分辨率成像光谱仪(MODIS)和高分辨率成像光谱仪(IRIS)(Wane&Goetz,1993:和Gupta, 1991)。携带MODIS的EOS-AM卫星已于1999年12月8日上午在加州Vandenberg空军基 地被成功地送入轨道。MODIS是EOS计划（又称Tera计划）中用于观测全球生物和物理过 程的仪器，每天可完成一次全球观测。该仪器计划搭载于EOS一AM(上午轨道)和PW(下午轨 道)系列卫星上，提供长期观测，从中人们可以获得对地球表面和大气层底部全球动力过程 的进一步认识。MODIS是一个真正多学科综合的仪器，可以对高优先级的大气（云及其相关 性质)、海洋（洋面温度和叶绿素）及地表特征（土地覆盖变化、地表温度、植被特性）进行 致的、同步观测。该仪器可望对整个地球系统，包括陆、洋、气过程间的相互作用的进 步认识做出重大贡献。MOIS仍延用传统的成像辐射计的设计思想，由横向扫描镜、光收 集器件、一组线性探测器阵列和位于4个焦平面上的光谱干涉滤色镜组成。这种光学设计 可为地学应用提供0.4一14.5μm之间的36个离散波段的图像，星下点空间分辨率可为 250m、500m或1km。M0DIS每两天可连续提供地球上任何地方的白天反射图像和白天/昼夜 的发射光谱图像。每个M0DIS仪器的设计工作寿命为5年，4个仪器期望在1999年至2006 年间发射。用于搜集供全球变化研究的14年数据集。 HRIS将有30m的空间分辨率，获取0.4一2.5μm波长范围的10m宽的192个连续光 谱段。它是AVIRIS的继承者。HIRIS将获取沿飞行方向前后+60°~-30°及横向±24的图 像。虽然它的周期为16天，但由于它的指向能力，对于一些特殊区域，其覆盖频率将会更 高。HIRIS数据将用于识别表面物质、测量小目标物的二向性反射分布函数(BBDF)及执行 小空间范围的生态学过程的详细研究。 美因的行星地球计划(MTPE)和E0S计划是全球性的，一直会延续到2014年以后(Asra1 &Greenstone,1995)。与此同时，NASA计划于2000年4月发射寿命为一年的试验卫星E0 -l,携带Hyperion(高光谱成像仪)、ALI(先进的陆地成像仪)等高光谱传感器和大气纠正 仪(Atmospheric Corrector)(见http:/eol.gsfc.nasa.gov/Technology/)。该计划将为 本世纪高光谱卫星遥感对地观测莫定基础。这些计划的最终目的是评价各种地球系统过程 包括水文过程、生物地球化学过程、大气过程及固体地球过程。成像光谱仪（星载）将成为 这些计划实施中的关键仪器。但是这种星载成像光谱仪仍会面临重大难题，如卫星的飞行 高度和速度能起从空间测量高质量光谱的困难，为精确地测量光谱、辐射值及空间位省 的定标需要新的处理方法和能力。 因此，VIRIS系统和其它航空成像光谱仪将会继续为科研和应用提供高质量的高光谱 图像数据，并用来验证第一代星载成像光谱仪的工作性能(Green等，1998)。对于现有的 航空成像光谱仪技术系统亦需要完善。例如，在传感器方面，需要改善其获取数据的性能， 提高图像数据的信噪比，增强机上实时数据处理能力：在数据分析处理方面，强调大气订 正、信息提取技术，要求发展新算法和完善已有的算法，并向构成标准化应用处理算法软 件包（工具）方向努力，特别是发展和完善那些针对高光谱海量数据和丰富光谱信息特点设 计的算法和软件，以提高高光谱数据处理效率以及分析、研究和应用水平。 §9.2多角度遥感 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）。20世
