地表參數(shù)的多源遙感信息綜合定量反演

1、柳欽火柳欽火遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所2006.9.6報(bào)告提綱報(bào)告提綱1.地表參數(shù)遙感反演研究國內(nèi)外現(xiàn)狀地表參數(shù)遙感反演研究國內(nèi)外現(xiàn)狀2.“遙感反演系統(tǒng)遙感反演系統(tǒng)”研究進(jìn)展研究進(jìn)展3.面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)4.多星多源遙感綜合反演技術(shù)平臺(tái)多星多源遙感綜合反演技術(shù)平臺(tái)1. 地表參數(shù)遙感反演研究國內(nèi)外現(xiàn)狀對(duì)地觀測(cè)，即對(duì)地觀測(cè)，即earth observing起源于八十年代中期美國空間站對(duì)地起源于八十年代中期美國空間站對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)（觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）。）。 目前較大的衛(wèi)星計(jì)劃主要有：目前較大的衛(wèi)星計(jì)劃主要有：l美國美國EO

2、S計(jì)劃（發(fā)展為計(jì)劃（發(fā)展為ESE計(jì)劃）計(jì)劃）l歐空局的衛(wèi)星計(jì)劃歐空局的衛(wèi)星計(jì)劃Living Planet計(jì)劃計(jì)劃l全球綜合對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)全球綜合對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)GOESSl我國的氣象、海洋、資源、環(huán)境減災(zāi)、小衛(wèi)星計(jì)劃我國的氣象、海洋、資源、環(huán)境減災(zāi)、小衛(wèi)星計(jì)劃l 高分辨率對(duì)地觀測(cè)專項(xiàng)高分辨率對(duì)地觀測(cè)專項(xiàng) 目前國內(nèi)外定量遙感已經(jīng)取得很大進(jìn)展，地表參數(shù)遙感目前國內(nèi)外定量遙感已經(jīng)取得很大進(jìn)展，地表參數(shù)遙感反演產(chǎn)品與傳感器有關(guān)，很多傳感器都有自己的產(chǎn)品體系。反演產(chǎn)品與傳感器有關(guān)，很多傳感器都有自己的產(chǎn)品體系。地表參數(shù)的定量遙感反演結(jié)果展示ATSR的多年的多年SST產(chǎn)品產(chǎn)品通過ATSR海溫產(chǎn)品對(duì)EI Nino

3、的觀測(cè)地表參數(shù)的定量遙感反演結(jié)果展示地表參數(shù)的定量遙感反演結(jié)果展示地表參數(shù)的定量遙感反演結(jié)果展示地表參數(shù)的定量遙感反演結(jié)果展示MODIS 大氣產(chǎn)品大氣產(chǎn)品地表參數(shù)的定量遙感反演結(jié)果展示地表參數(shù)的定量遙感反演結(jié)果展示MODIS海洋產(chǎn)品：海面溫度與葉綠素產(chǎn)品海洋產(chǎn)品：海面溫度與葉綠素產(chǎn)品地表參數(shù)的定量遙感反演結(jié)果展地表參數(shù)的定量遙感反演結(jié)果展示示MODIS陸地產(chǎn)品：葉面積指數(shù)陸地產(chǎn)品：葉面積指數(shù)地表參數(shù)的定量遙感反演結(jié)果展地表參數(shù)的定量遙感反演結(jié)果展示示VEGETATION全球變化產(chǎn)品全球變化產(chǎn)品MISR產(chǎn)品：產(chǎn)品：LAI,FPAR,NDVI,OPTICAL DEPTH2. “遙感反演系統(tǒng)”研究進(jìn)

