地表参数的多源遥感信息综合定量反演
定量遥感的定义
定量遥感的定义定量遥感随着经济和科技的发展，国家的宏观决策、资源调查、环境及灾害监测等影响国民经济发展的关键领域急需数据支持，要求数据具有空间上的宏观性，时间上的连续性和可获取数据的全面性。
而遥感技术正具备这一能力，它能够以不同的时空尺度不断地提供多种地表特征信息。
但是与遥感卫星获取数据的能力相比，遥感数据的自动、定量化处理乃至对遥感数据信息的理解能力与对遥感数据的有效利用却远远不足，这也是目前制约遥感发挥作用的瓶颈问题。
因此，定量遥感逐渐成为遥感发展的主要方向。
定义定量遥感或称遥感量化遥感研究，主要指从对地观测电磁波信号中定量提取地表参数的技术和方法研究，区别于仅依靠经验判读的定性识别地物的方法。
它有两重含义：遥感信息在电磁波的不同波段内给出的地表物质的定量的物理量和准确的空间位置；从这些定量的遥感信息中，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。
建模装置在星体上的传感器，它的可测参数一般为电磁波的属性参数，也就是电磁辐射强度、偏振度、相位差等，而我们的目的是要从这些可测参数中获得有关目标的物理的、地理的、化学的、甚至生物学的状态参数，所以在可测参数与目标状态参数间建立某种函数关系是实现目标参数反演的关键一步，我们称它为建模。
遥感模型一般分为三种：1.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。
2.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。
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。
多源遥感在土壤水分定量反演中应用概述
多源遥感在土壤水分定量反演中应用概述摘要:土壤水分作为土壤的重要组成部分,对农业、水文、气象等方面具有很高的应用价值,在该领域的探索与研究一直比较活跃,遥感技术的发展为实时快速获取土壤水分信息提供了新的手段,已成为目前遥感技术应用研究的前沿领域,本文系统总结和分析了国内外土壤水分的遥感定量估测方法,并最后提出了该领域可能的发展方向,相信对从事相关工作的研究人员会有一定的参考价值。
关键词:遥感土壤水定量反演土壤水分是表示一定深度土层的土壤干湿程度的物理量,是监测土地退化和干旱的重要指标,同时也是水文学、气象学、土壤学、生态学以及农业科学等研究领域中的一个重要参数。
一方面它影响地表与大气界面的水分和能量交换,其变化会引起土壤热学特性、地表光学特性的改变,从而影响气候的变化;另一方面它是植物和作物赖以生存的主要源泉,其大小决定着植物或作物根系的发育,对进行大尺度精准农业的水分调节,节水灌溉具有重要意义。
遥感技术不仅能对农作物长势进行大面积、实时、非破坏性监测,从而实现精准农业的发展对地表土壤水分信息快速、及时的掌握,还能为精准农业的发展提供动态监测和分析作物的健康状况与影响作物产量等必要的技术支持。
目前获取土壤水分含量的方法主要有田间实测法、土壤水分模型法和遥感法三种。
其中传统的田间实测法和土壤水分模型法,因测点稀、速度慢、范围有限,无法满足精准农业中对土壤水分信息快速获取的需求。
而遥感估测土壤水分的方法原理是通过测量土壤表面发射或反射的电磁能量,研究遥感信息与土壤水分含量之间的关系,并建立相关的信息模型,从而反演出土壤水分情况,恰恰克服了前二种估测方法的实时性差、单点测量空间变异性差、不能宏观表现等缺陷,为精准农业中大面积快速获取土壤水分信息、实时准确监测提供科学依据。
1 国内外研究进展如何快速、准确地获取区域地表土壤含水量信息是定量遥感研究的热点之一,也是目前遥感技术应用研究的前沿领域。
国内外用遥感技术监测土壤水分的方法有很多,目前在该领域的研究主要集中在光学遥感(即可见光-近红外、热红外遥感)和微波遥感波段进行。
定量遥感课件地表温度反演-最新课件
地表温度的反演-地表温度反演算法
• 单通道多角度法
同一物体从不同角度观测所经过的大气路径不 同而产生不同的大气吸收。 大气的作用可通过单通道在不同角度观测下所 获得的亮温的线性组合来消除。 大量的工作用于研究海水表面温度的反演 只有少量的关于陆面温度反演的研究。（由于 不同角度的地面分辨率不同，以及陆地表面状 况很不均匀和地物类型复杂）
Wan 和 Dozier(1989)把遥测地表温度当作一个地球物理 学的反演问题,通过Lowtran程序进行数值模拟,评价了温度反演 的可行性并提出了合理的波谱段范围,认为通过多波谱同时反演地 表温度和地表比辐射率是可行的。
Wan 和 Dozier(1996)通过大气传输模型进一步模拟计算 指出：1)统计回归的系数与传感器的视角有关；2)为了提高反演 精度，模拟计算回归系数时有必要把大气含水量、大气低层温度 和地表温度考虑进去,而不能在所有的情况下都用相同的系数来反 演地表温度。
MODIS
通道 3 4 5 20 22 23 29 31 32 33
波长范围 (mm) 3.54-3.94 10.32-11.32 11.41-12.38 3.660-3.840 3.929-3.989 4.020-4.080 8.400-8.700
10.780-11.280 11.770-12.270 13.185-13.485
设太阳的影响可忽略：
e T s i B i 1 B iT i R a ti i1 iR a ti
