定量遙感的定義

定量遙感的定義定量遙感隨著經(jīng)濟和科技的發(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、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。定義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)驗判讀的定性識別地物的方法。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，通過實驗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。建模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)系是實現(xiàn)目標(biāo)參數(shù)反演的關(guān)鍵一步，我們稱它為建模。遙感模型一般分為三種：1.統(tǒng)計模型(即經(jīng)驗?zāi)Ｐ?：基于陸地表面變量和遙感數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，對一系列的觀測數(shù)據(jù)做經(jīng)驗性的統(tǒng)計描述或者進行相關(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：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；缺點：有地域局限性，所以可移植性差；理論基礎(chǔ)不完備，缺乏對物理機理的足夠理解和認(rèn)識，參數(shù)之間缺乏邏輯關(guān)系。2.物理模型：其模型參數(shù)具有明確物理意義，并試圖對作用機理進行數(shù)學(xué)描述。優(yōu)點：精度高，可移植性強；缺點：此模型通常為非線性的，所以方程復(fù)雜，實用性較差；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。3.半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停和怀錾鲜鰞煞N模型的優(yōu)點，回避其缺點。考慮經(jīng)驗數(shù)據(jù)和物理過程，其參數(shù)往往是經(jīng)驗參數(shù)，但有一定物理意義。反演反演與建模是兩個不同的問題，建模是指就某種物理過程，建立與之對應(yīng)的數(shù)學(xué)方程或方程組的問題，而反演就好像是解方程或解方程組的問題，顯然建立方程與解方程是兩個不同性質(zhì)而又密切相關(guān)的問題。所謂反演就是基于模型知識基礎(chǔ)上，依據(jù)可測參數(shù)值云反推目標(biāo)的實時狀態(tài)參數(shù)。要實現(xiàn)反演一般需要獲得足夠的信息量，數(shù)學(xué)語言可表達為獨立方程數(shù)必須等于或大于未知參數(shù)數(shù)目。所謂獨立就是指正交。定量遙感QuantitativeRemoteSensing是一種利用遙感的方法獲取高時空分辨率的各類氣象信息的先進手段，它的有效使用有可能在節(jié)省人力、財力與物力條件下實現(xiàn)中尺度災(zāi)害天氣的監(jiān)測與探測的目標(biāo)。定量遙感涉及的內(nèi)容很多。其中，遙感器定標(biāo)、大氣糾正和地表應(yīng)用參數(shù)反演是當(dāng)前定量遙感研究的三個主要內(nèi)容。作用與能力：1.要充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感在中尺度災(zāi)害天氣監(jiān)測與探測中的重要作用。目前對衛(wèi)星遙感在我國大氣監(jiān)測中所發(fā)揮的作用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達到它應(yīng)能發(fā)揮的程度。實際上到2006年將有兩顆靜止衛(wèi)星、三顆極軌衛(wèi)星為我們提供大量資料。同時還可能利用TRMM、ATOVS資料為我們繼續(xù)提供服務(wù)。有了如此豐富的衛(wèi)星資料源，那么如何充分發(fā)揮其作用是在設(shè)計中尺度災(zāi)害天氣監(jiān)測網(wǎng)時必須考慮的重要因素。