4、展 “遙感反演系統(tǒng)遙感反演系統(tǒng)”主要在主要在863課題課題“對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)技術(shù)”支持下，由中科院遙感所與北京師范大學(xué)聯(lián)合支持下，由中科院遙感所與北京師范大學(xué)聯(lián)合開發(fā)完成。它是以開發(fā)完成。它是以MODIS 數(shù)據(jù)為主要遙感數(shù)據(jù)源，具數(shù)據(jù)為主要遙感數(shù)據(jù)源，具有數(shù)據(jù)管理、圖像預(yù)處理以及多種參數(shù)定量反演的功有數(shù)據(jù)管理、圖像預(yù)處理以及多種參數(shù)定量反演的功能。能。 針對(duì)中國區(qū)域性特點(diǎn)針對(duì)中國區(qū)域性特點(diǎn) 多年研究的成果總結(jié)多年研究的成果總結(jié) 后期研究發(fā)展的平臺(tái)后期研究發(fā)展的平臺(tái) 滿足用戶的需求滿足用戶的需求 以以EOS/MODIS為主要遙感數(shù)據(jù)源，以為主要遙感數(shù)據(jù)源，以1公里尺度地表參數(shù)公里尺度

5、地表參數(shù)定量遙感產(chǎn)品為目標(biāo)，開發(fā)定量遙感產(chǎn)品為目標(biāo)，開發(fā)“RSIS遙感反演系統(tǒng)（遙感反演系統(tǒng)（1.0）”，2003年進(jìn)行軟件產(chǎn)權(quán)登記，在科技部年進(jìn)行軟件產(chǎn)權(quán)登記，在科技部2003年遙感軟件評(píng)測(cè)中被年遙感軟件評(píng)測(cè)中被評(píng)為評(píng)為“優(yōu)秀軟件優(yōu)秀軟件”，目前國內(nèi)用戶，目前國內(nèi)用戶40余家。功能包括：余家。功能包括：l數(shù)據(jù)管理模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)組織管理，以及數(shù)據(jù)的導(dǎo)入數(shù)據(jù)管理模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)組織管理，以及數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出。導(dǎo)出。l數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊:去云處理、輻射糾正、大氣糾正、幾何去云處理、輻射糾正、大氣糾正、幾何糾正與圖像匹配等功能。糾正與圖像匹配等功能。l大氣氣溶膠與大氣水汽含量反演模塊大氣氣

6、溶膠與大氣水汽含量反演模塊l 地表二向反射率與地表反照率反演模塊地表二向反射率與地表反照率反演模塊l 植被指數(shù)提取、葉面積指數(shù)反演模塊植被指數(shù)提取、葉面積指數(shù)反演模塊l 地表發(fā)射率與溫度反演地表發(fā)射率與溫度反演l FPAR、NPP的遙感定量估算的遙感定量估算l 地表感熱通量與地表蒸散遙感定量估算地表感熱通量與地表蒸散遙感定量估算l土地覆蓋信息綜合提取模塊土地覆蓋信息綜合提取模塊遙感反演系統(tǒng)遙感反演系統(tǒng)RSIS1.0RSIS1.0l軟件界面軟件界面幾 何 糾 正大 氣 糾 正反 照 率 反 演地 表 溫 度 反 演葉 面 積 指 數(shù) 反 演云 檢 測(cè)水 汽 反 演PA R地 表 蒸 散N PP數(shù)

7、 據(jù) 預(yù) 處 理大 氣 參 數(shù) 反 演地 表 參 數(shù) 反 演應(yīng) 用 產(chǎn) 品氣 溶 膠 反 演。 。 。 。 。 。 。 。 。薄薄云云和和云云的的邊邊緣緣 原原始始圖圖像像高高云云檢檢測(cè)測(cè)低低云云檢檢測(cè)測(cè)可可見見光光通通道道檢檢測(cè)測(cè) 最最終終檢檢測(cè)測(cè)結(jié)結(jié)果果針對(duì)高云、低云、薄云和厚云以及云的中心和邊緣地帶分別使用不同針對(duì)高云、低云、薄云和厚云以及云的中心和邊緣地帶分別使用不同的方法進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)中合理設(shè)置了基于的方法進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)中合理設(shè)置了基于MODISMODIS圖像的閾值。圖像的閾值。 使用云雪輻射差異指數(shù)解決了可見光檢測(cè)中云和雪及其它亮度較大使用云雪輻射差異指數(shù)解決了可見光檢測(cè)中云和雪及

