光学遥感中的定量模型[精]

光学遥感中的定量模型光学遥感中的定量模型•统计模型•物理模型•混合模型统计模型•基于陆地表面变量和遥感数据的相互关系，优点在于容易建立并且可以有效地概括从局部区域获取的数据；缺点，拓展后的模型一般都是有地域局限性的，不能解释因果关系。物理模型•遵循遥感系统的物理规律，优点，可以建立因果关系，如果初始的模型不好，通过加入最新的知识信息就可以知道该在哪部分改进模型，缺点，建立模型的过程漫长而曲折。•模型是对现实的抽象，所以一个逼真的模型可能非常复杂，包含大量的变量。混合模型•统计模型与物理模型结合的混合模型•所有的遥感定量模型都利用：光谱、空间、时间、角度和极化。•通过定量模型陆地表面可以用连续变量（如叶面积指数、反射率）和分类变量（如土地覆盖）来描绘。辐亮度•单位立体角和单位面积上的能量，是指单位立体角单位面积上和在单位波长上的能量。•数字值和辐亮度是线性关系，利用转换系数生成光谱辐亮度避免波段宽度不同的影响。•确定转换系数的过程叫传感器定标立体角•球面面积除以球半径的平方称为立体角•辐亮度的方向性可以用立体角来描述，是二维空间角量测的扩展。•立体角经常用极坐标下的天顶角和方位角来表示。立体角是以锥的顶点为心，半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位称为“立体弧度”。和平面角的定义类似。在平面上定义一段弧微分S与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角记作dθ=ds/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2π；定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角记作dθ=ds/r^2；由此可得，闭合球面的立体角都是4π。立体角太阳高度角（elevationangle）和太阳天顶角（zenithangle），辐照度•辐亮度在半球空间上总的立体角积分，经常叫做通量密度简称通量。（单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量）二向性反射率及反照率•从非发光体表面反射的辐射与入射到该表面的总辐射之比。反照率的值介于0(完美的黑体)到1(完全反射)之间。地球外的太阳辐照强度•到达大气上界（TOA）的辐照度依赖于太阳和地球的天文学距离。•太阳常数：地球在日地平均距离处与太阳光垂直的大气上界单位面积上在单位时间内所接收的所有波长太阳辐射的总能量。地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数，描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353w／m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上3.4％。遥感建模系统•场景生成•场景辐射建模•大气辐射传输建模•导航建模•传感器建模•制图和面元划分一个前向建模流程将预测在一定的环境和传感器条件下将得到什么样的遥感数据；一个基于物理反演流程可以从遥感数据中得到陆地表面各种地球物理和生物物理变量。遥感建模系统场景生成•定量描述陆地表面目标及背景的类型，数目及空间分布之间的关系是对景观理解的定量描述•高分辨率模型适用于场景要素比像元大的时候；低分辨率模型刚好相反。•低分辨率模型可以看作是连续的混合模型的一种，其比例由场景模型中各元素大小和形状与像元内的相对密度来确定；高分辨率模型和计算机图形学密切相关。•分形系统、L系统场景模型是遥感机理研究的关键•场景模型是遥感机理研究的关键组成,通过调查光与遥感像元场景的相互作用,可以帮助人们理解遥感信号产生的机理,并验证遥感物理模型.从植被野外测量、三维结构真实遥感像元场景的参数化描述、场景数据结构、场景生成方法和流程等方面阐释了遥感像元场景模型.植被的野外测量和统计是结构真实场景的基础;•场景生成方法为:(1)使用L系统生成结构真实植株,进而生成遥感像元场景;(2)按统计规则直接生成遥感像元场景.