e
i
•大气参数的计算需要知道大气的温度和在通道上大气 吸收体密度的垂直廓线，而且还需知道这些大气吸收体 的物理特性。
地表温度的反演-地表温度反演算法
✓单通道法的精度取决于： ✓ 大气辐射传输模型的精度
定量遥感分析
定量遥感分析随着经济与科技的发展，国家的宏观决策、资源调查、环境及灾害监测等影响国民经济发展的关键领域急需数据支持，要求数据具有空间上的宏观性，时间上的连续性与可获取数据的全面性。
而遥感技术正具备这一能力，它能够以不同的时空尺度不断地提供多种地表特征信息。
但是与遥感卫星获取数据的能力相比，遥感数据的自动、定量化处理乃至对遥感数据信息的理解能力与对遥感数据的有效利用却远远不足，这也是目前制约遥感发挥作用的瓶颈问题。
因此，定量遥感逐渐成为遥感发展的主要方向。
一、什么是定量遥感定量遥感或称遥感量化遥感研究，主要指从对地观测电磁波信号中定量提取地表参数的技术与方法研究，区别于仅依靠经验判读的定性识别地物的方法。
它有两重含义：遥感信息在电磁波的不同波段内给出的地表物质的定量的物理量与准确的空间位置；从这些定量的遥感信息中，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。
定量遥感不仅要进行遥感建模与各种前向模型的研究，还要进行各种反演模型与反演策略的研究。
目前在国际上，越来越多的学者们认识到遥感科学在地学从传统定点观测数据到不同空间范围多尺度空间转换与地球系统科学研究中的不可替代作用。
而遥感科学能够在多远数据综合集成及地学应用方面对地球系统科学研究发挥决定性作用。
然而，相对快速发展的遥感技术而言，定量遥感的基础研究仍严重不足。
这对全世界遥感科学界都是一个挑战，对我们来说则更多的是一种跨越发展的机遇。
二、遥感模型分类：1.统计模型（即经验模型）：基于陆地表面变量与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与认识，参数之间缺乏逻辑关系。
2.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。
不同空间尺度森林参数多源遥感反演方法
不同空间尺度森林参数多源遥感反演方法森林作为地球陆地生态系统中面积最大、最重要的自然生态系统,在维持全球生态平衡,促进全球生物进化和群落演替等方面起到了至关重要的作用。
森林参数作为森林生态系统最基本的数量表征,能够反映森林与环境间物质循环与能量流动关系,是评估森林碳源和碳汇的重要标志。
森林冠层高度和地上生物量作为两种重要的森林参数,对其区域分布进行定量化研究可以为评估森林生态系统的健康状况发挥重要的理论和现实意义。
传统的森林冠层高度和地上生物量测量方法主要以人工野外实地调查的方式获取,该方法费时费力并很难应用于大区域森林调查。
遥感作为20世纪末发展起来的新兴学科,正在以独特的观测视角为森林参数的定量估测提供新的研究方法。
光学遥感影像具有空间分布连续性,能够提供多样化的光谱信息,可为区域尺度森林参数反演提供相应的遥感特征扩展因子。
但是其信号穿透能力差,只能获取被测物体的二维平面光谱信息;激光雷达作为近些年迅速发展的主动式遥感技术,对森林冠层有着较强的穿透能力,能够获取森林垂直结构分布。
机载激光雷达以一种自上而下的扫描方式的对地物进行观测,其获取的三维点云能够精确描述森林的三维结构特征,被广泛应用于林分森林参数估测。
然而,其数据获取成本较高,容易受天气条件的限制,很难覆盖大区域。
星载激光雷达ICESat/GLAS的激光传感器被安置在卫星上,对陆地表面进行光斑采样,这些属性使得其有更大的数据覆盖范围,并且可以定期重复观测。
由于GLAS的大光斑属性,在地形变化较大区域,其光斑范围内波形形状易受地形影响而产生畸变,从而使得GLAS光斑森林参数估测产生偏差。
因此,如何充分发挥不同遥感数据源的优势,在不同空间尺度(林分,光斑和区域)进行森林参数反演成为本文研究的重点内容。
本文在其他学者研究的基础上,以中国东北部主要森林覆盖区大兴安岭地区为例,开展了基于多源遥感数据的不同空间尺度森林参数反演的方法研究,主要从以下三个方面开展:1)林分森林参数反演:利用机载LiDAR点云数据反演林分森林冠层高度,利用融合机载LiDAR特征和Landsat TM影像纹理特征的方法反演林分地上生物量;2)GLAS光斑森林参数反演:利用星载GLAS波形参数和SRTM地形数据建立地形校正模型反演GLAS光斑森林冠层高度,利用GLAS光斑森林冠层高度以及GLAS波形参数反演GLAS光斑地上生物量;3)区域尺度森林参数反演:利用GLAS光斑森林参数反演结果作为训练样本,MODIS标准产品作为扩展因子,FAO生态分区为建模分区标准,SVR模型作为空间建模方法,对区域尺度森林冠层高度和地上生物量进行反演。
遥感模型与反演方法
(d)
(e)
(f)
Hale Waihona Puke 不同植被类型的BRDF(GOMS模型)
conifer(a,d) savanna(b,e) shrubland(c,f) 红光波段（a-c） 近红外波段（d-f）
=55º
Li-Strahler几何光学-辐射传输混合模型GORT 由于几何光学模型和辐射传输模型分别在不同的尺度上 具有各自的优势，李小文和 Strahler 充分利用几何光学模型 在解释阴影投射面积和地物表面空间相关性上的基本优势， 在纯 GO 模型和不连续植被间隙率模型的基础上，用辐射传输 方法求解多次散射对各面积分量亮度的贡献，分两个层次来 建立承照面与阴影区反射强度的辐射传输模型，并以间隙率 模型作为联系二者的关键。