8、其它亮度較大的地表的區(qū)分問題，以及紅外通道中低云和溫度較低的地表的區(qū)分。的地表的區(qū)分問題，以及紅外通道中低云和溫度較低的地表的區(qū)分。云檢測(cè)云檢測(cè) 系統(tǒng)能夠反演氣溶膠光學(xué)厚度與大氣水汽含量，并利用它們，使系統(tǒng)能夠反演氣溶膠光學(xué)厚度與大氣水汽含量，并利用它們，使用用6S模型進(jìn)行大氣糾正。模型進(jìn)行大氣糾正。 通過反演結(jié)果可以大致看出，通過反演結(jié)果可以大致看出，12日降雨過后，隨時(shí)間氣溶膠光學(xué)厚度逐日降雨過后，隨時(shí)間氣溶膠光學(xué)厚度逐漸增加。通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。漸增加。通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。 大氣參數(shù)反演大氣參數(shù)反演RSIS結(jié)果 NASA產(chǎn)品

9、黑半球第一波段MODIS反照率 從反演失敗像元看，從反演失敗像元看，NASA 產(chǎn)品反演結(jié)果失敗像元有產(chǎn)品反演結(jié)果失敗像元有8096個(gè)，個(gè)，占總像元數(shù)的占總像元數(shù)的4.6%，而我們的反演結(jié)果沒有失敗像元。，而我們的反演結(jié)果沒有失敗像元。 通過通過16天經(jīng)過配準(zhǔn)的天經(jīng)過配準(zhǔn)的7個(gè)通道的反射率數(shù)據(jù)以及土地覆蓋類型數(shù)個(gè)通道的反射率數(shù)據(jù)以及土地覆蓋類型數(shù)據(jù)、先驗(yàn)知識(shí)庫和核函數(shù)積分查找表，生成為據(jù)、先驗(yàn)知識(shí)庫和核函數(shù)積分查找表，生成為7通道的反射率中間通道的反射率中間產(chǎn)品和全波段反照率產(chǎn)品。產(chǎn)品和全波段反照率產(chǎn)品。 0-0.01 0.01-0.03 0.03-0.06 0.06-0.090.09-0.1

10、0.1-1.0 1.0反演失敗黑半球第一波段反照率差值圖差值直方圖地表反照率反演地表反照率反演 使用使用RSIS軟件反演的溫度（右邊）與軟件反演的溫度（右邊）與MODIS溫度產(chǎn)品（左邊）溫度產(chǎn)品（左邊）的對(duì)比，結(jié)果明顯改進(jìn)。的對(duì)比，結(jié)果明顯改進(jìn)。RSIS結(jié)果 NASA產(chǎn)品2001年9月18日地表溫度的反演地表溫度的反演差值的直方圖 針對(duì)不同的地表?xiàng)l件、大氣條件和不同的觀測(cè)角度，通過分裂針對(duì)不同的地表?xiàng)l件、大氣條件和不同的觀測(cè)角度，通過分裂窗算法實(shí)現(xiàn)地表溫度的反演。窗算法實(shí)現(xiàn)地表溫度的反演。02000400060008000100001200014000160001800020000-4-202

11、4差值（K）樣點(diǎn)數(shù) 除傳統(tǒng)的生成除傳統(tǒng)的生成NDVI、EVI以及以及SAVI，系統(tǒng)針對(duì)不同的下界面條件選擇，系統(tǒng)針對(duì)不同的下界面條件選擇不同的植被反射模型進(jìn)行葉面積指數(shù)的遙感反演。不同的植被反射模型進(jìn)行葉面積指數(shù)的遙感反演。 由右圖可知，隨著時(shí)間的推移，葉面積指數(shù)在不斷的由右圖可知，隨著時(shí)間的推移，葉面積指數(shù)在不斷的增大。同時(shí)通過驗(yàn)證，反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。增大。同時(shí)通過驗(yàn)證，反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。TM圖像（紅框?yàn)榈谌齻€(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)區(qū)域 ）8月11日8月31日9月13日混合像元反演精度72%62%73%經(jīng)TM糾正的純像元反演精度92%93%90%植被指數(shù)與葉面積指數(shù)植被指數(shù)與葉面積指數(shù)

