遥感应用模型1-绪论

遥感应用模型主讲教师：许凯[e-mail]中国地质大学（武汉）信息工程学院遥感（RS）技术是地学研究最强有力的工具之一遥感技术具有宏观、客观、综合、动态的特点。是现代地学研究不可缺少的数据采集手段：高级GIS以预测辅助决策为特征，其多时相资料、综合资料的获取有赖于RS。全球变化：全球海冰减少、海水温升、热带雨林减少、沙漠化趋势明显、臭氧层空洞等的发现均靠RS。遥感已成为地学研究的基本的，也是最重要的手段，很多传统的对地观测方法都将被RS所取代。课程的背景传统的遥感主要从模式识别、机器学习的算法上进行分类器或地物识别模型的改进经过几十年的发展，但却难以得到令人满意的识别精度卫星的观测角度不能保证是垂直的地物也不能被简单的认为是朗伯体单一角度观测会出现“异物同谱”现象宽视场遥感器由于观察方向的差异能产生“同物异谱”现象传统的遥感大多采用垂直观测方式（NOAA、MODIS），并且假设地物是朗伯体，利用地面目标的光谱特性作有监督或无监督分类，或经验判读。主要解决影像地物“在哪里（where）？”，“是什么（what）？”的问题？漫反射遥感应用模型研究相对滞后：特别是遥感定量模型的研究近年来未有大的突破，远远滞后于遥感硬件系统的发展，原因是基础研究薄弱。遥感科学是一门综合性的科学，它借助物理学的基础，数学的方法，计算机的手段，以及地学、生物学的分析，解决对地遥感的科学理论和实际问题定量遥感的研究正处在起步阶段，正是出成果的黄金时期，对我们的学习具有广阔的前景。定量遥感受到越来越多的关注仅靠目视解译和常规的计算机数据统计方法来分析遥感数据，精度总提不高，应用效率相对低；迫切需要弄清楚地表与光辐射之间相互作用的机理；仅仅解决where和what的问题不能满足应用的需要；例如，粮食估产、沙漠化与草场载畜量的变化，生态环境变化的动态监测等,都需要遥感技术提供准确的定量信息。遥感器在数据获取时，受到诸多因素的影响，太阳高度角、大气影响、双向反射、地形因素等课程的地位与意义地位：遥感专业的必修课意义：遥感应用模型的研究可从遥感的定量化研究展开突破；遥感技术的发展为遥感的定量化研究提供了丰富的数据基础。遥感地学应用面临的问提与挑战—定量遥感研究的迫性。课程目标课程目标较熟练的掌握定量遥感的基本原理和方法；掌握光学遥感与热红外遥感模型和地表参数的定量遥感反演方法模型；了解如何应用物理学原理和数学方法进行定量遥感科学研究。课程安排第一章绪论第二章植被遥感第三章土壤和冰雪遥感第四章水色遥感第五章遥感应用案例主要教材遥感物理，徐希孺，北京大学出版社，2005定量遥感，梁顺林，科学出版社，2008定量遥感模型、应用及不确定性研究，柳钦火，科学出版社，2010国内外主要研究机构和学者北京大学，遥感与地理信息系统研究所，童庆禧，范闻捷等北京师范大学，地理学与遥感科学院，王锦地，李小文等中国科学院遥感应用研究所，宫鹏，柳钦火等美国，马里兰大学地理系，ChrisJustice，梁顺林等美国，波士顿大学地理系，AlanHStrahler等美国，加州大学圣芭芭拉分校计算地球系统科学院，施建成等序号实验室名称级别依托单位1遥感科学国家重点实验室国家重点实验室中国科学院遥感应用研究所与北京师范大学2地表过程与资源生态国家重点实验室国家重点实验室北京师范大学3测绘遥感信息工程国家重点实验室国家重点实验室武汉大学4国家环境保护卫星遥感重点实验室国家重点实验室中国科学院遥感应用研究所、环境保护部卫星环境应用中心5环境演变与自然灾害教育部重点实验室教育部重点实验室北京师范大学6环境遥感与数字城市北京市重点实验室北京市重点实验室北京师范大学7安徽省大气科学与卫星遥感重点实验室省级重点实验室安徽省气象科学研究所8对地观测技术国家测绘地理信息局重点实验室部门重点实验室国家测绘地理信息局9海洋遥感教育部重点实验室教育部重点实验室中国海洋大学10贵州省山