遙感概論-秦其明-第八章定量遙感基礎(chǔ)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第八章 定量遙感    模型是解決問題的工具。在利用遙感技術(shù)解決問題時我們通常需要建立模型，模型是聯(lián)系遙感可測參數(shù)（輻射強度、偏振、相位）與實際應(yīng)用中所需參數(shù)的紐帶和橋梁。本章的學(xué)習(xí)重點就是建立遙感模型的一般方法。    本章重點是掌握定量遙感建模方法。 第一節(jié) 定量遙感概述    定量遙感是當前遙感發(fā)展的前沿。它利用遙感器獲取的地表地物的電磁波信息，在計算機系統(tǒng)支持下，通過數(shù)學(xué)的或物理的模型將遙感信息與觀測地表目標參量聯(lián)系起來，定量地反演或推算出某些地學(xué)、生物學(xué)及大氣等目標參量

2、或地物定量信息。 8.1.1 可見光、近紅外波段定量遙感     遙感的基本過程可以看作是電磁波與大氣相互作用過程以及電磁波與地表的相互作用過程的疊加。在這個過程中：    電磁波與大氣相互作用形成大氣效應(yīng)。大氣效應(yīng)是電磁輻射在太陽-目標物-傳感器系統(tǒng)的傳輸過程中受到大氣分子、水氣、氣溶膠和塵粒等散射、吸收和折射等影響。通過大氣糾正可以基本消除大氣效應(yīng)對遙感影象的影響。    定量遙感需要考慮地表非朗伯體特性。大多數(shù)情況下的地面物質(zhì)都不是均一的朗伯體，朗伯體的假設(shè)給定量遙感計算帶來很大的誤差?？梢杂玫乇淼?/p>

3、二向反射率分布函數(shù)（BRDF）來描述地表的非朗伯體特性，減少定量遙感計算造成的誤差。8.1.2 熱紅外波段的定量遙感     熱紅外波段遙感測量的對象是地表物質(zhì)的熱輻射。在熱學(xué)中，溫度是物質(zhì)分子熱運動平均動能的量度，描述了物質(zhì)內(nèi)部分子熱運動的劇烈程度。物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子的 運動導(dǎo)致了物質(zhì)向外發(fā)射電磁波，即熱輻射。地球環(huán)境的代表性溫度為300K，它對應(yīng)的接近10m，正接近熱紅外大氣窗口區(qū)，因此，可以利用熱紅外遙感器 獲取地表的熱輻射狀況。    熱紅外遙感獲得的亮度溫度。對于地球表面真實物體（絕大多數(shù)為非黑體）而言，由于其輻射亮度受自身比

4、輻射率的影響，所以比輻射率是聯(lián)系亮溫與真實溫度的橋梁。 8.1.3 主動微波遙感基礎(chǔ)     合成孔徑雷達（SAR）二維成像過程是通過安裝在運動平臺上的雷達天線不斷地發(fā)射脈沖信號,接受它們在地面的回波信號,經(jīng)信號的成像處理形成二維SAR影像,影像中的每一像素的幅度只與目標的后向散射系數(shù)有關(guān)。    隨著應(yīng)用的需要，不僅希望得到SAR照射場景的二維信息，而且希望能得到該區(qū)域的高度信息。獲取地表形態(tài)垂直變化的遙感測量傳感器主要有干涉雷達，即干涉測量合成孔徑雷達。第二節(jié) 定量遙感主要研究內(nèi)容8.2.1遙感器定標  