5 分辨率成像光谱仪(MODIS)和高分辨率成像光谱仪(HIRIS)(Vane ＆ Goetz，1993；和Gupta， 1991)。携带 MODIS 的 EOS—AM 卫星已于 1999 年 12 月 8 日上午在加州 Vandenberg 空军基 地被成功地送入轨道。MODIS 是 EOS 计划(又称 Terra 计划)中用于观测全球生物和物理过 程的仪器，每天可完成一次全球观测。该仪器计划搭载于 EOS—AM(上午轨道)和 PM(下午轨 道)系列卫星上，提供长期观测，从中人们可以获得对地球表面和大气层底部全球动力过程 的进一步认识。MODIS 是一个真正多学科综合的仪器，可以对高优先级的大气(云及其相关 性质)、海洋(洋面温度和叶绿素)及地表特征(土地覆盖变化、地表温度、植被特性)进行一 致的、同步观测。该仪器可望对整个地球系统，包括陆、洋、气过程间的相互作用的进一 步认识做出重大贡献。MODIS 仍延用传统的成像辐射计的设计思想，由横向扫描镜、光收 集器件、一组线性探测器阵列和位于 4 个焦平面上的光谱干涉滤色镜组成。这种光学设计 可为地学应用提供 0.4—14.5μm 之间的 36 个离散波段的图像，星下点空间分辨率可为 250m、500m 或 1km。MODIS 每两天可连续提供地球上任何地方的白天反射图像和白天/昼夜 的发射光谱图像。每个 MODIS 仪器的设计工作寿命为 5 年，4 个仪器期望在 1999 年至 2006 年间发射。用于搜集供全球变化研究的 14 年数据集。 HIRIS 将有 30m 的空间分辨率，获取 0.4—2.5μm 波长范围的 10nm 宽的 192 个连续光 谱段。它是 AVIRIS 的继承者。HIRIS 将获取沿飞行方向前后+60 ～ -30及横向24的图 像。虽然它的周期为 16 天，但由于它的指向能力，对于一些特殊区域，其覆盖频率将会更 高。HIRIS 数据将用于识别表面物质、测量小目标物的二向性反射分布函数(BBDF)及执行 小空间范围的生态学过程的详细研究。 美国的行星地球计划(MTPE)和 EOS 计划是全球性的，一直会延续到 2014 年以后(Asrar ＆Greenstone，1995)。与此同时，NASA 计划于 2000 年 4 月发射寿命为一年的试验卫星 EO —1，携带 Hyperion(高光谱成像仪)、ALI(先进的陆地成像仪)等高光谱传感器和大气纠正 仪(Atmospheric Corrector)(见 http://eol.gsfc.nasa.gov/Technology／)。该计划将为 本世纪高光谱卫星遥感对地观测奠定基础。这些计划的最终目的是评价各种地球系统过程， 包括水文过程、生物地球化学过程、大气过程及固体地球过程。成像光谱仪(星载)将成为 这些计划实施中的关键仪器。但是这种星载成像光谱仪仍会面临重大难题，如卫星的飞行 高度和速度能引起从空间测量高质量光谱的困难，为精确地测量光谱、辐射值及空间位置 的定标需要新的处理方法和能力。 因此，VIRIS 系统和其它航空成像光谱仪将会继续为科研和应用提供高质量的高光谱 图像数据，并用来验证第一代星载成像光谱仪的工作性能(Green 等，1998)。对于现有的 航空成像光谱仪技术系统亦需要完善。例如，在传感器方面，需要改善其获取数据的性能， 提高图像数据的信噪比，增强机上实时数据处理能力；在数据分析处理方面，强调大气订 正、信息提取技术，要求发展新算法和完善已有的算法，并向构成标准化应用处理算法软 件包(工具)方向努力，特别是发展和完善那些针对高光谱海量数据和丰富光谱信息特点设 计的算法和软件，以提高高光谱数据处理效率以及分析、研究和应用水平。 §9.2 多角度遥感 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）。20 世
纪70年代以来，卫星遥感主要采取垂直观测方式，以获得地表二维信息。对获取的数据则 基于地面目标漫反射的假定，作一些简单校正后，利用地面目标的光诣特性作有监督或无 监督的最大似然率分类，或经验解译。这些在遥感技术发展的初期是合理的，也取得了很 大的成功。 随着遥感技术的发展及其面临的各种新的要求，人们越来越迫切需要弄清各种地物与 光辐射之间相互作用的机理。例如，尽管卫星云图已经很直观地显示了各种气团的运动趋 势，但中、长期的天气预报准确性仍然很不令人满意。其主要原因之一就是在大气动力学 模型中，需要知道大气下垫面的反照率（影响地面和大气温度）和粗糙度（影响气流运动） 而目前的遥感手段只能提供个别方向上的反照率，把它当作半球反照率，对植被结构也只 能提供非常有限的信息。这样，天气中长期预报很难准确，气团的运动常常会突然偏离模 型预计的运动方向和速度。也就是说，通常通过遥感手段所获得的信总是以垂直反射光谱 为基调的，没有涉及太阳光入射角度及观测角度的影响因素。