正和地形纠正的基础上反演了黑河流域的地表 】 反射率和反照率；王开存等( 2 0 0 4 ) 【1 7 l 利用m o d i sb r d f a l b e d o 产品( m o d 4 3 b ) 结合地表海拔高度和地表覆盖类型资料进行中国地区晴空地表短波反照率反演 及其特征分析；秦军等( 2 0 0 5 ) t 1 8 1 引入集合卡尔曼滤波( e n k f ) 来反演核驱动模型得 到反照率。 1 1 2 国外研究现状 国外进行了大量关于反照率的研究，k r i e b l e ( 1 9 7 9 ) 1 1 9 1 用8 个通道的光谱 扫描仪计算了4 种类型地表的短波总反照率( 大草原、沼泽、牧草地和针叶林) ， k i m e s 和s e l l e r s ( 1 9 8 5 ) 1 2 0 l 用光谱仪的多角度观测数据计算了数种裸地、草冠层、 行作物冠层的半球光谱反射率；i r o n s 等( 19 8 7 ) p l l 用w a l t h a l l 提出的公式和裸土、 大豆、人工草地的地面和航空的成像光谱仪数据对这几种地表的半球反射率进行 了估算i r o n s 等还对k i m e s 的方法进行了扩展，用在0 4 2 4 u m 范围内的7 个波 段的积分来计算反照率，并用此方法对草地反照率的日变化和季变化进行了研 究。在较早期的研究中多是通过分类把地物分成几类，根据先验知识确定各类地 物在各波段的权重，然后用于反照率的计算，如b r e s t 和g o w a r d ( 1 9 8 6 ) 1 2 2 1 等人利 用大气顶太阳光谱分布的权重系数计算行星反照率，根据地表反射物理模型建立 计算地表反照率的经验公式。i r o n s ( 1 9 8 8 ) 1 2 3 1 等，将短波波段( o 3 0 3 o u m ) 分成l o 段，各段以该段的入射能量的倒数为权重，对各段的反射率因子与入射反射能量 比之积进行加权。这个方法能很好的反应地物反射波谱在整个波长范围内的变化 特征，因而被普遍接受。美国波士顿大学和n a s a 联合负责开发m o d i s b r d f a l b e d o 产品( m o d 4 3 b ) ，利用半经验的核驱动双向反射率模型和多时相、 多光谱数据生成每隔1 6 天l k m 数据集，向全球免费发放【2 4 1 。上述反照率反映的 是一段时期内的平均状态，梁顺林针对m o d i s 联合辐射传输模拟( 物理) 和非 线性回归( 统计) 发展了利用t o a 反射率直接得到宽波段反照率的算法，同时 也避免了分步骤累积引入的误差。 1 3 地表反照率的反演 1 3 1 植被二向性反射模型 二向性反射是自然界中物体表面的基本宏观现象，到目前为止，建立起来的 理论模型有数百种之多，因计算b r d f 的角度不同而形成了不同的流派，大体上 4 分为经验统计模型、物理模型和半经验模型； 1 ) 统计模型 统计模型又称为“经验模型”，典型的有w a l t h a l l 模型( w a l t h a l le ta l ，1 9 8 5 ) 其 改进形式( n i l s o na n dk u u s k ，1 9 8 9 ) i 2 s 。统计模型遥感发展的初期，由于条件限制， 地面反射光谱与植被冠层参数之间的对应关系是通过光谱变换来实现的。经验统 计方法通过直接建立地表参量与遥感信号之间的统计关系来对参量进行估算，不 能提供对地表定量的描述，参数的求解需大量的数据的运算。此外，经验关系往 往是建立在遥感测量与对待反演参数地面观测的基础上，经验关系的有效性受到 遥感和地面观测条件的限制，不同时间不同地点的外部环境因素的变化会对观测 结果产生不确定的影响，对其验证也需要收集尽可能多的地面数据，严格来说一 种经验关系只对建立该关系的特定地区、特定时间适用1 2 6 。 