试验表明该遥感像元场景模型可以生成符合遥感像元统计规律的三维场景,是准确和便捷地计算光与植被相互作用的可靠基础.场景的仿真生成方法基于三维几何模型的地表场景建立•在利用三维几何模型建立地表场景过程中目标和背景一般是分别建模的，并且目标和背景的数据库可以预先定义好并存储起来，使用时直接调用，目标几何模型的建立方法：•多幅图片提取法，信息处理及模式识别•软件生成法，常用的三维建模软件AUTOCAD、3DMAX等；优点是灵活性强，适用面广，可根据需要生成各种模型；缺点是工作量大，需要同时提供足够多的材质数据，对所有三维目标都要建立几何模型。场景辐射建模•几何光学模型，冠层和土壤假定由具有一定形状、大小和光学特性的几何突起以一定的方式分布于背景表面。•均匀介质辐射模型，把表面要素（树叶或者土壤微粒）看成是具有给定光学特性的小的吸收和散射微粒，随机地分布在场景内且有一定的方向。•混合模型，几何光学模型引入辐射传输理论来计算单个的光照/阴影组分。•计算机模拟模型，场景要素的排列和取向由计算机模拟，辐射特性基于辐射度和蒙特卡洛光线追踪决定。场景辐射建模228-bit256greys6-bit64greys4-bit16greys3-bit8greys2-bit4greys1-bit2greys辐射分辨率23Maximumbrightness=255Maximumbrightness=127辐射亮度范围基于辐射传输的冠层模拟大气辐射传输建模•地球大气对遥感成像有显著影响，结果很大程度上影响了地表的光谱辐射和空间分布。因此，理解大气辐射传输和对遥感图像进行大气效应纠正对于描绘地表特性非常关键。•在假定无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题。大气辐射传输建模•MODTRAN软件作为大气辐射传输计算主要的工具，主要有两种使用方式:•第一种方法利用MODTRAN制作查找表，然后利用插值的方法得到输出量，虽然在速度上较快，但精度上难以保证；•第二种方法直接使用MODTRAN源代码可以保证计算的精度，但很难使用在不同的编程语言中。大气作用场景的仿真生成•从地表零气象视距辐射亮度图像到传感器入瞳处的图像之间一定会受到大气吸收和散射作用以及大气湍流等效应的作用，造成图像变形和模糊，影响最终成像质量，要对大气作用进行精确仿真才能获得与实际最佳一致的图像，为评价遥感系统提供依据。目前大气作用仿真有两种方法：•一、采用大气辐射传输理论求解大气辐射传输方程，计算大气透过率、大气程辐射、大气下行辐射等逐个像元计算出大气顶层入瞳处（TOA）的辐射亮度图像，参数的计算一般采用LOWTRAN7或MODTRAN4软件。•二、将大气作用的效果定义为大气调制传递函数，可将其近似为湍流和气溶胶调制传递函数之积。大气辐射传输建模（6S）•1986年，法国UniversitédesSciencesetTechnologiesdeLille（里尔科技大学）大气光学实验室Tanré等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信号模拟程序5S（SIMULATIONOFTHESATELLITESIGNALINTHESOLARSPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程并计算卫星入瞳处辐射亮度。1997年，EricVemote对5S进行了改进，发展到6S（SECONDSIMULATIONOFTHESATELLITESIGNALINTHESOLARSPECTRUM）6S吸收了最新的散射计算方法，使太阳光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。大气辐射传输建模（6S）•（1）太阳、地物与传感器之间的几何关系:用太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角四个变量来描述；•（2）大气模式：定义了大气的基本成分以及温湿度廓线，包括7种模式，还可以通过自定义的方式来输入由实测的探空数据，生成局地更为精确、实时的大气模式，此外，还可以改变水汽和臭氧含量的模式；•（3）气溶胶模式：定义了全球主要的气溶胶参数，如气溶胶相函数、非对称因子和单次散射反照率等，6S中定义了7种缺省的标准气溶胶模式和一些自定义模式；•（4）传感器的光谱特性：定义了传感器的通道的光谱响应函数，6S中自带了大部分主要传感器的可见光近红外波段的通道相应光谱响应函数，如TM，MSS，POLDER和MODIS等；•（5）地表反射率：定义了地表的反射率模型，包括均一地表与非均一地表两种情况，在均一地表中又考虑了有无方向性反射问题，在考虑方向性时用了9种不同模型）。