定量遙感分析

1、定量遙感分析隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，國家的宏觀決策、資源調(diào)查、環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測等影響國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域急需數(shù)據(jù)支持，要求數(shù)據(jù)具有空間上的宏觀性，時(shí)間上的連續(xù)性和可獲取數(shù)據(jù)的全面性。而遙感技術(shù)正具備這一能力，它能夠以不同的時(shí)空尺度不斷地提供多種地表特征信息。但是與遙感衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)的能力相比，遙感數(shù)據(jù)的自動(dòng)、定量化處理乃至對遙感數(shù)據(jù)信息的理解能力與對遙感數(shù)據(jù)的有效利用卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，這也是目前制約遙感發(fā)揮作用的瓶頸問題。因此，定量遙感逐漸成為遙感發(fā)展的主要方向。一、什么是定量遙感定量遙感或稱遙感量化遙感研究，主要指從對地觀測電磁波信號中定量提取地表參數(shù)的技術(shù)和方法研究，區(qū)別于僅依靠經(jīng)驗(yàn)判讀的定性識別地

2、物的方法。它有兩重含義：遙感信息在電磁波的不同波段內(nèi)給出的地表物質(zhì)的定量的物理量和準(zhǔn)確的空間位置；從這些定量的遙感信息中，通過實(shí)驗(yàn)的或物理的模型將遙感信息與地學(xué)參量聯(lián)系起來，定量的反演或推算某些地學(xué)或生物學(xué)信息。定量遙感不僅要進(jìn)行遙感建模與各種前向模型的研究，還要進(jìn)行各種反演模型和反演策略的研究。目前在國際上，越來越多的學(xué)者們認(rèn)識到遙感科學(xué)在地學(xué)從傳統(tǒng)定點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)到不同空間范圍多尺度空間轉(zhuǎn)換和地球系統(tǒng)科學(xué)研究中的不可替代作用。而遙感科學(xué)能夠在多遠(yuǎn)數(shù)據(jù)綜合集成及地學(xué)應(yīng)用方面對地球系統(tǒng)科學(xué)研究發(fā)揮決定性作用。然而，相對快速發(fā)展的遙感技術(shù)而言，定量遙感的基礎(chǔ)研究仍嚴(yán)重不足。這對全世界遙感科學(xué)界都是一

3、個(gè)挑戰(zhàn)，對我們來說則更多的是一種跨越發(fā)展的機(jī)遇。二、遙感模型分類：統(tǒng)計(jì)模型（即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停夯陉懙乇砻孀兞亢瓦b感數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，對一系列的觀測數(shù)據(jù)做經(jīng)驗(yàn)性的統(tǒng)計(jì)描述或者進(jìn)行相關(guān)性分析，構(gòu)建遙感參數(shù)與地面觀測數(shù)據(jù)之間的線性回歸方程。優(yōu)點(diǎn)：參數(shù)少；容易建立且可以有效概括從局部區(qū)域獲取的數(shù)據(jù)，簡便，適用性強(qiáng)；缺點(diǎn)：有地域局限性，所以可移植性差；理論基礎(chǔ)不完備，缺乏對物理機(jī)理的足夠理解和認(rèn)識，參數(shù)之間缺乏邏輯關(guān)系。物理模型：其模型參數(shù)具有明確物理意義，并試圖對作用機(jī)理進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。優(yōu)點(diǎn)：精度高，可移植性強(qiáng)；缺點(diǎn)：此模型通常為非線性的，所以方程復(fù)雜，實(shí)用性較差；并且在復(fù)雜問題考慮中會產(chǎn)生大量參數(shù)，其中有

4、些參數(shù)無法獲取，從而采取近似，會產(chǎn)生誤差，而對非主要因素有過多忽略或假定也會產(chǎn)生誤差。半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停和怀錾鲜鰞煞N模型的優(yōu)點(diǎn)，回避其缺點(diǎn)?？紤]經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和物理過程，其參數(shù)往往是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，但有一定物理意義。三、定量遙感的四個(gè)研究方向：第一，在像元尺度上對基本物理定律進(jìn)行檢驗(yàn)及修正，開展尺度轉(zhuǎn)換研究，提高定量遙感精度。 第二，開展遙感與非遙感信息數(shù)據(jù)融合的模擬試驗(yàn)，探索地表時(shí)空多變要素的尺度轉(zhuǎn)換規(guī)律。第三，進(jìn)行多角度、多時(shí)相、多光譜相結(jié)合的混合像元分解和亞像元信息提取；運(yùn)用多階段的反演策略， 提高反演的精度。 第四，基礎(chǔ)研究和應(yīng)用示范相結(jié)合，估算高難度的地表時(shí)空多變要素，推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。四、定量遙感

