第三章遙感的應(yīng)用-2016

第三章遙感的應(yīng)用內(nèi)容3.1水體遙感基礎(chǔ)3.2遙感在水體上的應(yīng)用3.3植被遙感基礎(chǔ)及應(yīng)用3.4遙感在城市中的應(yīng)用3.1水體遙感基礎(chǔ)電磁波在水體中的輻射傳輸過程影響傳感器接收到的水體光譜的因素出水輻射反射率的求算3.1水體遙感基礎(chǔ)電磁波在水體中的輻射傳輸過程3.1水體遙感基礎(chǔ)影響傳感器接收到的水體光譜的因素入射光太陽直射光天空光3.1水體遙感基礎(chǔ)影響傳感器接收到的水體光譜的因素鏡面反射光鏡面反射具一定的方向性，也稱太陽耀斑當(dāng)有風(fēng)浪時，鏡面反射會向所有方向擴散并有一部分進入傳感器。實際情況中，完全沒有浪的情況極小因水反射率極低，而鏡面反射很強，很容易接近甚至超過正常水反射率的量級，故不應(yīng)被忽略。3.1水體遙感基礎(chǔ)影響傳感器接收到的水體光譜的因素鏡面反射光鏡面反射結(jié)果使水體反射率增大使進入水中的入射輻照度減小鏡面反射特點使入射光能量（輻照度）減少各波段的反射率近相等。故反射光為白色3.1水體遙感基礎(chǔ)影響傳感器接收到的水體光譜的因素水的折射入射光在水面會發(fā)生折射折射角度與折射率有關(guān)折射定律（斯涅耳Snell定律）表征了入射角與折射角的關(guān)系：

n1sinθi=n2sinθt

其中n為折射率?？諝猓?.000292，水：1.333θiθrθt3.1水體遙感基礎(chǔ)影響傳感器接收到的水體光譜的因素水體散射光光折射到水中后，在水中傳播的過程中發(fā)生的散射散射光中，有一部分向上射出水面進入大氣被傳感器所接收。這部分光是構(gòu)成水體反射率的主要成分，常稱出水反射率散射光除了與水的性質(zhì)、水深有關(guān)外，還與水中雜質(zhì)的性質(zhì)和含量有關(guān)，即具有水質(zhì)的性質(zhì)，是水質(zhì)遙感的基礎(chǔ)清潔水的散射即水分子散射，散射性質(zhì)為瑞利散射3.1水體遙感基礎(chǔ)影響傳感器接收到的水體光譜的因素水底反射光總有一部分光穿透水體到過水底，然后又有一部分被水底反射，再向上穿過水體射向大氣，被傳感器所接收，為水底反射光這部分反射光除了與水散射、吸收性質(zhì)有關(guān)外，更取決于水深、水底質(zhì)反射率，是水深和底質(zhì)遙感的基礎(chǔ)當(dāng)水深不大時，水底反射光必須另以考慮。但當(dāng)水深較大（一般大于5米），水底反射光可以忽略3.1水體遙感基礎(chǔ)出水輻射率的求算求算步驟輻射定標大氣校正鏡面反射的消除3.1水體遙感基礎(chǔ)出水輻射率的求算鏡面反射的消除去除大氣影響后，則可獲得水的綜合反射率由于鏡面反射的影響，水面反射輻射由出水反射輻射和鏡面反射輻射兩部分組成（在水較深的情況下），相應(yīng)的反射率為出水反射率；為鏡面反射率；為水面透過率，表征水面鏡面反射對入射光的削減，由下式計算為水面各方向太陽鏡面反射率的平均，通常取0.063.1水體遙感基礎(chǔ)出水輻射率的求算鏡面反射的消除水面鏡面反射率與波長無關(guān)。對紅外波段的TM5和TM7，水為強吸收，基本為零，故，因此每個波段減去TM5計算的反射率可得到出水反射率,即3.2遙感在水體上的應(yīng)用水體富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測懸浮泥沙遙感監(jiān)測3.2遙感在水體上的應(yīng)用水體富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測當(dāng)大量的營養(yǎng)鹽進入水體后，在一定條件下會引起藻類的大量繁殖，而后在藻類死亡分解過程中消耗大量溶解氧，從而導(dǎo)致魚類和貝類的死亡。這一過程稱為水體的富營養(yǎng)化。反映水體富營養(yǎng)化程度的最主要因子是葉綠素，其中又以葉綠素-a最為突出。3.2遙感在水體上的應(yīng)用水體富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測葉綠素遙感是基于不同濃度浮游植物有著不同的輻射光譜特性。不同濃度浮游植物的光譜特征曲線在0.44m處出現(xiàn)明顯的吸收（輻射微弱）；在0.52m處出現(xiàn)“節(jié)點”。在“節(jié)點”處，該處水面反射率與葉綠素濃度關(guān)系不大。在0.55m附近，普遍出現(xiàn)輻射峰值。而且水體葉綠素濃度越高，其輻射峰值也越高。這就是葉綠素遙感的波譜基礎(chǔ)。不同葉綠素含量水面光譜曲線3.2遙感在水體上的應(yīng)用水體富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測可以通過多波段傳感器的可見光和紅外的增強彩色影像，發(fā)現(xiàn)赤潮的存在，受其影響的沿岸或港灣水域在此類影像中以鮮明的橙紅色顯示出來。對于富營養(yǎng)化信息的提取，可以通過現(xiàn)場葉綠素生物量和藍藻生物量數(shù)據(jù)采樣，并用采樣數(shù)據(jù)與特定的遙感數(shù)據(jù)反映的水體綠度指數(shù)，建立遙感回歸模型，從而可得出水體中葉綠素及生物量的空間分布信息，并計算出葉綠素及藍藻生物總量，可達到較高精度，由此發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測水體富營養(yǎng)化。3.2遙感在水體上的應(yīng)用懸浮泥沙遙感監(jiān)測由于自然因素和人類活動造成水土流失、河流侵蝕等，河流帶走了大量泥沙入湖、入海，是水中懸浮固體物質(zhì)的主要來源。這些泥沙物質(zhì)進入水體，引起水體的光譜特性的變化。水體反射率與水體混濁度之間存在著密切的相關(guān)關(guān)系。

