多源遥感协同反演

急需开展对境外乃至全球的有效监测，为国家决策 与外交谈判提供信息支撑
遥感技术是跨境获取全球战 略资源状况信息的重要手段
星机地立体综合定量遥感系统，具有
充分利用卫星、航空和地基遥感平台的优
势，显著增强全球资源环境监测能力
地球观测系统发展迅速
美国：NASA 不断提出以地球系统为研究对象的对地观测计划，引领遥感发 展方向，EOS计划等 欧盟：SPOT、ENVISAT等卫星计划独具特色 我国：气象卫星、资源卫星、海洋卫星、环境减灾小卫星星座逐步业务化， 高分辨率对地观测专项
高精度无缝化定量遥感反演技术 已成为遥感科学发展方向
多光谱
高光谱
合成孔径雷达
热红外
大气激光高度计
地表激光高度计
被动微波
雷达高度计
深空探测
微波测距
测光仪
散射计
单一遥感器的定量遥感产品精度不高、时空不连续、产品之间 一致性差，尚缺乏独立于传感器的定量化遥感综合产品。
发展多源遥感高精度协同反演技术，综合利用星机地综合观测 数据资源，形成高精度无缝化定量遥感产品快速实时生产能力
总体:实现遥感数据服务到遥感产品服务的跨越 一期：突破关键技术，建立原型系统，2012.1-2014.12 二期：集成一期研究、建立业务化系统，2013.1-2015.12
一、项目总体目标
项目一期：2012—2014年
批复经费：9612万元，分为11个课题
重点开展星机地综合定量遥感标准与规范研究、核心关键技术
专题N
…..
二、项目总体设计
课题及项目对接设计 一期
课题一 星机地立体组网协同观测 课题二 载荷与数据质量综合测试
二期
星机地综合定量遥感产品 技术服务系统
遥感数据获取与服务 课题三 地物目标特性知识库与定 量遥感产品同化 课题四 按需快速处理与陆表综合 观测定量遥感产品生成
课题一：星机地综合观测定量遥 感融合处理与共性产品生产系统
精度不高、 时空不连 续 时间分辨 率不够
下行短波辐射、下行长波辐射、 300m3 1k m 光合有效辐射、净辐射 土壤含水量、雪水当量、雪盖 面积、降水 1km25 km
精度不高、 时空不连 续
空间分辨 率不够、 精度不高 无
5
FY
6
空气动力学粗糙度、感热通量、 300m潜热通量、蒸散、植被的净初 1km 级生产力
课题十一 定量遥感综合服务平台
课题三：综合定量遥感产品服务规 范及运营系统
星机地综合定量遥感产品生产系统研发目标
（1）突破多源遥感协同高精度定量反演、特定传感器 无关的多尺度定量遥感产品无缝化生产等核心技术； （2）建立新的全球综合观测多尺度陆表定量遥感产品 技术体系；
（3）设计研制新一代可定制流程的全球多尺度多源定 量遥感产品生产系统，具备全球公里级、区域百米级和 十米级共性定量遥感产品自动化、规模化快速生产能力。
（ 2 ）物理模型法：基于遥感辐射传输模型，如 GO 模型、 RT 模型、 GORT模型等。该方法物理机理明确，但模型复杂，计算量大。
（ 3）混合反演法：基于贝叶斯理论的混合反演方法以及综合物理模 型和统计方法一体的混合反演方法。 以上这些反演方法，都是为了能在反演过程中融入更多的先验 知识，包括对参数、模型和观测数据的先验知识库，来解决遥感反演 中的“病态”问题。
课题五 遥感产品真实性检验 遥感共性产品提供
数据产品提供 共性产品提供
课题十 生态环境 要素监测 与评估
课题六 森林生物 量和碳储 量遥感 估测
课题七 大宗作物 遥感定量 监测
课题八 重要矿产 资源与能 源遥感 探测
课题九 国际河流 遥感监测
课题二：典型应用领域全球定量遥 感产品生产体系 应用产品提供
产品体系设计：产品种类
多源协同的产品将在性能上得到提高 空间分辨率提高：7种 空间覆盖范围提高：2种 时间分辨率提高：15种 新产品：6种
26
产品体系设计：组网卫星数据
数据类型 卫星/传感器
FY-2D
数据类型
卫星/传感器
Landsat/TM
静止卫星数据
(波段：可见光—热红外； 分辨率：公里至10公里)
v v v v v v
高分辨率极轨 卫星组网 体系与规范
定量遥感产品体系
组网数据 星机地 多分辨率 多时相 多模式 多波段 多角度
基础产品 共性产品
专题产品
反射率（BRDF）
交出辐射定标、几何配准、大气校正
LAI/NPP
知识库、模型库、真实性检验：协同反演与同化
作物产量、森林生物量
共性产品+专业模型
航空遥感网 （区域分布）
地面数据传感网 （行业/区域）
天 空 地 一 体 化 遥 感 观 测 网
库元 数 据 建
遥感 数据 库
验遥 感 综 合 试 真 实 性 检 验
遥感 模型 库
共性 产品 库
遥 感 数 据 共 享 网
全 球 性 应 用 示 范
中亚
百度文库
非洲
行 业 应 用 示 范
专题 1
全 球 与 行 业 应 用 示 范 网
MTSAT
MSG GOES-E GOES-W FY-3A/VIRR FY-3A/MERSI MODIS Vegetation NOAA/AVHRR16,17,18,19 MeTOP/AVHRR ENISAT/MERIS SPOT/VEGETATION NPP/VIIRS
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）
叶面积指数全球产品及精度分析
目前全球部分LAI产品主要特征
MODIS (for C4 LAI）
AVHRR (for C3 LAI）
VEGATATION
叶面积指数全球产品及精度分析
全球LAI产品直接验证 框架和策略
地面点测量 ESU 站点尺度 高分辨率LAI参考图
( Morisette et al., 2006 & Garrigues et al., 2008 )