导航建模•计算出卫星在空间中的位置，以便在地球上跟踪它并知道仪器指向什么地方。传感器建模•传感器模型描绘了把地表-大气系统的光谱辐亮度转化到数字值的过程，这个数值就是用户从数据分布中心购买得到的数据。场景光谱辐亮度光谱响应空间响应电子噪声波段量化数字图像光谱响应•光电器件的光谱特性指相对灵敏度与入射光波长之间的关系，又称光谱响应。•传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。•间隔愈小，分辨率愈高，或：所记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值，越宽，分辨率越低•不同光谱分辨率的传感器对同一地物的探测效果有很大区别；如MSS（100-200nm）、AVIRIS（10nm）•传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，才能取得好效果感测人体选择8-12m,探测森林火灾应选择3-5m波谱分辨率光谱响应空间响应•调制传递函数，把经过系统的调制度M与未经系统的调制度M之比，定义为调制传递函数MTF•从物理意义看，MTF实质是各个空间频率的正弦波图象经过系统后调制损失的百分比。美国IKONOS•系统焦距：10m•F数：f/14.3•覆盖宽度：13Km•轨道高度：681Km（1997年~）光学传递函数是全面评价光学系统典型的MTF值曲线形状•A、B、C三条曲线代表三种光学素质完全不一样的摄影镜头。其中A、B两只镜头代表常见、分辨率和反差都不一样的典型照相机镜头，镜头A是反差高而分辨率低；镜头B则正好相反，分辨率高而反差低。而镜头C则是一只十分罕见的，反差和分辨率都极高的优质摄影镜头。制图和面元划分•图像生成的一个重要过程就是在特定的地图投影中把这些测量值按照规则的二维阵列进行划分。•正向面元划分，利用每次测量的位置来查找输出面元的位置；•逆向矫正，利用输出面元的位置来查找每次测量的位置。遥感建模系统-小结应用模型分析•应用模型概述•模型建立方法应用模型概述•一、模型1.模型的概念2.模型的抽象过程3.建模步骤•二、应用模型作用•三、应用模型分类1．按应用模型结构分类2．按应用模型空间特性分类3．应用模型开发特点分类4．按应用模型内容及所解决问题分类5．按模型空间过程模拟方法分类1.模型概念模型是把一个域（源域）的组成部分表现在另一个域（目标域）中的一种结构（据陈述彭教授）。源域中被表现的部分可以是实体、关系、过程或其它让人感兴趣的现象。建模的目的是把源域简单化和抽象化。源域的内容转到目的域后，在目标域中进行分析和处理。而一个模型是否有用，就要看它模拟源域的效果和它在两个域间转换的难易程度。一、模型2.建模的抽象过程这里，以供电线网的模型分析来表示建模过程。图中左侧的椭圆代表将被建模的源域，假设源域是供电线网的一部分，对该供电线网进行分析，一个恰当的模型可能就是数学中的网络结构分析，并由此得到目标域；建模函数则要把源域中的要素和目标域中的要素联系起来。可以在目标域中进行网络变换与分析，分析结果再回到源域（供电网）中进行实际分析。建模函数m作用在源域D上。源域中的变量t转换到目标域后成了m(t)；在目标域的转换结果则通过建模函数的反变换inv(m)再回到D中进行解释。如果模型精确地反映了源域D中的变量t的转换。那么这个建模过程就是有效的。这个建模过程可表示为如下的等式：inv(m)om(t)om=t其中：o表示函数的组织，上式可进一步简化为：m(t)om=mot该结构关系是制图学的数学理论基础所涉及到的内容。源域目标域建模函数Dmm（D）tm（t）Inv（m）一、模型3.建模步骤应用域的各种现象就是域模型（Domainmodel）所要模拟表现的主题，应