遥感概论-秦其明-第八章定量遥感基础

第八章定量遥感模型是解决问题的工具。在利用遥感技术解决问题时我们通常需要建立模型，模型是联系遥感可测参数（辐射强度、偏振、相位）与实际应用中所需参数的纽带和桥梁。本章的学习重点就是建立遥感模型的一般方法。本章重点是掌握定量遥感建模方法。第一节定量遥感概述定量遥感是当前遥感发展的前沿。它利用遥感器获取的地表地物的电磁波信息，在计算机系统支持下，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，定量地反演或推算出某些地学、生物学及大气等目标参量或地物定量信息。8.1.1可见光、近红外波段定量遥感遥感的基本过程可以看作是电磁波与大气相互作用过程以及电磁波与地表的相互作用过程的叠加。在这个过程中：电磁波与大气相互作用形成大气效应。大气效应是电磁辐射在太阳-目标物-传感器系统的传输过程中受到大气分子、水气、气溶胶和尘粒等散射、吸收和折射等影响。通过大气纠正可以基本消除大气效应对遥感影象的影响。定量遥感需要考虑地表非朗伯体特性。大多数情况下的地面物质都不是均一的朗伯体，朗伯体的假设给定量遥感计算带来很大的误差。可以用地表的二向反射率分布函数（BRDF）来描述地表的非朗伯体特性，减少定量遥感计算造成的误差。8.1.2热红外波段的定量遥感热红外波段遥感测量的对象是地表物质的热辐射。在热学中，温度是物质分子热运动平均动能的量度，描述了物质内部分子热运动的剧烈程度。物质内部微观粒子的运动导致了物质向外发射电磁波，即热辐射。地球环境的代表性温度为300K，它对应的接近10μm，正接近热红外大气窗口区，因此，可以利用热红外遥感器获取地表的热辐射状况。热红外遥感获得的亮度温度。对于地球表面真实物体（绝大多数为非黑体）而言，由于其辐射亮度受自身比辐射率的影响，所以比辐射率是联系亮温与真实温度的桥梁。8.1.3主动微波遥感基础合成孔径雷达（SAR）二维成像过程是通过安装在运动平台上的雷达天线不断地发射脉冲信号,接受它们在地面的回波信号,经信号的成像处理形成二维SAR影像,影像中的每一像素的幅度只与目标的后向散射系数有关。随着应用的需要，不仅希望得到SAR照射场景的二维信息，而且希望能得到该区域的高度信息。获取地表形态垂直变化的遥感测量传感器主要有干涉雷达，即干涉测量合成孔径雷达。第二节定量遥感主要研究内容8.2.1遥感器定标遥感器定标是指建立遥感器每个探测元件所输出信号的数值量化值与该探测器对应像元内的实际地物辐射亮度值之间的定量关系。由于卫星运行时所获取的遥感信息受到诸多因素影响，如遥感器系统的畸变、大气传播的干扰、地形影响等都会造成遥感器采集到的辐射能量与目标地物实际的辐射能量之间存在较大偏差，因此需要遥感器定标。遥感器定标是遥感数据定量化处理中的最基本环节，遥感器的定标精度直接影响到遥感数据的可靠性和精度。遥感器定标包括实验室定标、星上内定标和场地外定标三部分内容。8.2.1.1遥感器实验室定标是指对比分析与研究空中遥感器接收到的电磁波能量信号与地物光谱仪接收到的电磁波能量信号的定量关系，以及电磁波能量信号与地物的物理特性的关系，以便对获取的空中遥感器信号进行纠正。遥感器实验室定标主要包括光谱定标与辐射定标两大部分。光谱定标是测量遥感器随入射辐射波长变化的响应。辐射定标用以确定遥感器入瞳处的准确辐射数值。8.2.1.2遥感器星上内定标卫星发射后，探测探测器元件老化或者工作温度变化都会影响到遥感器的响应，因此需要遥感器星上内定标。星上内定标主要是绝对辐射定标，在可见光和反射红外区采用电光源（灯定标）和太阳光（太阳定标）作为高温的标准辐射源，在热红外区采用卫星上的标准黑体（黑体定标）作为高温的标准辐射源，以宇宙空间作为低温标准辐射源。8.2.1.3遥感器场地外定标是在遥感器飞越辐射定标场上空时，在定标扬选择若干像元区，测量遥感器对应的各波段地物的光谱反射率和大气光谱参量，并利用大气辐射传输模型给出遥感器入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后确定它与遥感器对应输出的数字量化的数量关系，求解定标系数，并进行误差分析。