（1）辐射传输模型
电磁波从辐射源到目标的传输过程，表示为观测方向 ｓ 上 关于辐亮度Ｉ的辐射传输方程：
dI ( s ) K (I J ) ds
K－消光系数，Ｊ－源函数。 将辐射传输方程写作微积分形式：
I ( , s ) I ( , s ) ( / 4 ) P( s, s' ) I ( , s' )d' ( r, s ) /
李一 Strahler(1985， 1986) 根据稀疏林的实际情况，抛 弃了“小几何体”假定，直接用森林结构参数计算四个分量随 太阳角和观察角变化，建立了遥感像元尺度的天然林BRDF模型。
典型的几何光学模型为景合成模型：
R(v) ki (v)Ri (v)
其中，R(v) 为冠层的反射率，v 表示为光照方向和观察方向的 函数，Ri(v) 为冠层组分的反射率，Ki(v)表示为冠层结构参数 的函数。
多角度遥感提供多个方向的观测数据，相比单一方向观测 提供了更多的信息，多角度观测信息的利用要求对植被冠层二 向性反射特征的描述 －冠层反射的BRDF 模型。
植被覆盖地表土壤水分遥感反演
植被覆盖地表土壤水分遥感反演一、概述植被覆盖地表土壤水分遥感反演是当前遥感科学与农业科学交叉领域的重要研究方向。
随着遥感技术的不断进步，利用遥感手段对植被覆盖地表下的土壤水分进行反演，已经成为监测土壤水分动态变化的有效手段。
本文旨在深入探讨植被覆盖地表土壤水分遥感反演的基本原理、方法进展及实际应用，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考。
植被覆盖地表土壤水分遥感反演的基本原理在于，通过遥感传感器获取地表植被和土壤的综合信息，进而利用特定的反演算法提取出土壤水分含量。
这一过程中，植被覆盖对遥感信号的影响不可忽视，如何有效去除植被覆盖的影响，成为植被覆盖地表土壤水分遥感反演的关键问题。
在方法进展方面，近年来国内外学者提出了多种植被覆盖地表土壤水分遥感反演方法，包括基于植被指数的反演方法、基于热惯量的反演方法、基于微波遥感的反演方法等。
这些方法各有特点，适用于不同的研究区域和植被类型。
随着深度学习等人工智能技术的快速发展，其在植被覆盖地表土壤水分遥感反演中的应用也逐渐受到关注。
在实际应用方面，植被覆盖地表土壤水分遥感反演在农业、生态、环境等领域具有广泛的应用前景。
通过实时监测土壤水分状况，可以为农业生产提供科学的灌溉指导，提高水资源的利用效率也可以为生态环境监测和评估提供重要的数据支持，有助于维护生态平衡和可持续发展。
植被覆盖地表土壤水分遥感反演是一项具有重要意义的研究工作。
随着遥感技术的不断进步和反演算法的不断优化，相信这一领域的研究将会取得更加丰硕的成果。
1. 背景介绍：植被覆盖地表土壤水分的重要性及其在农业、生态和环境监测中的应用。
植被覆盖地表的土壤水分是地球水循环的重要组成部分，它直接影响着植被的生长和生态系统的平衡。
在农业领域，土壤水分是作物生长的关键因素之一，其含量和分布直接影响着作物的产量和品质。
准确获取植被覆盖地表的土壤水分信息，对于指导农业生产、优化水资源管理具有重要意义。
在生态方面，土壤水分与植被覆盖度之间存在着密切的相互作用关系。
定量遥感分析
定量遥感分析随着经济和科技的发展，国家的宏观决策、资源调查、环境及灾害监测等影响国民经济发展的关键领域急需数据支持，要求数据具有空间上的宏观性，时间上的连续性和可获取数据的全面性。
而遥感技术正具备这一能力，它能够以不同的时空尺度不断地提供多种地表特征信息。
但是与遥感卫星获取数据的能力相比，遥感数据的自动、定量化处理乃至对遥感数据信息的理解能力与对遥感数据的有效利用却远远不足，这也是目前制约遥感发挥作用的瓶颈问题。
因此，定量遥感逐渐成为遥感发展的主要方向。
一、什么是定量遥感定量遥感或称遥感量化遥感研究，主要指从对地观测电磁波信号中定量提取地表参数的技术和方法研究，区别于仅依靠经验判读的定性识别地物的方法。
它有两重含义：遥感信息在电磁波的不同波段内给出的地表物质的定量的物理量和准确的空间位置；从这些定量的遥感信息中，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。
定量遥感不仅要进行遥感建模与各种前向模型的研究，还要进行各种反演模型和反演策略的研究。
目前在国际上，越来越多的学者们认识到遥感科学在地学从传统定点观测数据到不同空间范围多尺度空间转换和地球系统科学研究中的不可替代作用。
而遥感科学能够在多远数据综合集成及地学应用方面对地球系统科学研究发挥决定性作用。
然而，相对快速发展的遥感技术而言，定量遥感的基础研究仍严重不足。
这对全世界遥感科学界都是一个挑战，对我们来说则更多的是一种跨越发展的机遇。
二、遥感模型分类：1.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。
2.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。
矿山遥感调查的理论及方法研究
矿山遥感调查的理论及方法研究一、概述随着遥感技术的飞速发展，其在矿山调查领域的应用日益广泛，已成为矿山资源调查、环境监测和灾害预警的重要手段。
矿山遥感调查作为一种高效、无损的探测方法，能够快速获取大范围矿山区域的地质、地貌、植被等信息，为矿山开发和管理提供科学依据。