5、反演：裝置在星體上的傳感器，它的可測參數(shù)一般為電磁波的屬性參數(shù)，也就是電磁輻射強(qiáng)度、偏振度、相位差等，而我們的目的是要從這些可測參數(shù)中獲得有關(guān)目標(biāo)的物理的、地理的、化學(xué)的、甚至生物學(xué)的狀態(tài)參數(shù)，所以在可測參數(shù)與目標(biāo)狀態(tài)參數(shù)間建立某種函數(shù)關(guān)系是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)參數(shù)反演的關(guān)鍵一步，我們稱它為建模。定量遙感的反演問題，就是根據(jù)觀測信息和前向物理模型，求解或推算描述地面實(shí)況的應(yīng)用參數(shù)(或目標(biāo)參數(shù))。困難在于應(yīng)用參數(shù)往往不是控制遙感信息的主導(dǎo)因子，或者說是非敏感參數(shù)，只能為遙感信息提供弱信號。國際上堅(jiān)持“定量遙感反演的必要條件是獨(dú)立觀測的個(gè)數(shù)大于未知數(shù)的個(gè)數(shù)” ( 簡稱“第三公設(shè)”)。地表是一個(gè)復(fù)雜的開放的巨系

6、統(tǒng)，未知的參數(shù)幾乎是無窮的，而遙感數(shù)據(jù)總是有限的，并且這幾個(gè)參數(shù)往往不包括應(yīng)用所需的時(shí)空多變要素，導(dǎo)致了定量遙感與應(yīng)用需求之間巨大的缺口。五、遙感建模的尺度問題不同的自然現(xiàn)象有不同的最佳觀測距離和尺度，并不一定是距離越近越好，觀測越細(xì)微越好，而是需要適當(dāng)?shù)木嚯x和比例尺，才能有效、完整地觀察。遙感具有多種不同的分辨率，遙感與應(yīng)用學(xué)科（如農(nóng)業(yè)、大氣、水文等）的尺度往往是有差異的，這已成為制約定量遙感發(fā)展的重要因素之一。遙感研究中一個(gè)重要的尺度問題是不同分辨率遙感圖像之間的關(guān)系。20 年前，普遍流行一個(gè)誤解， 就是：如果像元內(nèi)所有元素都是各向同性的漫反射表面，則像元一定也是漫反射表面。 由于已經(jīng)觀察

7、到大量地表像元的非漫反射特性， 所以大量研究都致力于表面元素的非漫反射特性。 當(dāng)時(shí)李小文為 D.Simonett 的研究生，用一個(gè)簡單的幾何光學(xué)模型說明了像元的非漫反射特性主要是像元尺度上地表的三維結(jié)構(gòu)決定的，從而奠定了李小文 -Strahler 集合光學(xué)模型系列的基礎(chǔ)?；ヒ自硎请姶艑W(xué)、 光學(xué)的基本假設(shè)之一， 是輻射傳輸理論的基石， 曾被當(dāng)作檢驗(yàn)遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，但受到測量接的強(qiáng)烈反對，爭論長達(dá) 20 年。李小文等人給出了像元尺度上互易原理失效的條件： 在像元尺度上，空間均勻的入照產(chǎn)生空間不均勻的反射， 且敏感兩區(qū)之間串線不對稱， 則互易原理在像元尺度上失效。李小文等人用一個(gè)簡單的幾何光學(xué)

8、模型說明上述條件，在IGARSS1999年會議上發(fā)表引起轟動(dòng)。綜上所述，遙感科學(xué)要研究的尺度問題之一是： 物理定律、 原理用在遙感像元尺度時(shí)是否需要修正、如何修正。遙感科學(xué)要研究的第二個(gè)尺度問題是尺度轉(zhuǎn)換問題， 即同一地物不同觀測尺度的參數(shù)估計(jì)結(jié)果是否要求一致、 如何提高參數(shù)故居精度。 中國學(xué)者首次提出了“直方變差圖”的概念。該方法克服了變差圖 (Variogram)的不足，通過定義圖像中駐點(diǎn)和邊界點(diǎn)分析地物的空間分布規(guī)律， 獲取地類面積隨尺度變化的關(guān)系， 進(jìn)而基于破碎度的降尺度轉(zhuǎn)化反演高分辨率地類面積。六、遙感的病態(tài)反演問題遙感數(shù)據(jù)的地學(xué)理解、 從定性到定量： 目前遙感的基礎(chǔ)理論很不成熟，缺