5、60; 遙感器定標是指建立遙感器每個探測元件所輸出信號的數(shù)值量化值與該探測器對應(yīng)像元內(nèi)的實際地物輻射亮度值之間的定量關(guān)系。    由于衛(wèi)星運行時所獲取的遙感信息受到諸多因素影響，如遙感器系統(tǒng)的畸變、大氣傳播的干擾、地形影響等都會造成遙感器采集到的輻射能量與目標地物實際的輻射 能量之間存在較大偏差，因此需要遙感器定標。遙感器定標是遙感數(shù)據(jù)定量化處理中的最基本環(huán)節(jié)，遙感器的定標精度直接影響到遙感數(shù)據(jù)的可靠性和精度。遙感器 定標包括實驗室定標、星上內(nèi)定標和場地外定標三部分內(nèi)容。    8.2.1.1 遙感器實驗室定標 是指對比分析與研究空中

6、遙感器接收到的電磁波能量信號與地物光譜儀接收到的電磁波能量信號的定量關(guān)系，以及電磁波能量信號與地物的物理特性的關(guān)系，以便對 獲取的空中遙感器信號進行糾正。遙感器實驗室定標主要包括光譜定標與輻射定標兩大部分。光譜定標是測量遙感器隨入射輻射波長變化的響應(yīng)。 輻射定標用以確定遙感器入瞳處的準確輻射數(shù)值。     8.2.1.2 遙感器星上內(nèi)定標 衛(wèi)星發(fā)射后，探測探測器元件老化或者工作溫度變化都會影響到遙感器的響應(yīng)，因此需要遙感器星上內(nèi)定標。星上內(nèi)定標主要是絕對輻射定標，在可見光和反射紅外 區(qū)采用電光源（燈定標）和太陽光（太陽定標）作為高溫的標準輻射源，在熱紅外區(qū)采用衛(wèi)星

7、上的標準黑體（黑體定標）作為高溫的標準輻射源，以宇宙空間作為低 溫標準輻射源。    8.2.1.3 遙感器場地外定標    是在遙感器飛越輻射定標場上空時，在定標揚選擇若干像元區(qū)，測量遙感器對應(yīng)的各波段地物的光譜反射率和大氣光譜參量，并利用大氣輻射傳輸模型給出遙感器入 瞳處各光譜帶的輻射亮度，最后確定它與遙感器對應(yīng)輸出的數(shù)字量化的數(shù)量關(guān)系，求解定標系數(shù)，并進行誤差分析。    通過地面輻射場地外定標對于提高輻射定標精度具有重要意義，這因為場地外定標方法可以實現(xiàn)全孔徑、全視場、全動態(tài)范圍的定標，并考慮到大

8、氣傳輸和環(huán)境的影響。該定標方法可以實現(xiàn)在遙感器運行狀態(tài)下與獲取地面圖像完全相同條件下的絕對訂正。 8.2.2 大氣校正    大氣校正是消除遙感圖像在大氣傳輸中所引起質(zhì)量退化的一種圖像處理方法。    由于遙感器在空中獲取地表信息過程中，受到大氣分子、氣溶膠和云粒子等大氣成份的吸收與散射的影響，以及大氣中水汽和氣溶膠含量具有很大的時空變化特性， 其結(jié)果是目標反射輻射能量被衰減，空間分布被改變，部分和目標物無關(guān)的大氣散射輻射進入遙感器視場，因此，定量遙感必須考慮大氣的影響，對于一個已經(jīng)經(jīng)過 絕對輻射標定的遙感圖像，還必須經(jīng)過大氣校正才可

9、以得到地表目標的正確信息。大氣校正包括實驗方法和理論方法兩類：     8.2.2.1大氣校正實驗方法    直方圖調(diào)整（Histogram Matching）。假設(shè)清楚目標和模糊目標反射率直方圖是一樣的，在圖像中找到清楚的目標，用清楚目標的反射率直方圖來調(diào)整模糊目標的反射率直方圖。常 用的圖像處理軟PCI，EARDAS等使用了此方法。該方法的優(yōu)點是簡單、實用；缺點包括：1）對于由具有不同反射特征的目標物組成的混合像元，以上假設(shè) 是不成立的；2）氣溶膠空間分布變化大時，此方法校正結(jié)果不一定正確。    黑