隨著水中懸浮固體濃度的增加，即水的混濁度的增加，水體在整個可見光譜段的反射亮度增加，水體由暗變得越來越亮，同時反射峰值波長向長波方向移動，即從藍（B）→綠（G）→更長波段（0.5μm以上）移動，而且反射峰值本身形態(tài)變得更寬。3.2遙感在水體上的應(yīng)用懸浮泥沙遙感監(jiān)測圖為遙感試驗對7種不同懸浮固體濃度的水庫進行反射率測定，所得的水體反射光譜曲線與泥沙濃度的關(guān)系。圖中所示，隨著水中懸浮固體濃度的增加及泥沙粒徑的增大，水體的反射率增大，反射峰值向長波方向移動，但由于受到0.93μm、1.13μm紅外強吸收的影響，反射峰值移到0.8μm終止（可能有系統(tǒng)誤差）

水庫中不同懸浮固體濃度水體的反射率3.2遙感在水體上的應(yīng)用懸浮泥沙遙感監(jiān)測一般說來，對可見光遙感而言，波長0.58~0.68μm對不同泥沙濃度出現(xiàn)輻射峰值，即對水中泥沙反映最敏感，是遙感監(jiān)測水體混濁度的最佳波段。當(dāng)然泥沙含量的多寡具有多譜段響應(yīng)的特性。因而水中懸浮固體含量信息的提取，除用可見光紅波段數(shù)據(jù)外還多用近紅外波段數(shù)據(jù)（與紅波段數(shù)據(jù)正相反，其光譜反射率較低，且受水體懸浮固體含量的影響不大），利用兩波段的明顯差異，選用不同組合可以更好地表現(xiàn)出水中懸浮固體分布的相對等級。3.3植被遙感基礎(chǔ)及應(yīng)用3.3.1植被光學(xué)特性3.3.2植被指數(shù)3.3.1植被光學(xué)特性

葉片的成分和結(jié)構(gòu)葉片的成分主要由葉綠素組成——可見光波段的主要吸收成分其次水分——紅外波段主要吸收成分再次纖維素——反射率與土壤相似葉黃素——植物衰老期含量增加，反射率與土壤相似少量花青苷——使紫色少量蛋白質(zhì)3.3.1植被光學(xué)特性葉片的成分和結(jié)構(gòu)葉片的結(jié)構(gòu)葉片主體由許多緊密排列的（多為柱狀）小腔室組成入射光在腔壁之間發(fā)生多重反射，使可見光被葉綠素充分吸收；短波近紅外卻吸收得很少，多次反射使其向四面散去葉片上下表面具有薄層蠟質(zhì)，以葉背面較厚，導(dǎo)致其在可見光反射率略高3.3.1植被光學(xué)特性葉片的光譜曲線特征葉子各種色素細胞構(gòu)造含水量控制葉子反射率的主要因素