2 ) 物理模型 物理模型从电磁辐射和地表之间的物理作用机制出发，其模型的参数设置具 有明确的物理含义，得到了全面深入的研究，是目前二向反射率反演研究的重点。 物理模型又分为辐射传输模型、几何光学模型和计算机模拟模型。 1 辐射传输模型 辐射传输模型的理论基础和核心是辐射传输方程，它把植被冠层近似分解为 无限大的水平均匀的薄层，通过引入光学路径和散射相函数的概念来求解辐射传 输方程。推算辐射与冠层相互作用，由此解释辐射在冠层中的传输机制，并进而 得到冠层及下垫面对入射辐射的吸收、投射和反射的方向、分布和光谱特性。辐 射传输模型的优点在于，能考虑多次散射作用，对均匀植被尤其在红外和微波波 段较重要；缺点是复杂的三维空间微分方程即使对均匀植被，通常也只能得到数 值解，很难建立起植被结构与b r d f 之间明晰的解析表达式。典型的r t 模型有 s u i t s ( 19 7 2 ) 、h a p k e ( 1 9 81 ) 、s a i l ( v e r h o e f ，19 8 4 ) 、n i l s o n k u u s k ( 19 8 9 ) 2 5 、 p r o s p e c t ( j a c q u e m o n d ，1 9 9 0 ) 等模型。其中s a i l 模型较好的反映了水平均匀 植被的叶面积指数( l a i ) 与叶倾角分布( l a d ) 对b r d f 变化趋势的影响，但它没 有考虑“热点 效应和镜面反射的影响。n i l s o n - k u u s k 模型通过考虑群体“热点 效应和镜面反射的影响使辐射传输方程进一步完善。他们把群体的b r d f 分为植 冠的一次散射、土壤的一次散射、群体和土壤的多次散射三部分，分别进行计算 5 “。d j u p p 2 7 】将几何光学模型中的相互遮阴概念引入辐射传输模型，进而讨论了 连续植被热点效应的规律问题。b a c h 2 8 】等对s a i l 模型进行了改进，提出了 g c o s a i l 模型。刘强、陈良富【2 9 l 等在可见光波段的冠层模型s a i l 中添加热发射 项，将其改造成热红外波段模型，因其在计算多次散射方面有优势。 2 几何光学模型 几何光学模型把几何光学理论与模型引入到植被的b r d f 研究中，它主要考 虑地物的宏观几何结构，把地面目标假定为具有已知几何形状和光学性质、按一 定方式排列的几何体，通过分析这些几何体对光线的截获和遮阴及地表面的反射 来确定植冠的方向反射。该模型基于“景合成模型 ，引入光照植被、阴影植被、 光照地面和阴影地面4 个分量的概念，根据这4 个参数在不同光照和观测条件下 的几何光学关系建立二向反射分布模型。几何光学模型适于森林等不连续植被冠 层的反射状况。缺点是为考虑多次散射作用的影响，也不考虑植被土壤系统的 非朗伯辐射特性，以及对群体结构假设的局限性等，时期计算精度受到影响。其 中具有代表性的模型为李小文提出的l i s t r a h l e r ( 1 9 8 5 3 们，1 9 8 6 3 1 ) 几何模型。 李小文等进一步提出了考虑树冠相互遮阴效应的g o m s 3 2 j 模型，使之成为几何 光学模型中最具代表性的模型。 3 计算机模拟模型 计算机模拟模型相比辐射传输模型和几何光学模型可以更灵活、更详细、更 真是的处理非均匀群体问题。于是计算机模拟模型开始了从纯蒙特卡洛法向“结 构真实模型 的发展。蒙特卡洛法是在为所研究的物理过程构造一些概率模型的 基础上进行随机模拟和统计试验，通过估算这些模型的近似解的数值方法；典型 的模型有s m i t h - o l i v e r 和r o s s m a r s h a k 模型。