10、暗目標法(Dark Object Method)。若圖像中存在濃密植被或水體，它們在可見光（濃密植被）和紅外（水體）具有低反射，根據(jù)其在此特征波段的反射率和其他波段反射率之間的相 關(guān)關(guān)系，進行大氣校正。比如，在ETM/TM7波段（2.1um）左右水體反射率應(yīng)該為零，但由于大氣效應(yīng)往往是非零，確定此差距，用來可以移除其他波 段像元中的大氣干擾。此方法優(yōu)點是應(yīng)用方便，目前在中分辨率成像光譜儀MODIS、MERIS等數(shù)據(jù)處理中廣泛使用。缺點是圖像中沒有大范圍分布的濃密植 被或水體存在時，比如北半球冬天的圖像或沙漠的圖像，該方法無法使用。    固定目標法（Invaria

11、nt Object）。假設(shè)圖像中某像元反射率已知或“固定”，利用這些像元反射率和各波段光譜反射率之間的線性關(guān)系，可對整個圖像進行校正和均一化。如果得到衛(wèi)星同步的地面觀測反射率數(shù)據(jù)，此方法是絕對大氣校正方法。    對比減少法（Contrast Reduction）。地表反射率穩(wěn)定的區(qū)域，若不同時期獲取的衛(wèi)星信號發(fā)生變化，說明該區(qū)大氣光學(xué)特征發(fā)生了變化。這樣，變化差值可用于反演大氣氣溶膠厚度。但由于地表反射率是一般隨時間和空間變化的， 穩(wěn)定地表反射率假設(shè)限制了其廣泛實用性。    查找表法LUT(Look Up Table) 。是指利用

12、輻射傳輸模型事先計算不同大氣條件下的氣溶膠光學(xué)厚度、單次散射反照率和相函數(shù)等，形成查找表，以便在進行校正時調(diào)入使用。    8.2.2.2 大氣校正理論方法    實驗方法依賴于某種假設(shè)或?qū)崪y數(shù)據(jù)，其適用性受到了限制。對大氣地表遙感器之間的輻射傳輸過程進行模擬，可以模擬出衛(wèi)星同步的大氣參數(shù)和地表的真實反射率，常用的有MODTRAN和6S。     MODTARN（Moderate Resolution Transmission）這是由美國空軍地球物理實驗室（AFGL）開發(fā)的計算大氣透過率及輻射的軟件包。M

13、ODTRAN從LOWTRAN發(fā)展而來，它 提高了LOWTRAN的光譜分辨率。MODTRAN的基本算法包括透過率計算，多次散射處理和幾何路徑計算等。需要輸入的參數(shù)有四類：計算模式，大氣參 數(shù)，氣溶膠參數(shù)和云模式。    MODTRAN有四種計算模式：透過率，熱輻射，包括太陽或月亮的單次散射的輻射率，直射太陽輻照度計算。    用MODTRAN進行大氣糾正的一般步驟是：首先輸入反射率，運行MODTRAN得到大氣層頂（TOA）光譜輻射，解得相關(guān)參數(shù)；然后利用這些參數(shù)帶入公式進行大氣糾正。    6S描述了大氣如

14、何影響輻射在太陽地表遙感器之間的傳輸。需要輸入的參數(shù)有：幾何參數(shù)（遙感器類型、成像年月日和經(jīng)緯度；大氣中的水和臭氧濃度；氣溶 膠濃度；輻射條件、觀測波段和海拔高度；地表覆蓋類型和反射率。6S預(yù)先設(shè)置了50多種波段模型，包括MODIS，AVHRR，TM等常見傳感器的可見光 近紅外波段。   6S和MODTRAN比較：MODTRAN解決的是正問題，給出反射率，MODTRAN能計算出大氣層頂輻射；6S解決的是反問題，給出大氣層頂輻射，計 算地表的反射率。MODTRAN可以計算的波段范圍是0.20um到無窮，而6S只能計算太陽反射光譜波段（0.254.0um）的大氣傳輸參數(shù)，兩者