本文旨在探讨矿山遥感调查的理论基础、技术方法及其在实际应用中的优势与局限性，为矿山遥感调查的深入研究和实践应用提供参考。
本文将介绍矿山遥感调查的基本原理，包括遥感传感器的工作原理、遥感影像的获取与处理方法，以及矿山遥感调查的主要数据源。
本文将分析矿山遥感调查的关键技术，如遥感影像的预处理、特征提取、信息解译和定量分析等。
再次，本文将探讨矿山遥感调查在不同矿山类型和环境条件下的应用案例，以展示其广泛的应用前景和实际效益。
本文将总结矿山遥感调查的优势与挑战，并对未来发展趋势进行展望。
通过本文的研究，旨在提高对矿山遥感调查理论及方法的认识，推动其在矿山资源调查、环境监测和灾害预警等方面的应用，为矿山可持续发展提供技术支持。
1. 研究背景及意义随着我国经济的快速发展，矿产资源的需求量不断增加，矿山开发活动日益频繁。
传统的矿山调查方法往往存在效率低下、成本高昂、数据更新滞后等问题，难以满足当前矿山管理的需求。
遥感技术作为一种新兴的探测手段，具有覆盖范围广、信息获取速度快、成本低等优势，逐渐在矿山调查领域得到广泛应用。
本研究旨在探讨矿山遥感调查的理论及方法，以期为我国矿山资源调查、环境监测和管理提供科学依据和技术支持。
通过对矿山遥感调查的理论及方法进行深入研究，有助于提高矿山调查的效率和质量，降低调查成本，实现矿山资源的可持续利用。
本研究还将为矿山遥感调查技术的推广应用提供理论指导和实践参考，促进矿山遥感调查技术的发展和创新。
本研究对于提高我国矿山遥感调查技术水平，促进矿山资源的合理开发和有效管理，保护矿山生态环境，实现矿山可持续发展具有重要意义。
南大遥感名词解释讲解
普朗克定律：普朗克（Planck）定律－描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。
•辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。
•温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交。
I = 1.95 cal/cm2min = 1.360×103W/m2
模式识别：
ARC/INFO：
判读标志：
GPS：
长二捆：长征二号捆绑运载火箭（CZ-2E），简称长二捆，是一枚大型两级捆绑式运载火箭。在其一级外部捆绑有四个直径为2.25米，高为15米的助推器，主要用于发射近地轨道有效载荷。
捆绑式火箭：是指将多枚火箭并排捆绑起来发射，目的是为了使众多火箭同时产生更大推力。由于捆绑式火箭推力大，所以可以用它来运载更重的航天器上天。
数字图像处理：
中心投影：
航向重叠和航向重叠率：
升交点：
SPOT：
HDDT：
太阳同步轨道：
灰标：
像点位移：
CCD：电荷耦合器件CCD，CCD是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测原件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、动耗小、寿命长、可靠性高等一系列有点，并可做成集成度非常高的组合件。
3）高光谱成像光谱扫描：既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的技术，称为成像光谱技术。按该原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。
北师
黑体：
反射因子：
成像光谱仪：
漫反射：
比辐射率：
透视收缩：
地形叠掩：
米氏散射：
体散射：
直方图均衡化：
植被指数：比值运算可以检测波段的斜率信息并加以扩展，以突出不同波段间地物光谱的差异，提高对比度。该运算常用于突出遥感影像中的植被特征、提取植被类别或估算植被生物量，这种算法的结果称为植被指数。
地表定量遥感反演研究简介
应用—灾害监测（地震次生灾害监测）
应用—地质矿产资源调查
新疆哈密地区 1：5万
岩矿填图结果
绿帘石 绿泥石 云母
硫酸盐（方解石） 蒙脱石 盐碱
形成“成像机理——光谱特性——岩矿库——识别模 型”整套流程和方法！
遥感进一步发展亟待解决的问题
国家科技国家科技发展中长期规划中，“高分辨率 对地观测系统”已列为十六个重大专项之一，据悉 国家财政投入计划160个亿，加上部门匹配估计投 入300亿以上。
多源数据的同化
前述先验知识库可以用于某次遥感图像的反演。 为了充分利用时间序列遥感数据，我们可以一次一次地
反演，早些数据反演的结果作为先验知识用于晚些数 据的反演。但这样误差会积累。 解决的办法是同化。就是把所有的，不同时空尺度，不 同来源的数据都利用起来，估计待求参数的最合理的 值（序列值）
多源数据的协同反演
办法1：多发卫星
提高分辨率(1m)， 2nm 高光谱、600波段
办法 2遥：感数据的
这个办法，我们 暂时没有优势：
牵涉到大量的经
费和相当的工作 积累
？
地学理解、 多学科交 定性到定量 叉
供需矛盾
新应用需要的有效信息 匮乏
目前遥感的基础理论 很不成熟，缺乏对遥 感数据的地学理解
从这里突破 我们有优势
面对先进的对地观测技术为我们提供的 各种各样的丰富数据资料，如何才能对 其充分应用，使其社会造福，满足国家 需求？