“真实结构模型”可以看成两大部 分组成，一是逼真植被结构的产生；二是模拟光与植被的相互作用；代表模型为 g o e l 的d i a n a ( g o e l ，1 9 9 2 ) t 3 3 1 。计算机模拟模型可以在一定程度上作为验证其 他模型的工具，但在目前还很难应用于实际的反演。 3 ) 半经验模型 半经验模型抓住了影响b r d f 的主要因子，广泛应用于批量处理数据的算法 中，其代表a m b r a l s 线性核驱动模型有一定物理意义的核的线性组合来模拟地表 的二向性反射特征。 6 r ( o ，y ，缈) = 厶+ 厶( p ，y ，缈) + 厶k ( p ，y ，咖 公式( i - i ) 其中r 为二向反射率， 为几何光学核，k 为体散射核，都是光线入射角和 观察角的函数，p 是太阳天项角，i ，是观测天顶角，缈表示相对方位角。厶、厶 和厶则是常系数，分别表示各向均匀散射、几何光学散射、体散射这三部分在 像元二向反射中所占比例。半经验模型具有定性的物理含义，只有是三个待反演 的参数，操作起来较为容易，它在充分考虑反射率角度的变化下又不失其实用价 值。但是这三个参数不能提供对地表定量的描述。 综上所述，经验模型简单、适用性强，适于物理机制不清的情况。物理模型 对电磁辐射和地表之间的相互作用进行数学描述，其参数物理意义清晰明确；半 经验模型结合了统计模型和物理模型两者的优点，模型参数虽然是经验参数，但 具有一定的物理意义。 1 3 2 山地辐射传输模型 海拔高度、坡度、坡向以及周围地形遮蔽的作用，造成山区各部位接受到的 太阳辐射能量有很大的差异，由于大气对太阳辐射的削弱作用，不同海拔高度的 地区所接收的太阳辐射不同；由于地形的遮阴效应，山区阳坡和阴坡所接受的能 量有很大程度上的差异：从而，以上因素的变化会引起温度、湿度、降水等气候 条件的变化，在特定地区形成独特的山区小气候瞰1 。山地辐射模型也可分为经验 模型和物理模型两种，经验模型是基于太阳入射角与探测器接收辐射的经验关 系，其优点是简单，但出于缺少对地形造成的入射辐射变化的物理分析，阻碍了 其进一步的发展。 数字高程模型( d e m ) 的提出，为微观地域尺度辐射量的计算提供了条件。 物理模型在数字高程模型的基础上，通过对辐射源的分析建立辐射方程，通过计 算太阳直射光、天空漫射光和邻近地形的反射辐射，得到地面一点所接收的总的 有效辐射，进而结合地表的真实反射率和具体的大气条件唯一地得到探测器所接 收的有效辐射。 国内，我国学者傅抱璞( 1 9 5 8 ) 1 3 5 1 在坡面太阳辐射做出了丌创性的理论研究， 他在计算不同地形条件下辐射收支各分量时选取了东、西、南、北坡及东西走向 7 谷地包括长谷、河谷、和峡谷等和近乎圆形的山谷或搞地等各种地形。其后，翁 笃鸣、朱志辉、李占青等人发展了这一方法，并将其引入实际的太阳辐射空自j 模 拟，进行了坡面辐射的计算1 3 6 j 。何洪林【3 7 】和王开存【3 3 】也分别计算了复杂地形下 的太阳辐射，但是他们的算法都比较简单，并且没有分析地形对太阳辐射的影响。 李净1 3 9 】等利用d e m 计算山地太阳辐射的地形因子( 坡度、坡向、遮蔽度、各向 同性可见因子) ，然后计算了清空下山地太阳总辐射、直接辐射、散射辐射和周 围地形的反射辐射，并在此基础上分析了坡度、坡向对太阳辐射的影响。闻建光 【4 0 1 在计算山区地表反射率时引入二向反射分布函数因子，推导和建立普适性强的 山区光学遥感反射率计算模型，改进地表朗伯体假设的不足，解决地形效应对遥 感应用的影响。 在国外，p r o y 4 1 i s = 1 9 8 9 年估算地形对遥感数据的影响时，计算了复杂地形 下的太阳总辐射。