15、進行大氣糾正的操作也不相同，MODTRAN得到大氣傳輸參數(shù)，需要帶入傳輸公式，得到校正后的反射率；6S輸入表觀反射率，直接能得到校正后的地面反射 率。8.2.3 定量遙感模型    遙感模型是從抽取遙感專題信息的應(yīng)用需要出發(fā)，對遙感信息形成過程進行模擬、統(tǒng)計、抽象或簡化，最后用文字、數(shù)學(xué)公式或者其他的符號系統(tǒng)表達出來。定量遙感模型概括起來分為三類:     物理模型     根據(jù)物理學(xué)原理建立的模型，模型中參數(shù)具有明確的物理意義，模型通常采用數(shù)學(xué)公式描述。此類模型通常是非線性的，方程復(fù)雜、輸入?yún)?shù)多、實用

16、性較差，為了 求解通常對多個非主要因素進行忽略或假定。常見的“物理模型”有植被二向性反射的輻射傳輸模型、幾何光學(xué)模型等。    統(tǒng)計模型     又稱為“經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?，其建模思路是對一系列觀測數(shù)據(jù)作經(jīng)驗性的統(tǒng)計描述，或者進行相關(guān)分析，建立遙感參數(shù)與地面觀測數(shù)據(jù)之間的回歸方程。這類模型優(yōu)點是簡 便、適用性強，參數(shù)較少。弱點是理論基礎(chǔ)不完備，缺乏對物理機理的足夠理解和認識，代表性差，模型應(yīng)用受到區(qū)域?qū)嵱眯缘南拗啤?    半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?    綜合統(tǒng)計模型和物理模型的優(yōu)點產(chǎn)生的混合模

17、型。“半經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀苯Ｋ悸芳瓤紤]模型的定性物理含義，又采用經(jīng)驗參數(shù)建模。例如Rahman的地表二向反射模型等半經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?#160;   主要定量遙感模型介紹    輻射傳輸模型    輻射傳輸模型的理論基礎(chǔ)是輻射傳輸理論，描述光輻射和粒子（包括電子、質(zhì)子、中子等基本粒子）在介質(zhì)中傳播的規(guī)律。其核心為輻射傳輸方程，即：    幾何光學(xué)模型    幾何光學(xué)模型主要考慮地表的宏觀幾何結(jié)構(gòu)，把地表假設(shè)為具有已知幾何形狀和光學(xué)性質(zhì)，按一定方式排列的幾何體，通過分析

18、幾何體對光線的截獲和遮陰及地表面的反射來確定植冠的方向反射（趙英時等，2003）。代表性的有LiStrahler GOMS 模型ds表示地表或樹冠表面的面積元，R（s）是該面積元的的反射率，（i，s）和（r，s）分別代表ds的法矢量與入射及觀察的方向矢量夾角的余 弦，Ii（s）表示受陽光直照與否的指數(shù)，數(shù)值為1（受直照）或0，Ir（s）是ds是否直接在觀察者視場內(nèi)的指數(shù)，為1（直接可見）或0，A是視場 （FOV）在水平地面的投影。    混合模型     李小文等在1994年發(fā)展了植被BRDF幾何光學(xué)與輻射傳輸幾何模型(GORT)，

19、綜合用幾何光學(xué)模型（GO）在解釋樹冠陰影和輻射傳輸模型（RT）在解釋對此散射上各自的優(yōu)勢。GORT模型在解釋林下輻照及總反射上比較成功，但當樹冠 濃密時，有過高估計對此散射的各向同性的傾向，從而導(dǎo)致偏亮的陰影。 Ls為傳感器所接收到的輻射亮度；Lg為地表光照面所產(chǎn)生的亮度；Lc為樹冠光照面所產(chǎn)生的亮度；Lt為樹冠的陰影所產(chǎn)生的亮度；Lz為地表的陰影所產(chǎn)生的亮度；Kg,Kc,Kt,Kz 分別為地表光照面、樹冠光照面、樹冠陰影面、地表陰影面在視場內(nèi)的所占的面積比例。    計算機模擬模型    計算機模擬模型是指為研究的物理過程營造一些概