地资源与环境遥感应用重点实验室省级重点实验室贵州师范大学地理与环境科学学院11中国科学院微波遥感技术重点实验室院重点实验室中国科学院12新疆遥感与地理信息系统重点实验室省级重点实验室中国科学院新疆生态与地理研究所13广东省遥感与地理信息系统应用重点实验室省级重点实验室广州地理研究所与广东省农业厅信息中心14内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室省级重点实验室内蒙古师范大学15复旦大学波散射与遥感信息教育部重点实验室教育部重点实验室复旦大学16地理环境遥感监测黑龙江省普通高校重点实验室省重点实验室哈尔滨师范大学17浙江省农业遥感与信息技术重点实验室省重点实验室浙江大学农业遥感与信息技术应用研究所18农业部资源遥感与数字农业重点开放实验室农业部重点开放实验室中国农业科学院农业资源与农业区划研究所第一章绪论主要内容：遥感应用模型概述定量遥感应用模型定量遥感面临的挑战定量遥感发展趋势1.遥感应用模型概述广义遥感：无接触的远距离探测狭义遥感：应用探测仪器，记录远处的电磁波，分析物体的特性及变化的综合探测技术传感器信息传输、接收用户制图实况调查分析判断物体遥感系统遥感信息源遥感信息获取遥感信息接收遥感信息处理遥感信息应用遥感信息源地物发射、反射、吸收电磁波成为遥感信息源遥感发展初期，采用单一方向遥感观测获得地表信息二维模型，地表目标作漫反射假定，获取数据后利用光谱特征作分类或判读。遥感数据几何、辐射处理、信息提取、遥感产品输出遥感信息处理中国地质大学信息工程学院（武汉）遥感应用从内容上可以概括为：资源调查环境监测评价区域分析规划全球宏观研究遥感应用现状资源调查在农业、林业方面的应用：农、林土地资源调查、病虫害、土壤干旱、盐化沙化的调查及监测。土地利用类型调查精细农业作物估产“三北”防护林遥感综合调查遥感在地质矿产方面的应用客观真实地反映各种地质现象，形象地反映区域地质构造,地质找矿工程地质、地震地质、水文地质和灾害地质资源调查环境监测评价在环境监测方面的应用污染物位置、性质、动态变化及对环境的影响；长江三峡库区环境本底调查、环境演变分析、动态监测等在对抗自然灾害中的应用灾害性天气的预报旱情、洪水、滑坡、泥石流和病虫害森林火灾区域分析及建设规划城市化和城市遥感城市土地利用环境监测道路交通分析环境地质城市规划小结传统的单一方向遥感得到目标的一个方向投影，缺乏足够信息来同时推断一个像元的主要材料波谱和空间结构；传感器获得地物的可见光和近红外波段，主要提取地物的光谱特征、空间特征、时相特征等；以植被监测为例，仅以光谱、空间等特征很难对不同种群植被进行鉴别，加上时相特征就可以对植被类型和作物生长周期进行确定，而采用多角度观测只需要一个时相就可以完成。多角度对地面观测使目标的观测信息丰富，能提取更为详尽可靠的地物三维空间结构，为定量化遥感提供了新的途径。2.定量遥感应用模型定量遥感或称量化遥感，主要指从对地观测的电磁波信号中定量提取地表参数的技术和方法，区别于仅依靠经验判读的定性识别地物的方法。在电磁波的不同波段内给出的地表物质的定量的物理量；通过实验的或物理的模型将遥感信息与地学参量联系起来，定量的反演或推算某些地学或生物学信息。地学参量物理量遥感信息反演Land-UseChangeMapwaternaturalvegetationagricultureurbannaturaltourbanagriculturetourbanagriculturetowater10December1988TM4323March1996TM432自然界中之存在近似意义下的朗伯体，大部分地物都介于镜面反射和漫反射之间。因此在进行遥感定量分析时，必须抛弃“地物是朗伯体”的假设。描述非朗伯体反射不能简单用地物反射率表示，因为各方向的反射率不一样。