d o z i e r 4 2 l 于1 9 9 0 年利用数字高程模型开发出模拟太阳辐射的 地形参数的快速算法，使太阳辐射的模拟精度更高，空间性更强。d u b a y a h | 4 3 j 于 1 9 9 5 年计算了基于g i s 的复杂地形的太阳辐射，在利用数字高程模型和卫星资 料计算地表短波净辐射和反照率的研究中，地表入射太阳辐射的计算都是关键问 题，尤其是利用高分辨率的卫星资料时必须考虑地形的影响。d u g u a y 4 4 l 利用 l a n d s a t 5t m 在估算山区的地表反照率时计算了太阳辐照度；d u g u a y 4 5 l 利用 l a n d s a t - 5t m 和数字高程数据资料计算了f i f e 实验区的地表太阳净辐射。 g r a t t o n l 4 6 1 等利用l a n d s a t 5t m 和数字高程数据资料计算了加拿大冰川地区的短 波净辐射。w a n g t 4 7 】等利用中分辨率的卫星数据估算了青藏高原的地表太阳辐射。 除此之外，还有一些以纠正地形影响太阳直射辐射为主的一些模型，如比值模型 【4 8 1 、m i n n a e r t 4 9 】模型、余弦纠正模型【5 0 1 、s c s ( 太阳冠层传感器， s u n c a n o p y s e n s o r ) 5 1 l 模型、j o h n 5 2 1 模型以及多种c 纠j 下模型【5 3 1 。 1 3 3 面i 晦的问题 当前，定量遥感面临的基本问题包括：l 、方向性问题；2 、尺度效应与尺度 转换；3 、反演策略的方法；4 、遥感模型与应用模型的链接1 5 4 1 。地表反照率是最 为重要的基本地学参数之一，其遥感反演也存在着类似的问题。 l 、卫星遥感传感器一般采取垂直对地观测的方式获取地表二维的面状信息， 8 并假设地表为理想的朗伯体，即假设地表对电磁波的反射作用是各向同性的。但 事实上地球表面并非理想的朗伯体，地表和电磁波之间的作用具有明显的方向 性。反照率是地表在半球空间内反射的短波总能量与入射总能量之比。因为绝大 部分地物在不同的入射光角度和观测角度下其反射率不同，且不同地物的二向反 射性质也有所差异。k i m e s 的研究认为朗伯表面的假设会在反照率的计算中引起 最高可达4 5 的误差，而随着观测天顶角从0 0 一8 0 0 之间变化，观测到的作物表 面的亮度温度可以产生1 3 0 c 变化2 0 。因此必须解决地表覆盖类型及各覆盖类型 的二向反射模型问题。 2 、由于受卫星分辨率的影响，混合象元的现象普遍存在，一般情况下很难 获得纯净象元，遥感反演地表反照率时难以确定地物的反照率，混合象元信息分 解是解决问题的一个重要思路。获得地物组份组成结构后就可以根据已知地物类 型的反照率来反演地表反照率。 3 、山区地形因素对地表接收的太阳辐射有很大影响，地表接收的辐射主要 包括太阳直射辐射和天空光散射辐射两部分，由于地形的影响，地表接收的太阳 辐射可能有以下变化：l 、阴坡由于地形的遮挡作用无法接收来自太阳的直接辐 射；2 、天空光的入射角度不再是一个完整的半球空间，天空光的辐射将会变小； 3 、周围地形的反射光会增加地表的入射能量，尤其是在像雪被等高反射率地区， 这部分能量不能忽略。这使得山区地物反射变得非常复杂。因此，地表反照率的 精确反演必须建立不同地形条件下的山地辐射传输模型2 。 1 4 研究技术路线 1 4 1 技术路线 由于地表反照率为地物在半球空间内的反射率的积分，而卫星获取的数据只 是一个方向上的地物反射率，这样就无法直接从卫星影像上直接反演得到实际地 物反照率；要获得地物反照率的另外一个思路就是已知地表地物组成，而不同地 物的反照率又可以在通过地面实际测量获得，这样就避免了要直接从遥感影像获 取地表反照率时所面临的非朗伯体问题。 