事实上，在遥感图象上，自 然地表的表观亮度除取决于所测地物的几何形态特征和光谱性质外，在很大程度上还与入 射光方向和观测方向有关。这两个方向的差异，明显地引起地表（冠层）反射的差别，这 种差别不仅随着标志这两个方向的双种角度的变化而变化，而且随着地表（冠层）结构要 素变化而变化。基于此，在遥感领域中，多角度遥感特别是植被双向反射的研究就异军突 起，迅速发展起来了。 9.2.1双向反射概念 二向性反射是自然界中物体表面反射的基本宏观现象，即反射不仅具有方向性，这种 方向性还依赖于入射的方向而异。双向反射函数（即只是入射方向与反射方向夹角的函数 就是用来描述地物的这种双向反射特性的。但直到20世纪70年代Nicodemus(1977)才 给出了二向性反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,,BRDF)迄今最 完善的定义，即 BF(0,,0,)=d) (9-3) dE(2. 单位为1/s(球面度)。 从这个严格定义的BRDF,可以推演出不同情况下常用的其它量，如二向反射比等等 式中0，（天顶角）和中：（方位角）确定入射方向：0，和中，描述某一反射方向：Q,Q 相应表示在反射和入射方向上的两个非常小的（微分）立体角：dE(Q)表示在一个微分面 积元dA(为叙述方便计，假定水平放置)之上，由于Q,这个微分立体角内辐照度(Q,) 的增量所致的dA上辐亮度的增量：dL(Q)则是由于增量dE(Q)引起的Q,方向上辐照度 的增量（图9-2）。 92.2双向反射模型 在地物双向反射光谱的研究中，最基础的工作是建立计算地物BRDF的数学模型，到现 在为止，己建立了近百种不同的数学模型。一般说来，模型可分为经验（统计）模型和物理 模型两种。 6
6 纪 70 年代以来，卫星遥感主要采取垂直观测方式，以获得地表二维信息。对获取的数据则 基于地面目标漫反射的假定，作一些简单校正后，利用地面目标的光谱特性作有监督或无 监督的最大似然率分类，或经验解译。这些在遥感技术发展的初期是合理的，也取得了很 大的成功。 随着遥感技术的发展及其面临的各种新的要求，人们越来越迫切需要弄清各种地物与 光辐射之间相互作用的机理。例如，尽管卫星云图已经很直观地显示了各种气团的运动趋 势，但中、长期的天气预报准确性仍然很不令人满意。其主要原因之一就是在大气动力学 模型中，需要知道大气下垫面的反照率（影响地面和大气温度）和粗糙度（影响气流运动）。 而目前的遥感手段只能提供个别方向上的反照率，把它当作半球反照率，对植被结构也只 能提供非常有限的信息。这样，天气中长期预报很难准确，气团的运动常常会突然偏离模 型预计的运动方向和速度。也就是说，通常通过遥感手段所获得的信息是以垂直反射光谱 为基调的，没有涉及太阳光入射角度及观测角度的影响因素。事实上，在遥感图象上，自 然地表的表观亮度除取决于所测地物的几何形态特征和光谱性质外，在很大程度上还与入 射光方向和观测方向有关。这两个方向的差异，明显地引起地表（冠层）反射的差别，这 种差别不仅随着标志这两个方向的双种角度的变化而变化，而且随着地表（冠层）结构要 素变化而变化。基于此，在遥感领域中，多角度遥感特别是植被双向反射的研究就异军突 起，迅速发展起来了。 9.2.1 双向反射概念 二向性反射是自然界中物体表面反射的基本宏观现象，即反射不仅具有方向性，这种 方向性还依赖于入射的方向而异。双向反射函数（即只是入射方向与反射方向夹角的函数） 就是用来描述地物的这种双向反射特性的。但直到 20 世纪 70 年代 Nicodemus（1977）才 给出了二向性反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF）迄今最 完善的定义，即 BRDF (θi ,φi, θr ,φr) = ( ) ( ) i r dE dL （9-3） 单位为 1/sr（球面度-1）。 从这个严格定义的 BRDF，可以推演出不同情况下常用的其它量，如二向反射比等等。 式中θi（天顶角）和φi（方位角）确定入射方向；θr 和φr 描述某一反射方向；Ωr，Ωi 相应表示在反射和入射方向上的两个非常小的（微分）立体角；dE(Ωi)表示在一个微分面 积元 dA（为叙述方便计，假定水平放置）之上，由于Ωi 这个微分立体角内辐照度 L(Ωi) 的增量所引致的 dA 上辐亮度的增量；dL(Ωr)则是由于增量 dE(Ωi)引起的Ωr方向上辐照度 的增量（图 9-2）。 9.2.2 双向反射模型 在地物双向反射光谱的研究中，最基础的工作是建立计算地物 BRDF 的数学模型，到现 在为止，已建立了近百种不同的数学模型。一般说来，模型可分为经验(统计)模型和物理 模型两种