葉綠素吸收帶水吸收帶3.3.1植被光學(xué)特性植被結(jié)構(gòu)生物學(xué)定義：構(gòu)成一個地段的空間構(gòu)造，也可以指一個植被型或一個植物叢的空間構(gòu)造植被結(jié)構(gòu)主要成分：生長性、成層性和覆蓋度遙感定義側(cè)重于植被與光輻射的相互作用，即植物的形狀、尺寸、幾何和外部結(jié)構(gòu)3.3.1植被光學(xué)特性植被結(jié)構(gòu)單植株：外為叢生的葉，內(nèi)為枝、莖、干，特殊階段還有花、果植物群落：連續(xù)植被——植株間以相似的密度連續(xù)分布，沒有明顯的空隙不連續(xù)植被——即稀疏植被，植株間或了群落之間有明顯的空隙3.3.1植被光學(xué)特性植被結(jié)構(gòu)叢生葉子的影響植被的反射面不再是一個平面，而是由許多間斷小面組成的不連續(xù)曲面，使對入射光的反射復(fù)雜化使植物葉間發(fā)生多次散射植株、葉叢的三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致陰影的出現(xiàn)3.3.1植被光學(xué)特性植被結(jié)構(gòu)連續(xù)植被：如草地、農(nóng)作物等其密度能常用葉面積指數(shù)（LAI）來表征，LAI是植被組分的面積（單面）與其下的地表面積之比。LAI是一個植被指數(shù)，對植被生長及水分蒸發(fā)的情況及生物量關(guān)系有密切的關(guān)系，是一個重要的參數(shù)。不連續(xù)植被：如疏林地等最明顯的特點是植株間有明顯的空隙，一部分陽光?？梢圆淮┻^植被而直接到達地面，同時植株有明顯的承照面和陰影面和投影陰影。植被結(jié)構(gòu)植物葉子的形狀（用葉傾角分布LAD表示）葉片大小（用葉面積指數(shù)LAI表示）植被冠層的形狀、大?。ㄖ脖徽w形狀）植被冠層幾何與外部結(jié)構(gòu)成層現(xiàn)象（涉及多次散射）覆蓋度（涉及間隙率、陰影）3.3.1植被光學(xué)特性3.3.1植被光學(xué)特性“紅邊位移”現(xiàn)象紅邊紅光區(qū)外葉綠素吸收減少部位（約<0.7um）到近紅外高反射肩（>0.7um）之間健康植物的光譜響應(yīng)陡然增加的這一窄條帶區(qū)紅邊圖8.4植被紅邊示意圖3.3.1植被光學(xué)特性“紅邊位移”現(xiàn)象紅邊位移作物快成熟時，其葉綠素吸收邊向長波方向移動，即“紅移”其他植物也存在紅移，且紅移量隨植物類型而變化“紅移”出現(xiàn)的重要原因是植物成熟或受脅迫時葉黃素逐步代替葉綠素所致紅移可以用來評價作物間的差異以及某一特定作物成熟期的開始對于植物來說，可以作為植物受壓抑（脅迫狀態(tài)）的表現(xiàn)3.3.2植被指數(shù)植被指數(shù)的基礎(chǔ)植被在可見光、近紅外波段的反射特征的明顯差異性該反射特性與植被的覆蓋度、生長狀態(tài)等明顯相關(guān)綠色植物在可見光紅波段（0.6-0.7um）強吸收，在近紅外波段（0.7-1.1um）高反射和高透射植被指數(shù)大多基于紅光波段和近紅外波段3.3.2植被指數(shù)比值植被指數(shù)（RVI-RatioVegetationIndex）近紅外波段(NIR)與紅光波段(R)的比值DN：灰度值ρ：地表反射率比值能反映植被覆蓋度、健康程度健康的、覆蓋度高的植被RVI高，一般植被的RVI高于2，土壤近于1RVI與葉面積指數(shù)、葉干生物量、葉綠素含量相關(guān)性很高3.3.2植被指數(shù)歸一化植被指數(shù)（NDVI-NormalizedDifferenceVegetationIndex）近紅外波段(NIR)與紅光波段(R)組合運算的比值是比值植被指數(shù)（RVI）的歸一化處理3.3.2植被指數(shù)歸一化植被指數(shù)（NDVI）是植被生長狀態(tài)和植被覆蓋度的最佳指示因子可以部分消除與太陽高度角、衛(wèi)星觀測角、地形、云、陰影和大氣等的影響取值范圍在[-1,1]云、水、雪等<0巖石、裸土近于0植被>0，值