因此，本文通过建立遥感信息模型分解混合象元，获取地表地物组份的组成 9 结构，然后再分别求取各地物组份的反照率，进而合并得到地表反照率。然后利 用模型分解的结果计算出地表植被覆盖度，结合实地情况分析植被覆盖率对地表 反照率的影响。 图1 1 反照率反演流程 本文选取的研究资料为2 0 0 0 年覆盖广州地区的t m 影像数据( 条带号为 1 2 2 - 4 4 ) 进行研究，采用的是1 ：2 5 万的地形图。 1 4 2 本文主要内容 在下面各章将仔细介绍研究步骤，在第二章介绍像元信息分解模型，对获取 的卫星遥感数据进行预处理获取真实的地表反射率，结合实际情况，建立合理的 像元信息分解模型获取地表组份组成结构；第三章介绍地表反照率的反演，由地 表像元组份出发，利用太阳光谱能量分布进行积分，精确反演地表反照率；第四 章计地表植被覆盖率，并分析了其与地表反照率之间的关系。第五章介绍地表冷 热源的概念，由于地表能量的输入输出和地表所处的纬度和高程有关，在之前所 得地表反照率的基础上，结合d e m 数据和地理位置信息计算地表净辐射，进而 计算得出地表冷热源的分布。 l o 第二章混合像元信息分解 2 1 混合像元 通过卫星获取的遥感影像中的像元很少是由单一均与地物构成的，一般都是 由几种不同地物组合而成的，因此影像总像元的光谱特征并不是单一地物的光谱 特征，而是几种地物光谱特征的混合反映1 5 5 1 位于多类地物交界处的像元，或多 类纹理区域内的像元，由于地物散射等因素的影响，一个像元往往包含有多类地 面目标的信息，因此影像总像元的光谱特征并不是单一地物的光谱特征，这就是 遥感影像中混合像元的问题。混合像元问题是遥感技术向定量化深入发展的障 碍，限制了遥感技术在众多领域中的应用。如果每一混合像元能被分解而且它的 覆盖类型组份占像元的百分含量能够求得，分类将更精确，这一处理过程称之为 混合像元分解。混合像元信息分解也成为遥感应用研究的难点和热点问题。 2 2 混合像元信息分解模型 分解像元的途径是通过建立光谱的混合模拟模型闱。通常，模型是这样建立 的：像元的反射率可以表示为端元组份的光谱特征和它们的面积百分比的函数； 在某些情况下，表示为端元组份的光谱特征和其他的地面参数的函数。多年来国 内外学者们探索遥感光谱成像机理，模拟光谱的混合过程，研究和发展了多种混 合光谱分解方法，提出了不同的光谱混合模型。c h a r l e si c h o k u ( 1 9 9 6 ) i 1 将像元混 合模型归结为五种类型：线性模型、概率模型、几何光学模型、随机几何模型和 模糊分析模型。其中最受欢迎且使用最多的一种是线性分解模型。 2 2 1 线性模型 在线性混合模型中，每一光谱波段中单一像元的反射率表示为它的端元组份 特征反射率与它们各自丰度的线性组合，其丰度为端元面积比例。 如= 无+ 七= l 公式( 2 1 ) ，= 式中：置。为第五波段第i 像元的光谱反射率( 可【三l 从罔像凄取的反射率) ； ， 为对应于j 像元的第k 个鐾本组份的比例( 待求的最终分解结果) ；g 。为第k 个 基本组份在第z 波段的光谱反射率，它是影响模型结果精度的关键因素钆为 残余误差值。一为基本组份的数目埘为可用波段数波段数，波段数要大于h ( ”m + 1 ) ，以便利用最小二乘法求解。模型计算的结果表现为各端元的分量 值和以均方根误差表示的残余误差图像。 r m s ：窆) ： r 公式( 2 3 ) 线性光谱混合模型图示如下： 2 2 2 概率模型 ：器；翟n 图2 - 1 线性光谱混合模型罔示 模型以概率统计方法为基础如最大似然往等，基于统计特征分析计算方差 一协方羞矩阵等统计值，以及利用简单的马氏距离柬判定端元的比例。