9、乏對遙感數(shù)據(jù)的地學(xué)理解。 定量遙感反演問題就是根據(jù)觀測信息和前向物理模型，求解或推算描述地面實(shí)況的應(yīng)用參數(shù)（或目標(biāo)參數(shù)）。而反演的困難在于應(yīng)用參數(shù)往往不是控制遙感信息的主導(dǎo)因子，或者說是非敏感參數(shù)， 只能為遙感信息提供弱信號。由于地表太復(fù)雜，而遙感信息總是有限的，所以，定量遙感本質(zhì)上是病態(tài)反演。目前國際上對遙感反演的主流仍堅(jiān)持采用高斯的最小二乘法， 堅(jiān)持“定量遙感反演的必要條件是獨(dú)立觀測的個(gè)數(shù)大于未知參數(shù)的個(gè)數(shù)” （建成“第三公設(shè)”）。李小文明確提出 “對地定量遙感本質(zhì)上是欠定問題” 的觀點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)必須綜合考慮未知參數(shù)的敏感性與不確定性，盡量把遙感獲取的寶貴信息分配給時(shí)空多變要素，而不是反復(fù)反演

10、相對穩(wěn)定、相對已知的敏感因素、在低水平上重復(fù)。我們對傳統(tǒng)的遙感反演理論的第三公設(shè)提出了挑戰(zhàn)， 提出了病態(tài)反演的主要思路：第一，先驗(yàn)知識的積累和在反演中的表達(dá)和利用； 第二，分階段目標(biāo)決策，即對數(shù)據(jù)空間和參數(shù)空間進(jìn)行多次分割。病態(tài)反演要求知識庫的支撐， 建立中國典型地物結(jié)構(gòu)波普知識庫的構(gòu)想， 就是為了病態(tài)反演。波普知識庫集波譜測量數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、遙感先驗(yàn)知識數(shù)據(jù)、遙感分析模型于一體。除了這些，數(shù)字地形模型(DTM) 和地表覆蓋類型 (LULC) ，也是知識庫里很重要的一部分。病態(tài)反演中，究竟怎么才能最簡潔地用最少的參數(shù)描述像元內(nèi)的地形特征呢？我們研究了直方圖的尺度效應(yīng)， 發(fā)現(xiàn)它很有希望是比變

11、差圖更好的地學(xué)描述工具，并建議用“直方變差圖”來描述地形或數(shù)字圖像的空間特征。另一方面，隨著分辨率的降低， 邊界混合像元的比例將逐步增加。 邊界直方圖反映的是給定灰度（高度），給定尺度上等高線的長度，這種直方圖的尺度效應(yīng)表達(dá)兼具直方圖和變差圖的優(yōu)點(diǎn)。七、海量遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為有用信息協(xié)同反演協(xié)同遙感反演研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在建立各類遙感機(jī)理模型及其地學(xué)描述中的尺度問題、參數(shù)反演理論與方法、反演結(jié)果的真實(shí)性檢驗(yàn)等方面。目前面臨的問題是： 大量的遙感數(shù)據(jù)仍未得到真正有效的利用。 出現(xiàn)這種矛盾的原因除遙感本身的原因外（遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量和專題信息提取水平） ，一個(gè)相當(dāng)重要的原因在于對遙感應(yīng)用中的一些基本理論

12、問題缺乏深入的研究， 導(dǎo)致人們對于遙感數(shù)據(jù)的認(rèn)識與理解還很不充分。 為了更好地理解電磁波與地表特征間的相互作用，國內(nèi)外學(xué)者們將經(jīng)典的數(shù)學(xué)物理理論與遙感實(shí)踐相結(jié)合， 建立了近百種不同的遙感模型。 這些模型大體可分為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型、 物理模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿N。海量空間數(shù)據(jù)與有效信息（知識）匱乏，原因在于，遙感數(shù)據(jù)與遙感信息之間缺乏地學(xué)理解和遙感成像機(jī)理深入研究，存在明顯的知識間隙。 地學(xué)從性質(zhì)上不同于經(jīng)典物理學(xué)。 定量遙感不僅需要新的物理學(xué)規(guī)律，而且需要尋找相應(yīng)的數(shù)學(xué)手段，使遙感定量表達(dá)更簡潔、明晰。八、其他方面：遙感科學(xué)的基礎(chǔ)研究尚不足，制約了遙感信息應(yīng)用。 迄今為止，遙感研究面臨兩大問題：需要實(shí)