越大，覆蓋度越大3.3.2植被指數(shù)歸一化植被指數(shù)（NDVI）NDVI也有缺陷，即對土壤背景的變化比較敏感實驗表明：作物生長初期，NDVI會過高估計植被覆蓋度作物生長后期，NDVI對植被檢測靈敏度下降，會低估植被覆蓋度NDVI適用于植被發(fā)育中期，或中等覆蓋度的植被檢測3.3.2植被指數(shù)差值植被指數(shù)（DVI-DifferenceVegetationIndex）近紅外波段（NIR）與紅光波段（R）數(shù)值之差對土壤背景的變化極為敏感，有利于對植被生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測，又稱環(huán)境植被指數(shù)（EVI）當(dāng)植被覆蓋濃密（>=80%）時，對植被靈敏度下降，適用于植被發(fā)育早—中期，或低—中覆蓋度的檢測3.3.2植被指數(shù)由于土壤在紅光波段和近紅外波段的反射都較強，因此NDVI、DVI等植被指數(shù)在植被非完全覆蓋的情況下，均受土壤背景的影響大以下兩個植被指數(shù)較好的消除了土壤的影響3.3.2植被指數(shù)纓帽變換中的綠度植被指數(shù)（GVI）通過變換得到亮度、綠度、土壤濕度三組分綠度和濕度分別代表植被和土壤植被和土壤的光譜特征得到了分離GVI受大氣渾濁度、光照條件等外界條件的影響3.3.2植被指數(shù)垂直植被指數(shù)指數(shù)建立基礎(chǔ)為了消除植被的背景（水體、學(xué)、各類土壤、落葉等）的影響研究表明，土壤在紅光波段（R）與近紅外波段（NIR）的反射率具有線性關(guān)系土壤（植被背景）光譜特性的變化，表現(xiàn)為一個由近于原點發(fā)射的直線，稱為“土壤線”（見圖8.5），可表示為IR=aR+b3.3.2植被指數(shù)如圖8.5：植被背景均表現(xiàn)在基線（土壤線）上所有的植被像素均分布在基線上的NIR一側(cè)綠色光合作用越強，離“土壤線”越遠在該圖中，植被像元的表現(xiàn)特征是葉子光學(xué)特征、生物量、葉冠結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)圖8.5二維土壤光譜線3.3.2植被指數(shù)垂直植被指數(shù)垂直植被指數(shù)（PVI-PerpendicolarVegetationIndex）是在R、NIR二維數(shù)據(jù)中對綠度植被指數(shù)（GVI）的模擬，兩者物理意義相似基于圖8.5，把植物像元到土壤亮度線的垂直距離定義為垂直植被指數(shù)，表示為S：土壤反射率V：植被反射率R：紅波段NIR：近紅外3.3.2植被指數(shù)垂直植被指數(shù)也可將PVI定義為b:土壤基線與NIR反射率縱軸的截距θ：土壤基線與R光反射率橫軸的夾角PVI較好地濾除了土壤的影響，且對大氣效應(yīng)的敏感程度也小于其他植被指數(shù)被廣泛應(yīng)用于大面積作物估產(chǎn)3.4城市遙感應(yīng)用3.4.1監(jiān)測城市擴張3.4.2城市熱島效應(yīng)的監(jiān)測3.4.3其他應(yīng)用3.4.1監(jiān)測城市擴張監(jiān)測城市擴張城市擴張在遙感影像上體現(xiàn)為城市面積的不斷擴大，特別是城鎮(zhèn)建筑用地的不斷擴張。基于遙感影像上提取城鎮(zhèn)用地通常是通過識別城鎮(zhèn)用地的特征而獲得的。提取城鎮(zhèn)用地信息的方法主要有目視解譯手工數(shù)字化的方法，計算機監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類的方法和基于光譜特征知識的分類方法。3.4.1監(jiān)測城市擴張監(jiān)測城市擴張目前，有幾種指數(shù)用來提取建筑物信息，這幾種方法源于對NDVI的深入分析。NDVI之所以能有效提取植被，是因為植被在TM4上值大于TM3，而其它地物的DN值都變小。因此在NDVI圖像上一般值大于0的地物都是植被。3.4.1監(jiān)測城市擴張