农业、林业、 HJ, FY 气候变化
定量遥感产品生产多源遥感数据
组网分类 筛选条件 组网体系与规范
现有及即将发射的卫 星传感器： v EOS/MODIS v NOAA1619/AVHRR v FY3A/VIRR v FY3/MERSI v MeTOP/AVHRR v FY2 v MSG v MTSAT v GOSE v LANDSAT/TM v HJ-1 v ENVISAT v ……
面临的问题与挑战
构建多维度定量遥感网，构建全球高精度定量遥感产品无缝化 生产技术体系，面临的问题和挑战： 卫星、航空与地面传感器组网与协同观测技术体系 多维度定量遥感网产品生成技术体系？ 多尺度时空遥感数据的高精度定标与流程化处理？ 光学与微波的协同反演（光谱维） 星地协同观测与同化（知识维） 遥感产品的空间尺度效应与真实性检验（空间维）
植被精细分类、 植被指数、叶面积指数、植被 1 覆盖度、叶率素含量、物候期、 光合有效辐射吸收比例 2 气溶胶光学厚度、反照率、地 表温度、冠层温度、发射率
30m1k m 30m1km
HJ, 高分 农业、林业、 ,CBERS, 生态 FY 环境、生态、 HJ, FY, CBERS 气候变化 环境、气候 变化 水资源、气 候变化 HJ, FY
应用产品
全球粮食安全、碳贸易
应用
基础产品：星机地组网观测的多传感器标准化、归一化处理的标准产品； 共性产品：具有明确地学含义的时空无缝定量遥感产品： 专题产品：结合专业模型生成具有明确应用意义的遥感产品； 应用产品：行业应用决策支持信息产品。
定 量 遥 感 产 品 按 需 生 产 与 服 务 流 程
-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。
L f , s x, y, z , t, , P,
大气散射
近 红
中 红
0.7×10 10
-6
-6
太阳入射光
可见光反射建模 热红外辐射建模
热 红 外
太 赫 兹 微 波
10 10
-5 -4 -3 -2
：波长
静止卫星组网
中低分辨率极 轨卫星组网
v v v v v v v v
客观条件 传感器辐射性能 卫星运行性能 运行轨道 波段设置 时间分辨率 空间分辨率 数据质量 …… 主观条件 应用目的 行业需求 参数选择 算法设计 精度要求 ……
静止卫星组网 体系与规范
中低分辨率极 轨卫星组网 体系与规范
高分辨率极轨 卫星组网
地表参数多源遥感协同反演
报告人：柳钦火
中国科学院遥感与数字地球研究所/北京师范大学
遥感科学国家重点实验室
State Key Laboratory of Remote Sensing Science 2013年11月1日
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
针对粮食、矿产、森林、水与环境等领域应用 定量遥感产品需求分析
编 号 遥感产品 分辨率 主要应用 领域 主要针对 的国内遥 感产品 主要针对的国外遥感产 品 TM, MODIS, MISR, MERIS, VEGETATION, POLDER, MSG TM, MODIS, ASTER, AATSR, MSG, GMS, GOES MODIS、MTSAT、 GOES、MSG SMOS, SMAP, AMSRE, TRMM、AMSR、 AMSU-B、GEO-VIRS AVHRR, MODIS , AATSR, MSG, MTSAT、 GOES 问题
定量遥感产品与过程模型同化,提高模型模拟预报能力？（时 间维）
总体思路
一 期 多源多尺度协 同反演算法， 提高产品精度 多源多尺度数据归 一化，为算法提供 标准输入数据
卫星组网，提 高时空覆盖
多源多 尺度定 量遥感 产品生 产系统
自动化技术，提高算法 的实用性 二 期 高性能计算，提高效率
25
叶面积指数全球产品及精度分析
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)
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
遥感科学国家重点实验室
State Key Laboratory of Remote Sensing Science
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。
o
临近效应
v
s x , y , z：空间位置 t：时相
10
10 1
：观测几何
P：地表参数
目标像元
邻近像元
：传感器参数
存在的问题：以叶面积指数产品为例
目前遥感反演LAI的方法一般大体可以分为三类：经验关系法、物理
模型法和混合反演法。
（1）经验关系法：建立LAI实测值与植被指数经验统计关系。算法简 单，易于实现且计算效率高但缺乏物理机理描述，普适性差。
遥感科学国家重点实验室
State Key Laboratory of Remote Sensing Science
国内战略资源的短缺 使掌握全球同类资源状况信息迫在眉睫
矿产、森林、水等战略资源短缺 环境风险与粮食安全 新时期重大外交事务
国际气候变化谈判 低碳经济发展 国际碳贸易战略布局 国际河流水事外交谈判
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,
遥感科学国家重点实验室
State Key Laboratory of Remote Sensing Science
单位: m 紫 外 线 可 见 光 0.01×10