二向性反射是自然界中物体表面反射的基本宏观现象，即反射不仅具有方向性,这种方向性还依赖于入射的方向方向反射漫反射地物的二向性反射和方向谱特征李小文在1989年发表在《环境遥感》“地物的二向性反射和方向谱特征”一文中提出需要开展不同地物BRDF（Bi-directionalReflectanceDistributionFunction）的研究对于BRDF的研究主要有辐射传递模型适合于水平方向上均匀的三维空间结构,如农作物,草原,积雪等。几何光学模型适合于空间关系复杂但以表面反射为主的地物,如土壤,森林,建筑物等计算机模拟模型适合子解决多重散射等更难以求解的问题定量遥感应用模型统计模型（即经验模型）：基于陆地表面变量和遥感数据的相关关系，对一系列的观测数据做经验性的统计描述或者进行相关性分析，构建遥感参数与地面观测数据之间的线性回归方程。优点：参数少；容易建立且可以有效概括从局部区域获取的数据，简便，适用性强；缺点：有地域局限性，所以可移植性差；理论基础不完备，缺乏对物理机理的足够理解和认识，参数之间缺乏逻辑关系。1437y=0.2426x-25.447R2=0.2012-24-23-22-21-20-19121416182022土壤重量含水量/%水平同极化后向散射系数/dB10152025-25-20-15-1020厘米深土壤重量含水量/%垂直同极化后向散射系数物理模型：其模型参数具有明确物理意义，并试图对作用机理进行数学描述。例如，表观土壤含水量ASW的表达式d为土壤颗粒粒径，D为土壤土层厚度，ρs为土壤的密度，ρ为水的密度，h为相对高程，H为绝对高程，sinα为坡度，NDVI植被指数。优点：精度高，可移植性强；缺点：此模型通常为非线性的，所以方程复杂，实用性较差；并且在复杂问题考虑中会产生大量参数，其中有些参数无法获取，从而采取近似，会产生误差，而对非主要因素有过多忽略或假定也会产生误差。54321)()(sin)()()()(0aaaasaNDVIHhdDATIaASW半经验模型：突出上述两种模型的优点，回避其缺点。考虑经验数据和物理过程，其参数往往是经验参数，但有一定物理意义。小结因此，目前遥感研究面临两大问题:需要实现从定性到定量的过渡；需要加强遥感科学基础的研究，强调通过数学的或物理的模型将遥感信息与观测地表目标参量联系起来。3.定量遥感面临的挑战1.寻找适合遥感对象的数学和物理学规律电磁波和物理相互作用的规律是遥感的基础经典物理中引入绝对粗糙面，而现实中99%都是既非完全光滑，又非完全粗糙面经典物理的理论在多尺度的遥感环境下不一定适用经典物理是在实验室下获得的，遥感对象复杂、环境多变，遥感物理远远复杂的多互易原理（源与传感器互易原理）地表非同温混合像元黑体辐射公式描述了黑体表面辐射能量与波长和表面温度的关系自然物体表面在给定温度下的辐射即可用同一温度下的M(t)来描述Planck定律表面温度均一的要求可以放宽到表面温差小且随机分布的情况.如果像元由2个不同的部分组成从这个B中分别估计一个平均真实温度和一个等效比辐射率，在一定条件上,某些波段的等效比辐射率将可能大于1互易原理是电磁学、光学的基本假设之一，是辐射传输理论的基石，曾被当作检验遥感数据质量的标准普朗克定律一直未经修正直接应用到对地遥感，成为地温遥感精度上不去的根本原因之一。物理学的权威说：地表状况不满足普朗克定律的条件，你们就别用。问题在于地学家很难修正地表状况，大多数又不敢修正物理定律2.混合像元（尺度问题）例如:TM影像得到广泛应用后，人们发现用TM（分辨率30m）估算的农田面积显著不同于过去用AVHRR（分辨率1.1km）估算的农田面积。针对混合像元求解植被覆盖度假设地物NDVI值由植被和土壤组成，则：NDVI=Fc×NDVIv+（1-Fc）×NDVIs其中，NDVIv和NDVIs分别为植被和土壤的NDVI值。Fc为植被覆盖度，则Fc=（NDVI-NDVIs）/（NDVIv