13、現(xiàn)從定性到定量的過渡；需要多學(xué)科交叉，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究。兩大問題表現(xiàn)在三個(gè)方面：第一，對遙感精度要求越來越高，遙感數(shù)據(jù)量越來越大。第二，隨著遙感應(yīng)用范圍越來越廣， 遙感應(yīng)用對遙感本身提出了更高的要求時(shí)空多變要素。（反照率、地表溫度、葉面積指數(shù)、葉綠素含量、土壤水分含量、地表蒸發(fā)）。第三，遙感科學(xué)基礎(chǔ)研究嚴(yán)重不足，需要多學(xué)科交叉。 陳述彭先生認(rèn)為遙感科學(xué)是“一門綜合性的科學(xué)， 它借助物理學(xué)的基礎(chǔ)， 數(shù)學(xué)的方法，計(jì)算機(jī)的手段，以及地學(xué)、生物學(xué)的分析，解決對地遙感的科學(xué)理論和實(shí)際問題”。遙感信息定量化研究在遙感發(fā)展中具有牽一發(fā)而動(dòng)全局的作用， 成為遙感發(fā)展的前沿技術(shù)，具有許多生長點(diǎn)， 可以帶動(dòng)許多學(xué)科和

14、應(yīng)用各領(lǐng)域的發(fā)展。 因?yàn)檫b感信息定量化涉及到遙感儀器的設(shè)計(jì)和指導(dǎo)、 大氣的探測和大氣參數(shù)的反演， 大氣影像訂正方法好技術(shù)， 對地定位和幾何校準(zhǔn)方法和技術(shù)， 計(jì)算機(jī)圖像處理， 地表輻射和幾何校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)場設(shè)置以及各種遙感應(yīng)用模型和方法， 地學(xué)參量的反演和推算等做種學(xué)科和領(lǐng)域， 每一個(gè)環(huán)節(jié)都是很重要的， 都有各自的理論、 方法和技術(shù)，只有這些領(lǐng)域的相應(yīng)發(fā)展， 才能最終克服遙感信息定量化的任務(wù)， 才能為遙感在各領(lǐng)域的應(yīng)用中提供可靠的、高精度的定量化數(shù)據(jù)及實(shí)用的應(yīng)用模型和方法。一輩子時(shí)光在匆忙中流逝，誰都無法挽留。多少人前半生忙忙碌碌，奔波追逐，后半生回望過去，難免感嘆一生的碌碌無為，恨時(shí)光短暫，荒廢了最

15、好的光陰。人過中年，不停跟時(shí)間妥協(xié)，之所以不爭搶，處世淡然，完全是經(jīng)過世故的淬煉，達(dá)到心智的成熟。有朋友問我，怎樣寫出滋潤心靈的文字？是要查字典，引用名言，還是有什么規(guī)律？我笑著回，隨心隨意，不為難自己。你為難自己，就要刻意去效仿，你不隨心隨意就要被名利世俗困擾，自然心態(tài)會有偏差，文字也染上了俗氣?，F(xiàn)實(shí)生活中，不乏完美主義者，終日在不食人間煙火的意境中活著，虛擬不切合實(shí)際。如此，唯有活在當(dāng)下，才是真正的人生箋言。常常想，不想活在過去的人，是經(jīng)歷了太多的大起大落，不想被束縛在心靈蝸居里的人，是失去的太多，一番大徹大悟后，對視的眼神定會愈發(fā)清澈，坦然笑對人生的雨雪冰霜。對于隨波逐流的人們，難免要被

16、世俗困擾，不問過去，不畏將來又將是怎么樣的一種糾葛，無從知曉。不得不說，人是活在矛盾中的。既要簡單，又難淡然，掙扎在名利世俗中，一切身不由己，又有那樣的生活是我們自己想要的呢？人前，你笑臉相迎，帶著偽裝的面具，不敢輕易得罪人；人后，黯然傷懷，總感嘆命運(yùn)的不公平，人生的不如意；常常仰望別人的幸福，而忽視了自己，卻不知你與他所想要的幸福，都只得一二，十之八九只有在希冀中追求，不是嗎？人活一輩子，心懷夢想，蒼涼追夢，難能可貴的是執(zhí)著向前，義無反顧，最懼怕瞻前顧后，退縮不前。一生短暫如光影交錯(cuò)，有幾個(gè)人能放下牽絆，有幾個(gè)人能不難為自己，活的精彩呢！我們的一生，是匆忙的行走，誰的人生，不是時(shí)刻在被命運(yùn)捉