通过地面辐射场地外定标对于提高辐射定标精度具有重要意义，这因为场地外定标方法可以实现全孔径、全视场、全动态范围的定标，并考虑到大气传输和环境的影响。该定标方法可以实现在遥感器运行状态下与获取地面图像完全相同条件下的绝对订正。8.2.2大气校正大气校正是消除遥感图像在大气传输中所引起质量退化的一种图像处理方法。由于遥感器在空中获取地表信息过程中，受到大气分子、气溶胶和云粒子等大气成份的吸收与散射的影响，以及大气中水汽和气溶胶含量具有很大的时空变化特性，其结果是目标反射辐射能量被衰减，空间分布被改变，部分和目标物无关的大气散射辐射进入遥感器视场，因此，定量遥感必须考虑大气的影响，对于一个已经经过绝对辐射标定的遥感图像，还必须经过大气校正才可以得到地表目标的正确信息。大气校正包括实验方法和理论方法两类：8.2.2.1大气校正实验方法直方图调整（HistogramMatching）。假设清楚目标和模糊目标反射率直方图是一样的，在图像中找到清楚的目标，用清楚目标的反射率直方图来调整模糊目标的反射率直方图。常用的图像处理软PCI，EARDAS等使用了此方法。该方法的优点是简单、实用；缺点包括：1）对于由具有不同反射特征的目标物组成的混合像元，以上假设是不成立的；2）气溶胶空间分布变化大时，此方法校正结果不一定正确。黑暗目标法(DarkObjectMethod)。若图像中存在浓密植被或水体，它们在可见光（浓密植被）和红外（水体）具有低反射，根据其在此特征波段的反射率和其他波段反射率之间的相关关系，进行大气校正。比如，在ETM＋/TM7波段（2.1um）左右水体反射率应该为零，但由于大气效应往往是非零，确定此差距，用来可以移除其他波段像元中的大气干扰。此方法优点是应用方便，目前在中分辨率成像光谱仪MODIS、MERIS等数据处理中广泛使用。缺点是图像中没有大范围分布的浓密植被或水体存在时，比如北半球冬天的图像或沙漠的图像，该方法无法使用。固定目标法（InvariantObject）。假设图像中某像元反射率已知或“固定”，利用这些像元反射率和各波段光谱反射率之间的线性关系，可对整个图像进行校正和均一化。如果得到卫星同步的地面观测反射率数据，此方法是绝对大气校正方法。对比减少法（ContrastReduction）。地表反射率稳定的区域，若不同时期获取的卫星信号发生变化，说明该区大气光学特征发生了变化。这样，变化差值可用于反演大气气溶胶厚度。但由于地表反射率是一般随时间和空间变化的，稳定地表反射率假设限制了其广泛实用性。查找表法LUT(LookUpTable)。是指利用辐射传输模型事先计算不同大气条件下的气溶胶光学厚度、单次散射反照率和相函数等，形成查找表，以便在进行校正时调入使用。8.2.2.2大气校正理论方法实验方法依赖于某种假设或实测数据，其适用性受到了限制。对大气－地表－遥感器之间的辐射传输过程进行模拟，可以模拟出卫星同步的大气参数和地表的真实反射率，常用的有MODTRAN和6S。MODTARN（ModerateResolutionTransmission）这是由美国空军地球物理实验室（AFGL）开发的计算大气透过率及辐射的软件包。MODTRAN从LOWTRAN发展而来，它提高了LOWTRAN的光谱分辨率。MODTRAN的基本算法包括透过率计算，多次散射处理和几何路径计算等。需要输入的参数有四类：计算模式，大气参数，气溶胶参数和云模式。MODTRAN有四种计算模式：透过率，热辐射，包括太阳或月亮的单次散射的辐射率，直射太阳辐照度计算。用MODTRAN进行大气纠正的一般步骤是：首先输入反射率，运行MODTRAN得到大气层顶（TOA）光谱辐射，解得相关参数；然后利用这些参数带入公式进行大气纠正。6S描述了大气如何影响辐射在太阳－地表－遥感器之间的传输。需要输入的参数有：几何参数（遥感器类型、成像年月日和经纬度；大气中的水和臭氧浓度；气溶胶浓度；辐射条件、观测波段和海拔高度；地表覆盖类型和反射率。