经验（统计）模型一般是描述性的，对观测到的数据作经验性的统计描述，或者进行 相关分析，形成作为半球上观测方向和入射方向天顶角、方位角经验函数的BRDF模型 (Walthall et al,.1985(土壤)：Barnsley,1993(植被))。这类模型的主要优点是简单，直观。在 地面实况不清或遥感信号产生机理过于复杂的情况下，经验（统计）模型是一种很好的工 具。但它的建立需要以大量观测方向和入射方向于不同天顶角和方位角的观测值为基础， 对于在典型地面不同角度的观测值有限的卫星遥感来说，经验（统计）模型的应用具有局 限性。另外，经验（统计）模型中的许多系数来自大量观测值的相关分析，可能随植被类 型和研究条件的不同而异，所以其通用性和适用性也有局限。 10 图9-2BRDF中的参量图示 基于物理基础建立的物理模型，通常试图找出产生地面非朗伯体特性及观测数据的原 因。这类模型是在大量的观测试验基础上以及一些合理的相关假设条件下，应用辐射传输 原理进行推理计算而建立的。所以其所需参数物理意义明确，计算时可根据己知的先验知 识给定其取值范围，设定“软边界”和“硬边界”。而且，其中一些参数独立于具体的波 段，不需要象多波段的经验（统计）模型那样必须对每个单独波段进行校正，以形成各个 波段具体的BRDF经验（统计）模型。这样，在一定程度上简化了基于物理基础的BRDF模 型。通过所建立的RDF模型，不同太阳入射角和观测角下地表的双向反射特性即可方便地 算出，相比经验（统计）模型，对其模型计算值须利用其它的观测值作进一步的分析和校 正要简单且可靠。反过来，应用反演技术，通过反射观测值可反演形成BRDF模型的物理参 数。因而，双向反射物理模型的研究是近年来人们比较关注，在遥感应用中具有巨大潜力 和广阔应用前景的研究领域
7 经验（统计）模型一般是描述性的，对观测到的数据作经验性的统计描述，或者进行 相关分析，形成作为半球上观测方向和入射方向天顶角、方位角经验函数的 BRDF 模型 (Walthall et al.,1985(土壤)；Barnsley,1993(植被)）。这类模型的主要优点是简单，直观。在 地面实况不清或遥感信号产生机理过于复杂的情况下，经验（统计）模型是一种很好的工 具。但它的建立需要以大量观测方向和入射方向于不同天顶角和方位角的观测值为基础， 对于在典型地面不同角度的观测值有限的卫星遥感来说，经验（统计）模型的应用具有局 限性。另外，经验（统计）模型中的许多系数来自大量观测值的相关分析，可能随植被类 型和研究条件的不同而异，所以其通用性和适用性也有局限。 基于物理基础建立的物理模型，通常试图找出产生地面非朗伯体特性及观测数据的原 因。这类模型是在大量的观测试验基础上以及一些合理的相关假设条件下，应用辐射传输 原理进行推理计算而建立的。所以其所需参数物理意义明确，计算时可根据已知的先验知 识给定其取值范围，设定“软边界”和“硬边界”。而且，其中一些参数独立于具体的波 段，不需要象多波段的经验（统计）模型那样必须对每个单独波段进行校正，以形成各个 波段具体的 BRDF 经验（统计）模型。这样，在一定程度上简化了基于物理基础的 BRDF 模 型。通过所建立的 BRDF 模型，不同太阳入射角和观测角下地表的双向反射特性即可方便地 算出，相比经验（统计）模型，对其模型计算值须利用其它的观测值作进一步的分析和校 正要简单且可靠。反过来，应用反演技术，通过反射观测值可反演形成 BRDF 模型的物理参 数。因而，双向反射物理模型的研究是近年来人们比较关注，在遥感应用中具有巨大潜力 和广阔应用前景的研究领域。 图 9-2 BRDF 中的参量图示 X Y Z dA O dΩr R θr dΩi I θi φr φi