由此得到啟發(fā)，在TM4和TM5波段之間除了城鎮(zhèn)用地DN值、裸地、低密度植被覆蓋區(qū)走高之外，其他地物DN值都變小。因此，出現(xiàn)了基于此原理的三種模型3.4.1監(jiān)測城市擴張歸一化建筑建筑指數(shù)（NDBI）

NDBI=（TM5-TM4）/（TM5+TM4）

判斷依據(jù)：NDBI>0

缺陷：包含裸地以及含土壤背景信息的低密度植被覆蓋區(qū)3.4.1監(jiān)測城市擴張改進的歸一化裸露指數(shù)（MNDBI）

MNDBI=NDBI+(1-NDVI)

原理：

1）NDVI反映的是植被信息，那么（1-NDVI）反映的就是非植被信息，即主要是居民地、裸地以及河流。

2）NDBI反映的是城鎮(zhèn)和裸地信息

判斷依據(jù)：MNDBI>閥值

改進：突出了建筑物信息，使其與周圍信息反差增大

缺陷：需要不斷人為嘗試選取MNDBI的閾值，最終獲得較好的提取效果，受人為影響較大3.4.1監(jiān)測城市擴張監(jiān)測城市擴張城鎮(zhèn)用地指數(shù)（ULI）原理：將NDBI與NDVI結(jié)合起來。

1）由于NDBI得到的城鎮(zhèn)包含有低植被覆蓋區(qū)

2）NDVI可以將低植被覆蓋區(qū)與城鎮(zhèn)和裸地區(qū)分開改進：進一步將低植被覆蓋區(qū)與城鎮(zhèn)分開缺陷：還不能完全區(qū)分城鎮(zhèn)和裸地NDBI與ULI在提取城鎮(zhèn)用地中的精度對比3.4.1監(jiān)測城市擴張3.4.1監(jiān)測城市擴張方法名稱作者公式優(yōu)點缺點歸一化建筑建筑指數(shù)（NDBI）查勇，楊山等（2003）（TM5-TM4）/（TM5＋TM4）相對于傳統(tǒng)方法快速有效，提取精度較高，結(jié)果較為客觀，可信提取結(jié)果包含低密度植被區(qū)、裸地信息改進的歸一化裸露指數(shù)（MNDBI）吳宏安，蔣建軍等（2005）NDBI+(1-NDVI)相對NDBI更加突出了城鎮(zhèn)用地信息，提取結(jié)果得到改善需要人為設(shè)定閾值，結(jié)果受主觀因素影響；提取結(jié)果包含低密度植被區(qū)、裸地信息城鎮(zhèn)用地指數(shù)（ULI）徐軍，蔣建軍等（2007）NDBI&NDVI相對NDBI去除了低密度植被區(qū)的影響，提取精度得到提高，結(jié)果客觀、可信，是一種自動提取城鎮(zhèn)用地的方法提取結(jié)果仍含有裸地信息3.4.2城市熱島效應(yīng)的監(jiān)測地表溫度的求算輻射定標

L=a*DN+b（a,b由頭文件中可得）輻射校正輻射校正后的到的Tb是指的亮溫亮溫：亮度溫度，指和被測物體具有相同輻射強度的黑體所具有的溫度。

3.4.2城市熱島效應(yīng)的監(jiān)測地表真實溫度的求算

（*）

其中，為地表比輻射率地表比輻射率：物體在溫度T，波長λ處的輻射出射度與同溫度，同波長下的黑體輻射出射度的比值。

(*)參考文獻：陳云浩，史培軍，李曉兵.基于遙感和GIS的上海城市空間熱環(huán)境研究[J].測繪學(xué)報，2002，31（2）：139-144.3.4.2城市熱島效應(yīng)的監(jiān)測地表真實溫度的求算地表比輻射率的求算*地表比輻射率主要取決于地表的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和遙感器的波段區(qū)間從衛(wèi)星像元的尺度來看,可以大體視作由3種類型構(gòu)成:水面、城鎮(zhèn)和自然表面。水面結(jié)構(gòu)簡單；城鎮(zhèn)包括城市和村莊,主要由道路、各種建筑和房屋組成；自然表面主要是指各種天然陸地表面、林地和農(nóng)田等。

(*)參考文獻：賈志豪，李文娟等，陸地衛(wèi)星TM6波段范圍內(nèi)地表比輻射率的估計[J].國土資源遙感，2004，9：28-32.3.4.2城市熱島效應(yīng)的監(jiān)測地表真實溫度的求算地表比輻射率的求算自然表面比輻射率對于地表溫度反演來說,自然表面通常占圖像比例最大,因而也是我們考慮的重點。組成自然表面的像元可以簡單地看作是由不同比例的植被葉冠和裸土組成