實際上，最近5年通過國家973項目的支持，中國科學(xué)家在衛(wèi)星遙感的反演能力上有了很大的提高，我們有能力利用衛(wèi)星遙感資料反演中尺度云團內(nèi)的溫濕三維結(jié)構(gòu)，不同層次的風(fēng)向、風(fēng)速、云的分類、云頂相態(tài)、降水估測、下墊面特征、監(jiān)測江河流域的洪澇變化等，尤其在云導(dǎo)風(fēng)反演上我們已處于國際領(lǐng)先水平。現(xiàn)在的問題是衛(wèi)星探測精度與遙感反演精度的提高以及與遙感資料精細(xì)分析相關(guān)的技術(shù)開發(fā)問題有待進一步發(fā)展。2.進一步發(fā)揮新一代天氣雷達的作用。通過國家973項目的支持，我們重點做了三方面的工作，即利用天氣雷達獲取中尺度系統(tǒng)的三維流場結(jié)構(gòu)資料，利用多部雷達資料實現(xiàn)一個區(qū)域(或更大區(qū)域)對中尺度強對流系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測以及面降水量的估測，研究了雙偏振雷達所具有的相態(tài)分析功能。這三方面的工作基本上都取得了突破。利用長江中下游野外試驗雷達資料第一次獲取了中尺度暴雨系統(tǒng)的三維流場的實時結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，充分說明了發(fā)揮新一代天氣雷達作用的重要性和它的潛在能力。3.進一步加強GPS、風(fēng)廓線儀、甚至飛機追蹤觀測技術(shù)的研究，并建成相應(yīng)的觀測系統(tǒng)，尤其在大城市區(qū)域建立空間間隔僅8-12公里的多個GPS組成的觀測網(wǎng)，通過層析分析實現(xiàn)利用GPS分析水汽的垂直廓線，試驗表明其精度可達相當(dāng)高的水平。上述三方面的工作基本構(gòu)成了天基(氣象衛(wèi)星)、空基(飛機追蹤觀測)、地基(天氣雷達、GPS、風(fēng)廓線儀等)遙感，再加上常規(guī)氣象觀測網(wǎng)，將基本滿足對大城市災(zāi)害天氣監(jiān)測的需求。定量遙感概述1.定量遙感遙感信息定量化，建立地球系統(tǒng)科學(xué)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)全球觀測海量數(shù)據(jù)的定量管理、分析與預(yù)測、模擬是遙感當(dāng)前重要的發(fā)展方向之一。遙感技術(shù)的發(fā)展，最終目標(biāo)是解決實際應(yīng)用問題。但是僅靠目視解譯和常規(guī)的計算機數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法來分析遙感數(shù)據(jù)，精度總提不高，應(yīng)用效率相對低，尋找應(yīng)用的新突破口也非常困難。尤其對多時相、多遙感器、多平臺、多光譜波段遙感數(shù)據(jù)的復(fù)合研究中，問題更為突出。其主要原因之一是遙感器在數(shù)據(jù)獲取時，受到諸多因素的影響，譬如，儀器老化、大氣影響、雙向反射、地形因素及幾何配準(zhǔn)等，使其獲取的遙感信息中帶有一定的非目標(biāo)地物的成像信息，再加上地面同一地物在不同時間內(nèi)輻射亮度隨太陽高度角變化而變化，獲得的數(shù)據(jù)預(yù)處理精度達不到定量分析的高度，致使遙感數(shù)據(jù)定量分析專題應(yīng)用模型得不到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)作輸入?yún)?shù)而無法推廣。GIS的實現(xiàn)和發(fā)展及全球變化研究更需要遙感信息的定量化，遙感信息定量化研究在當(dāng)前遙感發(fā)展中具有牽一發(fā)而動全局的作用，因而是當(dāng)前遙感發(fā)展的前沿。2.遙感信息定量化的內(nèi)涵遙感信息定量化是指通過實驗的或物理的模型將遙感信息與觀測目標(biāo)參量聯(lián)系起來，將遙感信息定量地反演或推算為某些地學(xué)、生物學(xué)及大氣等觀測目標(biāo)參量。遙感信息定量化研究將涉及到遙感器性能指標(biāo)的分析與評價、大氣參量的計算與大氣訂正方法和技術(shù)、對地定位和地形校正方法與技術(shù)、計算機圖像處理與算法實現(xiàn)、地面輻射和幾何定標(biāo)場的設(shè)置以及各種遙感應(yīng)用模型和方法、觀測目標(biāo)物理量的反演和推算等多種學(xué)科及領(lǐng)域。