从 “973”项目尺度效应、尺度转换及建模验证的角度，我 们发现：波谱测量的同时必须测量地物的结构、环境等配套参数 ，波谱数据才能更好地用于不同观测尺度的地面目标。从模型反 演地表参数，需要积累大量的背景测量数据的支持。这是后来在 国家863计划中立项建立的“我国典型地物标准波谱数据库”。
地表参数
2、地表参量—北方地区地表温度(1km)
多光谱热红外卫星遥感数据
（AIRS、IASI 数据；MODIS 数据）
卫 星 数 据
尺度扩展：通过片区与
样区的调查及收集（气象
地表温度遥感反演的通用“劈窗”方法，地表比辐射反演方法 大气可降水汽含量反演方法
反 演 方 法
部门），对地表比辐射率 和大气水汽含量等区域化 参数进行确定；对农田、
24
光能利用率ε 温度胁迫T2
( SR SRmin ) ( FPAR max FPAR min ) FPAR ET FPAR 植被蒸散发 水分胁迫W min SRmax SRmin
(t ) * T1 (t ) T2 (t ) W (t )
ETWatch
高时间分辨率
AVHRR MODIS SPOT VGT ……
过程：方法与监测
单要素数据同化
多源数据同化技术/系统 多要素数据同化
数据融合与同化 参量估算方法研究
同化数据 协调、一致的时空连续数据集 （1）高时间分辨率 （2）高空间分辨率 （3）高精细/海量 （4）高可靠性 土地覆盖及地表参量监测方法 植被覆盖度/LAI 监测模型 NPP/生物量监 测模型 地表温度/蒸散 发监测模型
表参量指标。
3、科学问题—有生态学意见的遥感参量
空间一致、时间可比、满 足动态生态模型需求
数据重建：不同遥感平台、 不同传感器间的数据存在不 一致 协同反演：不同遥感数据反 演得到的陆表参数间的不一 致 模型同化：时间尺度与空间 分辨率与需求间的不一致
耦合间隙
Original NDVI
Hyperion
光谱库
数据处理
光谱观测
多源遥感协同反演 ppt课件
5
定量遥感的核心是从观测数据中反演地表参数；
遥感辐射传输模型是遥感反演的基础。
P 是待反演的地表参数
L f , s x, y, z , t, , P,
单位: m 紫 外 线 可 见 光 0.01×10
-6
0.4×10
-6
研究电磁波与地物的相互作用机理， 建立地表与大气遥感辐射传输模型。
报告提纲
一、引言
二、全球综合观测共性定量遥感产品生成系统设计 三、地表参数多源遥感协同反演研究进展
863重大项目“星机地定量遥感技术系统与应用”
项目总体目标
面向矿产、跨境河流、粮食、森林与碳汇等战略资源的全球监 测需求，研究星地协同观测与卫星组网关键技术，攻克多尺度 时空遥感数据快速定量流程化处理、基于卫星组网和虚拟星座 的综合定量遥感产品生成和真实性检验等关键技术，为建立星 机地综合定量遥感应用系统、实现全球资源与环境遥感信息的 业务运行服务提供技术支撑，为国家全球资源环境战略决策与 外交谈判提供信息支撑。
攻关、系统总体设计和原型系统开发，以及模型方法的实验验证， 为二期项目开展提供技术方法支撑。
项目二期：2013—2015年
批复经费：3710万元，分为3个课题 集成一期关键技术，重点解决全球定量遥感信息服务，建立
业务化的运行系统
二、项目总体设计
1. 框架设计：中国遥感网的组成单元及其相互关系
卫星遥感网 （松/紧耦合）
全球LAI产品交叉验证 框架和策略
(Garrigues et al., 2008)
存在的问题
针对特定遥感传感器的产品，定量化水平低、时空 不连续，精度不高；
• 定量遥感仍存在关键技术瓶颈亟待突破
不同传感器定量遥感产品不一致性问题 多源遥感协同反演问题 地星协同的定量遥感估算问题 ( Garrigues, 2008)
第四章 定量遥感
正演模型
已知地表上每一类目标地物的固有波谱特征等参数 和大气各种参数，求出观测目标区域所有目标地物 的电磁波（反射）强度，成为正演建模问题，即前 向建模问题 正演建模是从遥感机理出发，用数学物理模型来描 述电磁波传播过程，揭示电磁波与地表物质之间相 互作用规律，在此基础上形成遥感信息模型。
反演模型
混合像元模型
混合像元模型的公式可以表示为，像元反射率是 所组成端元的反射率、各端元所占的面积比例以 及其他参数函数，即：
• 其中j=1,….n表示端元序号，ρ为反射率，a为面积 比例，x表示其他各种参数（可能不止1个）
遥感进一步发展亟待解决的问题
•
需要实现从定性到定量的过渡
√ 精度要求越来越高
不同的地面目标像元结 构不同，方向反射特征 就不同，产生形状不同 的BRDF。 若能从多角度遥感信号 中获得地表像元的 BRDF，就可以从中定 量提取地表像元的结构 参数信息。
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，试图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 致偏亮阴影。
尺度效应研究应该根据定量遥感反演需求来确定不同 的空间尺度，着重研究不同尺度信息的空间异质性特 点 ，尺度变化对信息量、信息分析模型和信息处理结 果的影响，并进行尺度转换的定量描述。 尺度效应研究不同分辨率遥感图像之间的关系。
MODIS和ASTER 的像元尺度对比
尺度效应不是一个新的概念，但定量地学描述是地 学与其他学科交叉的基础，是遥感科学的关键。 国外尺度效应研究基本上仍停留在不同尺度上 同一种量的线性或非线性关系的经验研究水平 上，我们用几何光学模型来解释不通过尺度上量 的内涵的变化，量的性质的改变，以及物理定 律的适用性。