6S预先设置了50多种波段模型，包括MODIS，AVHRR，TM等常见传感器的可见光近红外波段。6S和MODTRAN比较：MODTRAN解决的是正问题，给出反射率，MODTRAN能计算出大气层顶辐射；6S解决的是反问题，给出大气层顶辐射，计算地表的反射率。MODTRAN可以计算的波段范围是0.20um到无穷，而6S只能计算太阳反射光谱波段（0.25－4.0um）的大气传输参数，两者进行大气纠正的操作也不相同，MODTRAN得到大气传输参数，需要带入传输公式，得到校正后的反射率；6S输入表观反射率，直接能得到校正后的地面反射率。8.2.3定量遥感模型遥感模型是从抽取遥感专题信息的应用需要出发，对遥感信息形成过程进行模拟、统计、抽象或简化，最后用文字、数学公式或者其他的符号系统表达出来。定量遥感模型概括起来分为三类:物理模型根据物理学原理建立的模型，模型中参数具有明确的物理意义，模型通常采用数学公式描述。此类模型通常是非线性的，方程复杂、输入参数多、实用性较差，为了求解通常对多个非主要因素进行忽略或假定。常见的“物理模型”有植被二向性反射的辐射传输模型、几何光学模型等。统计模型又称为“经验模型”，其建模思路是对一系列观测数据作经验性的统计描述，或者进行相关分析，建立遥感参数与地面观测数据之间的回归方程。这类模型优点是简便、适用性强，参数较少。弱点是理论基础不完备，缺乏对物理机理的足够理解和认识，代表性差，模型应用受到区域实用性的限制。半经验模型综合统计模型和物理模型的优点产生的混合模型。“半经验模型”建模思路既考虑模型的定性物理含义，又采用经验参数建模。例如Rahman的地表二向反射模型等半经验模型。主要定量遥感模型介绍辐射传输模型辐射传输模型的理论基础是辐射传输理论，描述光辐射和粒子（包括电子、质子、中子等基本粒子）在介质中传播的规律。其核心为辐射传输方程，即：几何光学模型几何光学模型主要考虑地表的宏观几何结构，把地表假设为具有已知几何形状和光学性质，按一定方式排列的几何体，通过分析几何体对光线的截获和遮阴及地表面的反射来确定植冠的方向反射（赵英时等，2003）。代表性的有Li－StrahlerGOMS模型ds表示地表或树冠表面的面积元，R（s）是该面积元的的反射率，（i，s）和（r，s）分别代表ds的法矢量与入射及观察的方向矢量夹角的余弦，Ii（s）表示受阳光直照与否的指数，数值为1（受直照）或0，Ir（s）是ds是否直接在观察者视场内的指数，为1（直接可见）或0，A是视场（FOV）在水平地面的投影。混合模型李小文等在1994年发展了植被BRDF几何光学与辐射传输几何模型(GORT)，综合用几何光学模型（GO）在解释树冠阴影和辐射传输模型（RT）在解释对此散射上各自的优势。GORT模型在解释林下辐照及总反射上比较成功，但当树冠浓密时，有过高估计对此散射的各向同性的倾向，从而导致偏亮的阴影。Ls为传感器所接收到的辐射亮度；Lg为地表光照面所产生的亮度；Lc为树冠光照面所产生的亮度；Lt为树冠的阴影所产生的亮度；Lz为地表的阴影所产生的亮度；Kg,Kc,Kt,Kz分别为地表光照面、树冠光照面、树冠阴影面、地表阴影面在视场内的所占的面积比例。计算机模拟模型计算机模拟模型是指为研究的物理过程营造一些概率模型，进行随即模拟和统计试验，通过估算这些模型的近似解的数值方法，如蒙特卡罗(MonteCarlo)方法。蒙特卡罗(MonteCarlo)方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数”的计算方法。这一方法源于美国在第一次世界大战进研制原子弹的“曼哈顿计划”，目前被遥感信息领域使用。8.2.4尺度效应与混合像元遥感图像像元所对应的地表单元具有从小于1米到数千米的不同尺度的空间分辨率。这些不同尺度的像元，反映出的同一地表物体的信息量是不同的，其空间异质性程度因尺度不同而有明显差异。在某一个尺度上观测到的性质，总结的定理和定律，在另一个尺度上不一定有效，需要验证与