20、率模型，進行隨即模擬和統(tǒng)計試驗，通過估算這些模型的近似解的數(shù)值方法，如蒙特卡羅(Monte Carlo)方法。蒙特卡羅(Monte Carlo)方法，或稱計算機隨機模擬方法，是一種基于“隨機數(shù)”的計算方法。這一方法源于美國在第一次世界大戰(zhàn)進研制原子彈的“曼哈頓計劃”，目前被遙感信息領(lǐng)域使用。 8.2.4 尺度效應(yīng)與混合像元    遙感圖像像元所對應(yīng)的地表單元具有從小于1米到數(shù)千米的不同尺度的空間分辨率。這些不同尺度的像元，反映出的同一地表物體的信息量是不同的，其空間異質(zhì)性 程度因尺度不同而有明顯差異。在某一個尺度上觀測到的性質(zhì)，總結(jié)的定理和定律，在另一個尺度上不一

21、定有效，需要驗證與修正。     尺度效應(yīng)研究根據(jù)定量遙感反演需求確定不同的空間尺度，著重研究不同尺度信息的空間異質(zhì)性的特點，尺度變化對信息量、信息分析模型和信息處理結(jié)果的影響，并進行尺度轉(zhuǎn)換的定量描述。混合像元分解    若像元只包含了一種類型，則為純像元，像元中包括兩種或兩種以上地物類型，稱為混合像元。從理論上說，陸地表面在任一空間分辨率像元尺度上總是混合像元，為了應(yīng)用方便，人們往往把一種地物類型占絕對大比例的混合像元視為純像元。    混合像元分解，目的是求得兩種或兩種以上地物類型亞像元所占的比例。

22、常用的方法為隨即幾何模型：Ri為混合像元反射率，fi目標物在像元中的面積比例, Rik為該目標的反射率,誤差系數(shù)。8.2.5 多角度遙感    多角度遙感是指從兩個以上的觀測方向?qū)ο聣|面進行觀測，從不同的視角獲取地表物信息。單一方向的遙感只能得到地面目標一個方向的信息，缺乏足夠的信息推斷目標的時空特征，從而使定量遙感非常困難。    多角度對地觀測通過對目標進行多個方向的觀測，獲得更為詳細可靠的地表三維空間信息，可以提高地表目標物的解譯精度和參數(shù)反演的準確度。第三節(jié) 定量遙感建模與應(yīng)用     

23、   模型是解決問題的工具,在利用遙感技術(shù)解決問題時通常需要建立模型。模型是聯(lián)系遙感可測參數(shù)（輻射強度、偏振、相位）與實際應(yīng)用中所需參數(shù)的紐帶和橋梁。 8.3.1 遙感信息模型分類    8.3.1.1 正演模型 已知地表上每一類目標地物的固有波譜特性等參數(shù)和大氣各種參數(shù)，求出觀測目標區(qū)域所有目標地物的電磁波（反射）輻射強度，稱為正演建模問題，即前向建模問題。    正演建模是從遙感機理出發(fā)，用數(shù)學(xué)物理模型來描述電磁波傳播過程，揭示電磁波與地表物質(zhì)之間的相互作用規(guī)律，在此基礎(chǔ)上形成遙感信息模型  

24、0;  8.3.1.2 反演模型 已知觀測目標區(qū)域所有目標地物的電磁波（反射）輻射強度，求出不同尺度上輻射源、大氣、地表物和遙感器有關(guān)的任一參數(shù)，則稱為反演建模問題。    對反演建模進行求解，稱為反演,即從遙感測量到的現(xiàn)象推求未知的原因或參數(shù)。遙感參數(shù)反演就是利用接收到的地表地物電磁波信息，依據(jù)一定的計算模型，利用 遙感影像成像時的各種環(huán)境參數(shù)如大氣狀況、成像時間等信息計算出大氣和地表目標物的相關(guān)物理參數(shù)如溫度、葉面積指數(shù)等 8.3.2 定量遙感建模    定量遙感建模的一般步驟：    模型