热红外地表温度遥感反演方法研究进展
热红外地表温度遥感反演方法研究进展一、概述随着遥感技术的快速发展，热红外遥感已成为获取地表温度信息的重要手段。
地表温度，作为反映地球表面热状况的关键物理量，不仅影响着大气、海洋、陆地等环境物理过程，还是研究土壤含水量、作物干旱程度、地表蒸散等生态要素以及城市热环境等环境要素的关键参数。
热红外遥感地表温度反演方法的研究与应用，对于全球气候变化监测、城市规划、农业管理等多个领域具有重要意义。
热红外遥感地表温度反演方法主要包括利用红外辐射温度表探测地表温度的方法，星载传感器的红外通道反演地表温度的单窗、分裂窗等反演方法，组份温度的反演方法，以及在微波波段遥感反演地表温度的方法等。
这些方法各有优缺点，适用于不同的应用场景。
对热红外遥感地表温度反演方法的研究进展进行综述，不仅有助于理解各种方法的原理和应用，还能为实际应用中选择合适的方法提供指导。
近年来，随着遥感技术的发展和数据处理技术的进步，热红外遥感地表温度反演方法的研究取得了显著成果。
一方面，传统的反演方法如辐射传输模型法、单窗算法等不断得到优化和完善，提高了反演的精度和稳定性另一方面，新的反演方法如基于机器学习的反演算法等也逐渐崭露头角，为地表温度反演提供了新的思路。
热红外遥感地表温度反演方法仍存在一些挑战和问题。
例如，大气条件对地表温度反演的影响仍是一个难点问题不同地表类型的发射率差异也会对反演结果产生影响遥感数据的获取和处理也是制约反演精度和效率的重要因素。
未来的研究需要在提高反演精度和稳定性的同时，更加注重解决这些挑战和问题。
本文将对热红外遥感地表温度反演方法的研究进展进行综述，重点介绍各种反演方法的原理、优缺点以及应用情况。
同时，还将对未来的研究方向进行展望，以期为热红外遥感地表温度反演方法的发展和应用提供参考和借鉴。
1. 介绍热红外地表温度遥感反演的重要性。
随着全球气候变化和环境问题的日益凸显，对地表温度的准确监测和评估变得至关重要。
热红外地表温度遥感反演技术作为一种非接触、大范围、快速的地表温度获取方法，其重要性日益凸显。
农业旱灾监测中的地表温度遥感反演方法--以MODIS数据为例
·７０·自然灾害学报１４卷选取感兴趣区（如图２所示的方框）进行统计，结果表明，感兴趣区内８月份的平均温度为４６．９８℃，比４月份的平均温度（３５．９５℃）高出１１０Ｃ。
显然，这是西北沙漠地区夏季高温少雨，地表异常干燥，在白天太阳曝晒下容易增温的结果。
从感兴趣区内的地表温度标准差来看，这两个月份比较接近，８月份为３．９８℃，而４月份为３．８６℃，说明该区域内地表温度空间差异呈现出随季节同步变化的趋势，同时也指出了地表温度反演结果的可靠性。
用ＭＯＤＩＳ数据反演地表温度有利于对区域地表水热状况和近地表温度场的认识，正是全国农业旱情和土壤墒情监测的需要。
图２我国东中西三景ＭＯＤＩＳ数据的地表温度反演结果ｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅｒｅｔｒｉｅｖｅｄｆｒｏｍＭＯＤＩＳｄａｔａｆｏｒｅａｓｔ（ａ），ｍｉｄｄｌｅ（ｂ）ａｎｄｗｅｓｔ（ｅ）ｏｆＣｈｉｎａＦｉｇ．２Ｓｐａｔｉａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆ６结语地表温度是决定农业旱情和土壤墒情时空动态变化的重要因素。
热红外遥感通过探测地表热辐射强度来监测地表热量时空动态，在农业旱灾监测中已经得到广泛的应用。
多波段ＭＯＤＩＳ卫星图像有８个热红外波段数据。
分裂窗算法是目前世界上最成熟的地表温度遥感反演方法，但主要用于ＮＯＡＡ—ＡＶＨＲＲ的第４和第５通道热红外数据。
ＭＯＤＩＳ的第３１和第３２波段最接近于ＡＶＨＲＲ的第４和第５通道，因而最适合于用来进行农业旱灾监测所需要的农田地表温度反演。
本文探讨了ＭＯＤＩＳ数据的地表温度反演方法，包括反演算法的选择、基本参数确定和快速反演工作流程。
在现有的１７种分裂窗算法中，Ｑｉｎｅｔａ１．１２３］提出的两因素反演模型仅需要两个基本参数，并保持很高的反演精度，因而是地表温度遥感反演的最佳选择。
为了满足农业旱灾监测所需要的快速反演要求，我们着重论述了该反演模型在ＭＯＤＩＳ数据的具体应用问题，并根据ＭＯＤＩＳ图像数据的波段特征重新确定了模型的常量。
遥感信息定量化分析方法
遥感信息定量化分析方法遥感技术已成为陆、海面过程实验和研究的一个必不可少的手段。
遥感技术以其特有的优势，实现了对地表不间断的昼夜观测，并在获取区域上的陆、海面参数方面具有不可替代的作用。
从遥感信息中获取陆、海面参数的过程，其实就是遥感信息定量化分析的过程。
众所周知，如今遥感技术开展的重要趋势之一就是从定性遥感向定量遥感开展。
遥感信息定量化的过程其实就是建立遥感信息模型的过程，即得出遥感数据与陆、海面参数之间相互关系的方程。
其步骤大致如下：首先对遥感数据进行校正，包括几何校正和辐射量校正。
其中辐射量校正对于遥感信息定量分析非常重要，具体指消除遥感数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程，主要包括对传感器的灵敏度特性引起的辐射误差校正、光照条件的差异引起的辐射误差校正以及大气的散射和吸收引起的辐射误差校正，即大气校正。
然后利用各种数学方法，如回归分析法，建立实测的陆、海面参数与遥感数据〔大多是从遥感数据中计算得来的各种参数〕之间的关系模型，即遥感信息模型。