其中，遙感器定標(biāo)、大氣訂正和目標(biāo)信息的定量反演是遙感信息定量化的三個主要研究方面。4.遙感器定標(biāo)遙感器定標(biāo)是遙感信息定量化的前提，遙感數(shù)據(jù)的可靠性及應(yīng)用的深度和廣度在很大程度上取決于遙感器的定標(biāo)精度。所謂遙感器定標(biāo)就是指建立遙感器每個探測元所輸出信號的數(shù)值量化值與該探測器對應(yīng)象元內(nèi)的實際地物輻射亮度值之間的定量關(guān)系。無論對可見光波段、近紅外波段、短波紅外波段，還是對熱紅外波段，在遙感器定標(biāo)過程的實際計算中應(yīng)考慮到遙感器響應(yīng)函數(shù)(R(l))的影響，換算出相應(yīng)的遙感器通道的輻射強度計算值LsDl：LsDl=(5)式中(l1,l2)為遙感器通道的波長范圍。入瞳通道輻射計算值LsDl與同步觀測遙感器輸出信號的數(shù)字量化值DC*之間的定量關(guān)系為：C*=A·LsDl(6)其中，A則為該遙感器通道的定標(biāo)系數(shù)。遙感器定標(biāo)方法可分為三大類：飛行前實驗室定標(biāo)、星上內(nèi)定標(biāo)和場地外定標(biāo)。這三種方法都可對遙感器進行絕對輻射定標(biāo)，只不過在遙感器研制到投入運行整個過程中，它們分別在不同階段發(fā)揮著一定的作用。隨著遙感信息定量化應(yīng)用的迅速發(fā)展，對遙感器的輻射定標(biāo)提出了日益迫切的高精度要求。場地外定標(biāo)是提高輻射定標(biāo)精度的重要手段，已成為整個遙感器輻射定標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，得到國際遙感界的廣泛重視。本文也重點闡述場地外定標(biāo)的特點及其重要性。1)遙感器實驗室定標(biāo)在遙感定量化研究中，常常需要將空中遙感器接收到的電磁波能量信號直接與地物光譜儀接收到的電磁波能量信號及地物的物理特性聯(lián)系起來加以分析研究，這就需要對地面遙感器和空中遙感器進行實驗室定標(biāo)。遙感器實驗室定標(biāo)主要包括光譜定標(biāo)與輻射定標(biāo)兩大部分，具體來說，包括暗電流、波長校準(zhǔn)、重復(fù)性、穩(wěn)定性檢測和線性定標(biāo)和響應(yīng)度定標(biāo)等。2)遙感器星上內(nèi)定標(biāo)光學(xué)遙感的星上內(nèi)定標(biāo)一般采用燈定標(biāo)、太陽定標(biāo)及黑體定標(biāo)。其優(yōu)點可對一些光學(xué)遙感實時定標(biāo)，不足的是，大部分星上定標(biāo)都只是部分系統(tǒng)和部分口徑定標(biāo)，沒有模擬遙感器的成像狀態(tài)，星上定標(biāo)系統(tǒng)也不夠穩(wěn)定，也影響了定標(biāo)精度。3)遙感器場地外定標(biāo)遙感器場地外定標(biāo)，特指在遙感輻射定標(biāo)場地選擇的基礎(chǔ)上，在遙感器處在正常運行和外界環(huán)境條件下，通過同步測量來對遙感器定標(biāo)的一種方法。即在遙感器飛越輻射定標(biāo)場上空，在定標(biāo)揚選擇若干象元區(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(biāo)系數(shù)，并進行誤差分析。場地外定標(biāo)方法主要有種：反射率基法、輻射亮度法和輻照度基法，但最常用的是反射率基法。場地外定標(biāo)方法主要特點是基于地面大面積地表均勻地物作為定標(biāo)源，不但可以實現(xiàn)全孔徑、全視場、全動態(tài)范圍的定標(biāo)，而且還考慮到大氣傳輸和環(huán)境的影響。其重要性在于該定標(biāo)方法實現(xiàn)了對遙感器運行狀態(tài)下與獲取地面圖象完全相同條件的絕對校正，可以從衛(wèi)星發(fā)射到遙感器失效整個過程提供校正，可對遙感器進行真實性檢驗和對一些模型的正確性進行檢驗，原則上還可以對其它空中和軌道平臺遙感器進行校正[3]。其不足之處就是需要測量和計算空中遙感器過頂時的大氣環(huán)境和地物反射率。5.大氣訂正大氣訂正是遙感信息定量化過程中不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)，這是由于空中遙感器在獲取信息過程中不可避免地受到大氣分子、氣溶膠和云粒子等大氣成份的吸收與散射的影響。