25、準備     了解問題的實際背景，明確建模目的。收集和準備模型需要的各種信息，如遙感數(shù)據(jù)、非遙感資料（等值線圖、研究區(qū)各種矢量圖和說明資料等）、實測數(shù)據(jù)等，在掌握充分資料基礎(chǔ)上明了與把握原型的主要特征；    模型假設(shè)     根據(jù)建模目的和原型的主要特征，對研究的問題進行分析，設(shè)想能夠最有效地解決問題的遙感信息模型，列出模型涉及的各類參數(shù)及影響因子，確定這些因子之間的關(guān)系，區(qū)分主要因子和次要因子，對問題進行適當簡化，設(shè)定變量與參數(shù)；    模型求解   

26、  運用適當?shù)臄?shù)學(xué)工具求解，求解時要考慮解的唯一性和存在性等。在實際計算機求解過程中，要正確輸入文件名或數(shù)據(jù)表及對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。了解模型如何處理數(shù)據(jù)和完成問題求解的具體過程，以便為模型分析和檢驗作準備；    模型分析     根據(jù)求解結(jié)果分析各變量間的依賴關(guān)系或穩(wěn)定性態(tài)，分析、比較模型的可靠性和可行性；     模型形成     根據(jù)所作的假設(shè)，建立變量和參數(shù)間的數(shù)學(xué)表達式。模型形成有如下方法：    第一種是把模型影響因子之間的規(guī)律

27、用數(shù)理方法表達出來， 構(gòu)成數(shù)學(xué)模型，并求解；    第二種是數(shù)理方程與數(shù)理統(tǒng)計結(jié)合的方程；    第三種是概念分析與數(shù)理統(tǒng)計方法結(jié)合的方程，即根據(jù)經(jīng)驗將影響因子或權(quán)重進行量化，在此基礎(chǔ)上進行統(tǒng)計分析；     模型檢驗    在實驗區(qū)選擇均勻分布的參考點，利用實測數(shù)據(jù)和遙感觀測數(shù)據(jù)計算結(jié)果進行比較，對模型進行檢驗。如果模型觀測數(shù)據(jù)計算結(jié)果與實測（結(jié)果）數(shù)據(jù)之間誤差大，要重新考慮模型參數(shù)、可測參數(shù)以及模型的數(shù)學(xué)和物理結(jié)構(gòu)，也可以利用數(shù)理統(tǒng)計方法進行檢驗。  

28、  模型應(yīng)用     如果對檢驗結(jié)果滿意，那么可以按建模目的應(yīng)用該模型，在應(yīng)用模型時必須注意模型的地域?qū)嵱眯?，并根?jù)地域差異調(diào)整模型參數(shù)，以獲得正確結(jié)果。     由于實際問題的復(fù)雜性和建模過程的針對性，以上步驟可以根據(jù)實際建模要求調(diào)整。8.3.3 定量遙感建模與應(yīng)用    8.3.3.1 植被參數(shù)反演    NDVI是對地表植被狀況的簡單、有效的度量，通過兩個或多個光譜觀測通道組合得到：    式中，Rnir和Rred分別為近紅外和紅光波段的反射率。   葉面積指數(shù)LAI(Leaf Area Index)是指單位地表面面積上的單個側(cè)面的所有綠色葉面積之和。其公式如下：    公式中，R為植被與土壤混合反射率，Rv為土壤反射率 ，Rs為植被覆蓋的反射率 ，k為待定系數(shù)。    8.3.3.2反照率反演    反照率是在反射體表面半