最后在对建立起来的遥感信息模型进行正确性验证的根底上，利用遥感数据对大面积区域的陆、海面参数进行反演。
根据遥感信息获取所利用的电磁波波段的不同，具体又可以分为分成光学遥感和微波遥感。
下文从光学遥感和微波遥感两个方面对遥感信息的定量化分析方法进行介绍。
光学遥感：光学遥感〔包括可见、近红外及热红外遥感〕对地表反射率、地表温度〔LST〕以及植被参数等的获取具有较大的优势，而对其它参数如土壤湿度、地表粗糙度也有一定的有效性。
〔1〕地表反射率：地表反射率是控制地表净辐射并进而影响地表及低层大气的加热率的重要参数。
遥感反等针对气演地表反射率已有很多成熟的方案，可以直接从遥感数据获取地表反射率。
Pint y象卫星宽带数据，Nunez等针对GMS数据以及Brest等针对Landsat数据都开展了反演地表反射率的方法。
Saunders等利用NOAA/AVHRR的可见和近红外数据开展了反演算法，求出了英国Isles地区4～10月的地表反射率分布，其结果分别是农业区具有高于真值17％～22％以及城区和山区低于真值大约13%的精度。
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地表土地覆盖/土地利用及变化监测 大气汽溶胶与大气水汽含量 大气衡量气体/污染气体遥感反演:NO2, O3, SO2 水质参数遥感反演：叶绿素、泥沙、黄色物质 地表二向反射率与地表反照率 植被指数、植被叶面积指数 地表温度、地表发射率 土壤含水量 植被生物量/净初级生产力 感热通量/地表蒸散 ……
使用RSIS软件反演的温度（右边）与MODIS温度产品（左边） 的对比，结果明显改进。
除传统的生成NDVI、EVI以及SAVI，系统针对不同的下界面条件选择 不同的植被反射模型进行叶面积指数的遥感反演。
植 被 指 数 与 叶 面 积 指 数
TM图像 （红框为第三个实验点区域 ）
8月11日 混合像元反演精度 72% 8月31日 62% 9月13日 73%
NPP遥感模型估算结果和千 烟洲通量塔观测结果比较
红外沙尘暴监测(白天)
28 Terra at 11:17on Apr. 28
Aqua at 12:53 on Apr. 28
红外沙尘暴监测(晚上)
Terra at 22:21 on Apr. 28
Aqua at 2:31 on Apr. 29
7月11日MODIS-1km图 像提取的棉花长势图
以EOS/MODIS为主要遥感数据源，以1公里尺度地表参数 定量遥感产品为目标，开发“RSIS遥感反演系统（1.0）”， 2003年进行软件产权登记，在科技部2003年遥感软件评测中被 评为“优秀软件”，目前国内用户40余家。功能包括：
数据管理模块：实现对数据组织管理，以及数据的导入 导出。 数据预处理模块:去云处理、辐射纠正、大气纠正、几何 纠正与图像匹配等功能。 大气气溶胶与大气水汽含量反演模块 地表二向反射率与地表反照率反演模块 植被指数提取、叶面积指数反演模块 地表发射率与温度反演 FPAR、NPP的遥感定量估算 地表感热通量与地表蒸散遥感定量估算 土地覆盖信息综合提取模块
原 始 图 像 高 云 检 测 薄 云 和 云 的 边 缘
云 检 测
可 见 光 通 道 检 测
低 云 检 测
最 终 检 测 结 果
使用云雪辐射差异指数解决了可见光检测中云和雪及其它亮度较大 的地表的区分问题，以及红外通道中低云和温度较低的地表的区分。
大 气 参 数 反 演
系统能够反演气溶胶光学厚度与大气水汽含量，并利用它们，使 用6S模型进行大气纠正。
遥感反演系统RSIS1.0
软件界面
► 软件功能
数据预处理 几何纠正 大气纠正 。。。
大气参数反演
云检测
水汽反演
气溶胶反演
。。。
地表参数反演
反照率反演
地表温度反演
叶面积指数反演
。。。
应用产品
PAR
地表蒸散
NPP
。。。
针对高云、低云、薄云和厚云以及云的中心和边缘地带分别使用不同 的方法进行检测。检测中合理设置了基于MODIS图像的阈值。
7月11日MODIS-1km图像 提取的棉花旱情分布图
3. 面临的机遇与挑战
我国已启动科技共享大平台建设，卫星遥感数据的共享是其重要内容，不但 数据要有效共享，更需要遥感信息资源的共享，目前缺乏综合遥感信息定量 处理平台。
我国农业、林业、大气、海洋、资源、环境等领域对遥感定量应用的需 求也越来越迫切； 遥感逐步从定性向定量发展，而定量遥感则以地表参数的定量遥感反演 为核心； 单一遥感传感器总是面临遥感信息量不足的问题，反演的定量遥感数据 产品精度、时间频度不能满足应用的需求。 目前地表参数的反演通常是单一传感器数据多天数据构成的数据集，但 地表信息随时间是变化的，多天数据组合对特定目标并不适合；多传感 器构成的数据集并未真正应用。 目前国内外的商业遥感图像处理软件系统，没有遥感定量反演地表参数 的功能。
MISR产品：LAI,FPAR,NDVI,OPTICAL DEPTH
2. “遥感反演系统”研究进展
“遥感反演系统”主要在863课题“对地观测系统 技术”支持下，由中科院遥感所与北京师范大学联合 开发完成。它是以MODIS 数据为主要遥感数据源，具 有数据管理、图像预处理以及多种参数定量反演的功 能。 针对中国区域性特点 多年研究的成果总结 后期研究发展的平台 满足用户的需求
地表参数的多源遥感综合反演
柳钦火 遥感科学国家重点实验室 中国科学院遥感应用研究所 2006.9.6
报告提纲
1. 2.