概率模型 的一个典型足由m a r s h 等人( 1 9 8 0 ) i ”i 提出的近似最大似然法。利用线性判别分析 和端元光谱产生一个判别值，根据判别值的范围将像元分为不同的类别。该模型 只适用于两种地物的混合条件下使用。 假设地表只有两种端元构成，分别为x 、y ，町以用以f 公式来表示其中的 一个端元组份在混合像，l 中所占的面积比例： m 一一一一 只，= 0 5 + 0 5 d ( m , x ) - d ( ，m , y ) 公式( 2 - 4 ) ， a ( x ，y ) d ( 肌，x ) = ( 朋一x ) 7 ( x ) 一1 ( 坍一x ) 公式( 2 - 5 ) 其中，d ( m ，x ) 、d ( m ，y ) 、d ( x ，y ) 分别表示混合像元朋及x 、】，平均齐次分量 问的马氏距离；其中x 为x 在各波段的协方差矩阵。当计算出来的值小于。时，弓 设为o ；当计算出来的值大于1 时，e 设为l ；这样，根据判断，就可以把混合像元 归类为端元组份x 或】，。 2 2 3 几何光学模型 几何光学模型适用于冠状植被地区，该模型把地面看成由树及其投射的阴影 组成。从而地面可以分成4 种端元：光照植被面( c ) 、阴影植被面( t ) 、光照背 景面( g ) 、阴影背景面( z ) 。像元的反射率可以表示为： 天= ( 4 咫+ 4 墨+ 如如+ 4 恐) a 公式( 2 - 6 ) 其中足，辟，如，也代表四种端元的反射率，4 ，4 ，如，4 表示像 元内端元所占的面积，a 为该像元的面积。各端元所占的面积是地面表面形状的 函数，而地面表面形状取决于树冠的形状和尺寸、高度、密度，地面坡度，太阳 入射方向以及观测方向。 2 2 4 随机几何模型 它与几何光学模型相似，是几何模型的特例。像元反射率同样表示为四种状 态的面积权重的线性组合。 天( 五，工) = z ( x ) r ( 五，x ) 公式( 2 - 7 ) f 其中，x 为像元中心位置的坐标，2 为波长。r ( 名，x ) 是第i 类组份的百分比。 i = 1 ，2 ，3 ，4 ，分别代表光照植被面( c ) 、阴影植被面( t ) 、光照背景面( g ) 、 阴影背景面( z ) 四种状态，同时要满足z ( x ) = 1 ，随机几何模型把大多数主 ， 要的土壤和植被参数当成随机变量处理，这样便于消除一些次要参数空间波动引 起的地面差异性影响。 2 2 5 模糊分析模型 模糊模型建立在模糊集合理论的基础上，和分类概念不同，一个像元不是确 定地分到某一类别中，而是同时和多于一个的类相联系。该像元属于哪一类表示 为o 1 间的一个数值。基本原理是将各种地物类别看成模糊集合，像元为模糊集 合的元素，每个像元均与一组隶属度值相对应，隶属度也就代表了像元中所含此 种地物类别的面积百分比。先选择样本像元，根据样本像元计算各种地物类别的 模糊均值矢量和模糊协方差距阵。每种地物的模糊均值矢量：为： 模糊协方差矩阵y 为： - - c z i o ( x a i x ； 以= _ 百一 公式( 2 - 8 ) z ( 置) z ( z ) ( 置一) ( 置- d ) 7 罗= d - 一 公式( 2 9 ) 厶一f n z ( 置) 上两式中：疗为样本像元总数：无( z ) 为f 个样本属于c 类地物的隶属度；c 为地物类别；z 为样本像元矢量值( 1 f 疗) 。 和：确定后，对每一像元进行模糊监督分类，求算每种地物在其类所 占面积百分比。用和：代替最大似然分类中的均值矢量和协方差矩阵，求 算属于c 类别的隶属度函数： 正( x ) ：盟 公式(