17、弄中前行。我想，我是無法和命運(yùn)抗衡的，卻又時(shí)刻想做真實(shí)的自己。眼下的生活是一面鏡子，對照著卑微的自己，心有萬千光芒，無法放棄的卻總是太多太多。中年，人生的分水嶺，不再有小女孩的浪漫情懷，撒嬌賣萌，穿著也越發(fā)簡單，舒適即可。年輕時(shí)可以穿緊身裙，牛仔褲，甚至小一碼的高跟鞋，不惜磨破了腳板，夾痛了腳趾，依舊笑魘如花，人前賣弄。年少時(shí)，青春做砝碼，別人的一句贊美能心頭飄飄然，走在馬路上，陌生男子的回頭率，成了青春的資本，忘乎所以。年齡越大，對身邊的一切似乎沒了熱情，爭吵，攀比，打扮，都沒了興趣。有人說，女人要愛自己，打扮的漂漂亮亮的才行，而我卻恰恰相反，正如有一天涂了口紅出門，兒子嚇了一跳，一句太庸俗

18、，再昂貴品牌的口紅你都不適合，讓我啞然失笑。原來，他寧愿喜歡素面朝天的媽媽，也不想要矯揉造作的中年婦女，我必須保持最初的簡潔，亦或簡單。居家女人雖平庸，卻總想活出真我。不喜歡的東西，學(xué)會舍棄，生活趨于安靜。每天打理家務(wù)，照顧子女，空閑的時(shí)間看看書，散散步，陪婆婆去買菜，少一些功利心，多一些平常心，生活便達(dá)到了想要的簡單。人過中年天過午，流逝的時(shí)間不會等我的。不想為難自己了，幾十年光陰里，不停做著事與愿違的選擇，極力說服自己，多替別人想想，多顧及別人的感受，卻忽視了委屈的自己。我承認(rèn)，給自己負(fù)擔(dān)，就是難為自己。不愿意放下，就是心態(tài)使然。其實(shí)，你大可不必為了別人改變自己，為自己活著，才是真理。從今

19、天起，不愿意迎合的人，選擇放手；卑鄙下流，虛情假意的損友，拒絕交往，只要隨心隨意，什么都不是難題。要明白，他們走近你的世界，只想利用你，卻從不顧及你的感受，既保持若即若離，又想無償索求，時(shí)刻為難著你，美其名曰這是一份難得的緣一輩子時(shí)光在匆忙中流逝，誰都無法挽留。多少人前半生忙忙碌碌，奔波追逐，后半生回望過去，難免感嘆一生的碌碌無為，恨時(shí)光短暫，荒廢了最好的光陰。人過中年，不停跟時(shí)間妥協(xié)，之所以不爭搶，處世淡然，完全是經(jīng)過世故的淬煉，達(dá)到心智的成熟。有朋友問我，怎樣寫出滋潤心靈的文字？是要查字典，引用名言，還是有什么規(guī)律？我笑著回，隨心隨意，不為難自己。你為難自己，就要刻意去效仿，你不隨心隨意就

20、要被名利世俗困擾，自然心態(tài)會有偏差，文字也染上了俗氣?，F(xiàn)實(shí)生活中，不乏完美主義者，終日在不食人間煙火的意境中活著，虛擬不切合實(shí)際。如此，唯有活在當(dāng)下，才是真正的人生箋言。常常想，不想活在過去的人，是經(jīng)歷了太多的大起大落，不想被束縛在心靈蝸居里的人，是失去的太多，一番大徹大悟后，對視的眼神定會愈發(fā)清澈，坦然笑對人生的雨雪冰霜。對于隨波逐流的人們，難免要被世俗困擾，不問過去，不畏將來又將是怎么樣的一種糾葛，無從知曉。不得不說，人是活在矛盾中的。既要簡單，又難淡然，掙扎在名利世俗中，一切身不由己，又有那樣的生活是我們自己想要的呢？人前，你笑臉相迎，帶著偽裝的面具，不敢輕易得罪人；人后，黯然傷懷，總感嘆命運(yùn)的不公平，人生的不如意；常常仰望別人的幸福，而忽視了自己，卻不知你與他所想要的幸福，都只得一二，十之八九只有在希冀中追求，不是嗎？人活一輩子，心懷夢想，蒼涼追夢，難能可貴的是執(zhí)著向前，義無反顧，最懼怕瞻前顧后，退縮不前。一生短暫如光影交錯(cuò)，有幾個(gè)人能放下牽絆，有幾個(gè)人能不難為自己，活的精彩呢！我們的一生，是匆忙的行走，誰的人生，不是時(shí)刻在被命運(yùn)捉弄中前行。我想，我是無法和命運(yùn)抗衡的，卻又時(shí)刻想