3.
4.
地表参数遥感反演研究国内外现状 “遥感反演系统”研究进展 面临的机遇与挑战 多星多源遥感综合反演技术平台
1. 地表参数遥感反演研究国内外现状
对地观测，即earth observing起源于八十年代中期美国空间站对地 观测系统（EOS）。 目前较大的卫星计划主要有：
2003年10月中下旬同一地区14、16、18日蓝光波段的光学厚度
通过反演结果可以大致看出，12日降雨过后，随时间气溶胶光学厚度 逐渐增加。通过与实测数据比较，发现反演结果与实测数据基本一致。
地 表 反 照 率 反 演
通过16天经过配准的7个通道的反射率数据以及土地覆盖类型 数据、先验知识库和核函数积分查找表，生成为7通道的反射率中 间产品和全波段反照率产品。
RSIS结果
NASA产品
黑半球第一波段MODIS反照率
0-0.01 0.01-0.03 0.03-0.06 0.06-0.09 0.09-0.1 0.1-1.0 >1.0反演失 败
黑半球第一波段反照率差值图
差值直方图
从反演失败像元看，NASA 产品反演结果失败像元有8096个， 占总像元数的4.6%，而我们的反演结果没有失败像元。
地表参数的定量遥感反演结果展示
ATSR的多年SST产品
地表参数的定量遥感反演结果展示
通过ATSR海温产品对EI Nino的观测
地表参数的定量遥感反演结果展示
睛空总的大气水汽含量图 2002.11-2003.6
汽溶胶光学厚度图 2002.11-2003.6
云量图 2002.11-2003.6
MODIS 大气产品
2003年10月18日江西干烟洲地区森林表面日累积实 际蒸散量(左图)和潜在蒸散量(右图)。（单位：mm)
12
10
Calculated Observed
NPP(gc/m day)
8
-2
6
4
2
0 0 50 100 150 200 250 300 350 400
天 数 /Days in 2003
2003年8月27日华北平原玉 米的NPP分布图
地表参数的定量遥感反演结果展示
两个热点与叶绿素没有明 显的相关关系 MODIS Aqua星2005.01.13
MODIS海洋产品：海面温度与叶绿素产品
地表参数的定：叶面积指数
地表参数的定量遥感反演结果展 示
VEGETATION全球变化产品
地表参数的定量遥感反演结果展示
（4）多星多源遥感数据综合反演原型系统设计 与开发
多星遥感数据综合预处理模块 我国主要卫星遥感数据预处理 国际已有主要卫星遥感数据预处理 未来的国内外卫星遥感数据预处理
算法与模型库
典型地表参数遥感综合反演模块 我国典型卫星遥感传感器的地表参数定量反演 多星多源遥感数据综合反演 遥感反演地表参数与应用模型的同化
（1）多星多源遥感数据集的构建 为开展多星多源遥感综合反演技术研究，主要选择各种相 近分辨率的遥感数据源，如： 风云气象卫星 海洋卫星 资源卫星 科技部小卫星 环境减灾小卫星星座 以及国际新型传感器 EOS/MODIS， NOAA/AVHRR, SPOT/VEGETATION NPOESS、NPP EnviSat
多星对地立体观测体系已经形成
Terra Aqua FY-1 ERS-1
开发具有多星多源遥感数据综合定量反演能力的软件平台
4.多星多源遥感综合反演技术
为克服单一遥感传感器遥感反演难以克 服的信息量不足、反演精度不能满足要求的 缺点，通过多星多源遥感数据构成多角度遥 感数据集，实现关键地表参数的遥感综合定 量反演，提高遥感定量反演的精度和数据产 品的质量； 系统开发、应用与产业化前景。
2001年4月3日至5月19日LAI
经TM纠正的纯像元 反演精度
92%
93%
90%
由右图可知，随着时间的推移，叶面积指数在不断的 增大。同时通过验证，反演结果与实测数据基本一致。
除参数反演的功能，系统结合气象数据，能够生成光合有效辐 射（PAR）、地表蒸散以及净初级生产力（NPP）等专题产品。
专 题 产 品
地表温度的反演
针对不同的地表条件、大气条件和不同的观测角度，通过分裂 窗算法实现地表温度的反演。
20000 18000 16000 14000
样 12000 点 10000 数
8000 6000 4000 2000 0 -4 -2 0 2 4
差值（K）
RSIS结果
NASA产品
差值的直方图
2001年9月18日
（2）典型地物的多角度遥感信息模型库的扩充
扩充已有的典型地物模型库，继续收集 土壤、典型植被（农作物、草地、森林）等 地面目标的多尺度二向反射（BRDF）和方 向性辐射模型和大气辐射传输模型，在对比 研究的基础上，进行适应性分析和评级，建 立模型库
（3）关键地表参数的多星多源遥感综合反演技术与方法
美国EOS计划（发展为ESE计划） 欧空局的卫星计划－Living Planet计划 全球综合对地观测系统GOESS
我国的气象、海洋、资源、环境减灾、小卫星计划 高分辨率对地观测专项
目前国内外定量遥感已经取得很大进展，地表参数遥感 反演产品与传感器有关，很多传感器都有自己的产品体系。