12、除參數(shù)反演的功能，系統(tǒng)結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，能夠生成光合有效輻除參數(shù)反演的功能，系統(tǒng)結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，能夠生成光合有效輻射（射（PAR）、地表蒸散以及凈初級(jí)生產(chǎn)力（）、地表蒸散以及凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）等）等專題專題產(chǎn)品。產(chǎn)品。2003年10月18日江西干煙洲地區(qū)森林表面日累積實(shí)際蒸散量(左圖)和潛在蒸散量(右圖)。（單位：mm)2003年8月27日華北平原玉米的NPP分布圖050100150200250300350400024681012 Calculated ObservedNPP(gc/m-2day)天 數(shù)/Days in 2003NPP遙感模型估算結(jié)果和千煙洲通量塔觀測(cè)結(jié)果比較專題產(chǎn)品專題產(chǎn)品紅外

13、沙塵暴監(jiān)測(cè)(白天)28 Terra at 11:17on Apr. 28 Aqua at 12:53 on Apr. 28 紅外沙塵暴監(jiān)測(cè)紅外沙塵暴監(jiān)測(cè)(晚上晚上)Terra at 22:21 on Apr. 28 Aqua at 2:31 on Apr. 29 7月11日MODIS-1km圖像提取的棉花長勢(shì)圖7月11日MODIS-1km圖像提取的棉花旱情分布圖3. 面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)l我國農(nóng)業(yè)、林業(yè)、大氣、海洋、資源、環(huán)境等領(lǐng)域?qū)b感定量應(yīng)用的需我國農(nóng)業(yè)、林業(yè)、大氣、海洋、資源、環(huán)境等領(lǐng)域?qū)b感定量應(yīng)用的需求也越來越迫切；求也越來越迫切；l遙感逐步從定性向定量發(fā)展，而定量遙感則以地表參數(shù)的定量

14、遙感反演遙感逐步從定性向定量發(fā)展，而定量遙感則以地表參數(shù)的定量遙感反演為核心；為核心；l單一遙感傳感器總是面臨遙感信息量不足的問題，反演的定量遙感數(shù)據(jù)單一遙感傳感器總是面臨遙感信息量不足的問題，反演的定量遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度、時(shí)間頻度不能滿足應(yīng)用的需求。產(chǎn)品精度、時(shí)間頻度不能滿足應(yīng)用的需求。l目前地表參數(shù)的反演通常是單一傳感器數(shù)據(jù)多天數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)據(jù)集，但目前地表參數(shù)的反演通常是單一傳感器數(shù)據(jù)多天數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)據(jù)集，但地表信息隨時(shí)間是變化的，多天數(shù)據(jù)組合對(duì)特定目標(biāo)并不適合；多傳感地表信息隨時(shí)間是變化的，多天數(shù)據(jù)組合對(duì)特定目標(biāo)并不適合；多傳感器構(gòu)成的數(shù)據(jù)集并未真正應(yīng)用。器構(gòu)成的數(shù)據(jù)集并未真正應(yīng)用。l目前

15、國內(nèi)外的商業(yè)遙感圖像處理軟件系統(tǒng)，沒有遙感定量反演地表參數(shù)目前國內(nèi)外的商業(yè)遙感圖像處理軟件系統(tǒng)，沒有遙感定量反演地表參數(shù)的功能。的功能。我國已啟動(dòng)科技共享大平臺(tái)建設(shè)，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的共享是其重要內(nèi)容，不但我國已啟動(dòng)科技共享大平臺(tái)建設(shè)，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的共享是其重要內(nèi)容，不但數(shù)據(jù)要有效共享，更需要遙感信息資源的共享，目前缺乏數(shù)據(jù)要有效共享，更需要遙感信息資源的共享，目前缺乏綜合遙感信息定量綜合遙感信息定量處理平臺(tái)處理平臺(tái)。多星對(duì)地立體觀測(cè)體系已經(jīng)形成TerraFY-1AquaERS-1開發(fā)具有多星多源遙感數(shù)據(jù)綜合定量反演能力的軟件平臺(tái)開發(fā)具有多星多源遙感數(shù)據(jù)綜合定量反演能力的軟件平臺(tái)4.多星多源遙感綜