為了估算遙感器表觀輻亮度，必須首先對大氣氣溶膠含量、氣體吸收和散射特性進行描述。大氣中常見氣體(如N2、O2、Ar、CO2)的密度可由地面氣壓測量來確定。平流層臭氧(O3)含量的確定可以不需要任何地面測量，而直接利用Beer定律或通過London表查找[4]。但是，大氣中水汽和氣溶膠含量具有很大的時空變化特性，因此，必須由測量來確定。1)大氣光學(xué)厚度的計算氣溶膠物理特性(粒子大小與譜分布、折射指數(shù)和氣溶膠粒子含量)對氣溶膠的三個光學(xué)參量(光學(xué)厚度、散射相函數(shù)和單次散射反照率)具有很大的影響作用，而這三個氣溶膠光學(xué)參量又是輻射傳輸計算過程中必需的。為了獲取這些氣溶膠光學(xué)參量，可采用的測量方法主要有太陽直射輻射測量和不同方向(天頂角和方位角)上天空漫射輻射測量。利用這些測量量，并借助于輻射傳輸模型可推算出氣溶膠參量。利用Langley-plot法可計算大氣總光學(xué)厚度(tl)[5ln(Vl)-ln(Ds)=ln(V0)-tl·m(7)其中：Vl為太陽輻射計輸出電壓值；V0為對應(yīng)0大氣質(zhì)量響應(yīng)值；Ds為日-地距離。如果大氣是穩(wěn)定的，且測量是相應(yīng)太陽天頂角變化的一個周期進行的，那么，將ln(Vl)-ln(Ds)對大氣光學(xué)質(zhì)量m作散點圖將得到一條直線，該直線的斜率即為總大氣垂直光學(xué)理論計算表明，對于真實大氣氣溶膠，t0可認(rèn)為是獨立于波長的。在此前提下，對(9)式兩邊取對數(shù)，利用可見光-短波紅外光譜區(qū)的太陽輻射計兩個波段的測量值，通過線性回歸則可得出t0和n值。其中，冪指數(shù)n是光譜變化系數(shù)。3)大氣水汽含量的計算水汽含量(H2O)可以通過探空資料獲取，也可以通過地面光學(xué)測量得到。由于Beer定律只適用于單色情況，因此它對氣體分子吸收較強的光譜區(qū)(如：940nm處水汽帶)不適用。為此，利用改進的Langley-plot法可計算大氣水汽含量。針對水汽吸收帶，將(7)式可改進為[5]：ln(Vl)-ln(Ds)+tscat·m=ln(V0)-k(u·m)b(10)式中：tscat=tR(940nm)+ta(940nm)；u是待求的大氣柱水含量；k和b是確定水汽透過率函數(shù)的兩個常量。利用(10)式，首先假定若干個水汽含量u值，計算出水汽吸收透過率隨大氣質(zhì)量m的變化曲線，再對曲線進行擬合可求得k和b兩個常量值，再根據(jù)(10)式進而求得對應(yīng)m值的水汽含量u值。6.目標(biāo)信息的定量反演目前，目標(biāo)信息的定量反演多指對地表物質(zhì)的物理量(如，反射率、發(fā)射率、溫度及一些結(jié)構(gòu)參量等)和大氣參量(如，大氣氣溶膠、大氣水含量等)的反演。本文就常用的地表反射率和地表溫度的反演方法給予探討。針對太陽反射光譜區(qū)的反射率反演和熱紅外光譜區(qū)的溫度反演方法主要有基于地面實測法、基于圖像自身信息法和大氣輻射傳輸模式法[7]。6.應(yīng)用前景分析遙感對地觀測的空間信息研究已經(jīng)從單波段延伸到多波段，從單角度跨越到多角度和立體測繪，從空間維拓寬到光譜維。一個多層、立體、多角度、全方位和全天候的對地觀測網(wǎng)正在形成，即高、中、低軌道結(jié)合；大、中、小衛(wèi)星協(xié)同；粗、中、細(xì)、精分辨率互補的全球綜合信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，成為一種滿足持續(xù)發(fā)展過程中連續(xù)、動態(tài)、不同尺度、不同精度和不同層次的信息需求的必要手段，并在自然資源管理和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。尤其進入90年代以來，持續(xù)發(fā)展對遙感信息需求的多樣化、動態(tài)性、現(xiàn)勢性和準(zhǔn)確性，給遙感信息定量化發(fā)展帶來一個新的契機。遙感信息定量化已成為遙感信息進一步廣泛深入應(yīng)用的一個重要環(huán)節(jié)。(1)遙感信息定量化使高光譜遙感信息的定量分析與應(yīng)用成為現(xiàn)實。高光譜遙感器的光譜分辯率已達數(shù)納米，空間分辯率僅幾米，對應(yīng)圖象任一像元反演的地物光譜，可與地面實測值相比擬，這將便于實驗室地