16、合反演技術(shù) 為克服單一遙感傳感器遙感反演難以克為克服單一遙感傳感器遙感反演難以克服的信息量不足、反演精度不能滿足要求的服的信息量不足、反演精度不能滿足要求的缺點(diǎn)，通過多星多源遙感數(shù)據(jù)構(gòu)成多角度遙缺點(diǎn)，通過多星多源遙感數(shù)據(jù)構(gòu)成多角度遙感數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵地表參數(shù)的遙感綜合定感數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵地表參數(shù)的遙感綜合定量反演，提高遙感定量反演的精度和數(shù)據(jù)產(chǎn)量反演，提高遙感定量反演的精度和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量；品的質(zhì)量；系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化前景。系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化前景。（1）多星多源遙感數(shù)據(jù)集的構(gòu)建）多星多源遙感數(shù)據(jù)集的構(gòu)建 為開展多星多源遙感綜合反演技術(shù)研究，主要選擇各種相為開展多星多源遙感綜合反演技術(shù)研

17、究，主要選擇各種相近分辨率的遙感數(shù)據(jù)源，如：近分辨率的遙感數(shù)據(jù)源，如：l風(fēng)云氣象衛(wèi)星風(fēng)云氣象衛(wèi)星l海洋衛(wèi)星海洋衛(wèi)星l資源衛(wèi)星資源衛(wèi)星l科技部小衛(wèi)星科技部小衛(wèi)星l環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星星座環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星星座 以及國際新型傳感器以及國際新型傳感器lEOS/MODISEOS/MODIS，lNOAA/AVHRR,NOAA/AVHRR,l SPOT/VEGETATION SPOT/VEGETATIONlNPOESSNPOESS、NPPNPPl EnviSat EnviSat（2）典型地物的多角度遙感信息模型庫的擴(kuò)充）典型地物的多角度遙感信息模型庫的擴(kuò)充 擴(kuò)充已有的典型地物模型庫，繼續(xù)收集擴(kuò)充已有的典型地物模型庫

18、，繼續(xù)收集土壤、典型植被（農(nóng)作物、草地、森林）等土壤、典型植被（農(nóng)作物、草地、森林）等地面目標(biāo)的多尺度二向反射（地面目標(biāo)的多尺度二向反射（BRDFBRDF）和方）和方向性輻射模型和大氣輻射傳輸模型，在對(duì)比向性輻射模型和大氣輻射傳輸模型，在對(duì)比研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適應(yīng)性分析和評(píng)級(jí)，建研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適應(yīng)性分析和評(píng)級(jí)，建立模型庫立模型庫 （3）關(guān)鍵地表參數(shù)的多星多源遙感綜合反演技術(shù)與方法）關(guān)鍵地表參數(shù)的多星多源遙感綜合反演技術(shù)與方法l地表土地覆蓋地表土地覆蓋/ /土地利用及變化監(jiān)測(cè)土地利用及變化監(jiān)測(cè)l大氣汽溶膠與大氣水汽含量大氣汽溶膠與大氣水汽含量l大氣衡量氣體大氣衡量氣體/ /污染氣體遙感反演污染氣體遙感反演:NO:NO2 2, O, O3 3, SO, SO2 2l水質(zhì)參數(shù)遙感反演：葉綠素、泥沙、黃色物質(zhì)水質(zhì)參數(shù)遙感反演：葉綠素、泥沙、黃色物質(zhì)l地表二向反射率與地表反照率地表二向反射率與地表反照率l植被指數(shù)、植被葉面積指數(shù)植被指數(shù)、植被葉面積指數(shù)l地表溫度、地表發(fā)射率地表溫度、地表發(fā)射率l土壤含水量土壤含水量l植被生物量植被生物量/ /凈初級(jí)生產(chǎn)力凈初級(jí)生產(chǎn)力l感熱通量感熱通量/ /地表蒸散地表蒸散l （4）多