20130726-遥感试验-肖青

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一、目的和意义——学科发展
实验是地球表层系统科学研究 的重要技术手段！
一系列针对地表过程的大型观测实验对 地理学、水文学、生态学、大气科学和整个 地球系统科学的快速发展起到了举足轻重的 作用，许多实验甚至成为一个阶段科学认识 和研究方法进步的里程碑。
HAPEX
HEIFI
IMGRASS
NWC-ALIEX
9. 经费
遥感实验设计原则
（1）在实验设计时充分考虑建模、反演、验证及 应用等多方面的研究需求。 （2）在针对一种数据、一种参数进行实验时，也 要尽量考虑其他与模型和反演相关多源数据同步获 取，为模型和反演研究提供数据支持。 （3）考虑模型与反演算法适宜空间尺度和时间尺 度问题。 （4）地表状况尽量简单、均匀，有针对性。
野外多平台真实场景试验支撑
目的：辐射传输机理验证;对地观 测新理论和新方法试验;像元级真 实性检验方法研究
遥感试验观测网络建设
目的：遥感参数反演验证；遥 感应用数据产品真实性检验 19
遥感试验观测类型
区域
尺度 重点 试验区 加密 观测区 卫星遥感 数据搜集 机载试验 雷达观测 加密观测 星载数据预处理 机载数据预处理 雷达数据预处理 地面数据处理 反演 / 估计 尺 度 转 换 生态环境变量 标准数据产品
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1、目的和意义——国家需求 ----问题与挑战
时效性不够：总理到现场了， 我们的遥感图像还没出来
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Landsat 7 Jason
SORCE
Aqua
SAGE III
QuikScat
SeaWiFS
EO-1
ICESat
SeaWinds
TOMS-EP
Terra
GRACE
UARS
TOPEX/Poseidon
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1、目的和意义——国家需求 ----问题与挑战 遥感试验面临的挑战
遥感观测的不确定性 各种现象的可观测性 地球系统的复杂性
遥感观测的不确定性
传感器 信息传递 地物自身不确定性 。。。。
各种现象的可观测性
过去160多年来的全球气温记录分析，自1900 年以来地球升高0.75摄氏度
地球系统的复杂性
CO2与生态循环系统
辐射循环与能量平衡系统
水循环系统
遥感试验站有助于解决遥感面临的科学问题
遥感观测的不确定性—控制试验 各种现象的可观测性-长期定点连续观测 地球系统的复杂性 –建立遥感观测网络
遥感试验观测体系
室内定标、测试、模拟试验支撑
目的：辐射传输机理研究、对地观测 新理论和新方法研究
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1、目的和意义——国家需求 ----问题与挑战
遥感在应用中存在问题的根本原因？ 信息提取能力不足！！ “我们淹没在数据的海洋里、渴求着信息的淡水” 急需 推动多学科交叉，加强对遥感数据的地学理解！量遥感数 据中提取信息的手段大致分成三层次： 融合: 主要解决多源数据的可比性，可加性 协同: 主要解决多源数据 1＋1 > 2 的问题 挖掘: 主要从海量遥感数据中发现新规律
• 测量值与真值之差异称为误差。 • 由于仪器、实验条件、环境等因素的限制，测量不可能无限 精确，物理量的测量值与客观存在的真实值之间总会存在着 一定的差异，这种差异就是测量误差。 • 误差与错误不同，错误是应该而且可以避免的，而误差是不 可能绝对避免的。
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试验基本场景
传感器 太阳 1 2
源 介质 目标 传感器
实验设计
1. 明确实验目标和内容（做什么） 获取模型需要的参数;验证模型的正确性、精度;改 进或建立新模型;验证反演方法的精度 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 确定实验原理（理论上怎样做，可有多种途径供选择） 收集相关实验资料（为什么这样做，选择最佳途径 选择实验方法（准备怎样做） 落实实验用品（仪器、设备、药品等） 设计实验过程（实验步骤、实验现象、实验数据记录等） 安排实验时间 对实验结果做出预测和评价（做得怎样）
点 定位站观测
验证

室内模拟试验 野外地面控制试验 航空遥感试验 综合遥感观测试验 – 定标试验 – 真实性检验试验
2、基本概念和原理方法介绍
• 相关概念 • 遥感试验原理 • 遥感观测方法
基本概念介绍
• 实验与试验 • 准确性、精度与误差
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实验与试验
• 实验是为了解决文化、政治、经济及其社会、自然 问题而在其对应的科学研究中用来检验和验证某种 假说、假设、原理、理论而进行的明确、具体、可 操作、有数据、有算法、有责任的技术操作行为。 • “试验”指的是在未知事物，或对别人已知的某种 事物而在自己未知的时候，为了了解它的性能或者 结果而进行的试探性操作。
Moving RS Lab
Hoist tower
3、遥感反演算法验证实验的设计与实施
遥感实验设计方法 地表参数的观测方法
严谨的科学精神和实事求是的科学态度 思维的条理性、严密性和批判性
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实验步骤
第一步：实验设计 第二步：实验操作 第三步：整理实验资料，得出实验结论 第四步：分析实验结论 （数据的误差分析、实验过程的反思） 第五步：撰写实验报告
From Wikipedia, the free encyclopedia
BIPM
ISO 5725
Low accuracy, good trueness, poor precision
Low accuracy, poor trueness, good precision
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测量误差(Measurement error)
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目标 环境
源：
• 光学： 太阳：
• 人工源(太阳模拟器，黑体，微波源）
介质：
• 大气：
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 Transmittance
total Trans h20 Trans Mol Trans Aer. sca. Trans Other Atom.
Baidu Nhomakorabea38
实验操作
严格按照实验设计进行（严格控制变量）
－－参照相关的规范和规则
及时、准确收集实验资料（保存好原始记录）
－－完整性和真实性
1. 农业相关的作物和土壤测量规范：刘良云，马明国； 2. 黑河实验各种类型的生态调查及实验规范：黑河实验组； 3. 地表粗糙度测量规范(考虑雷达和被动微波的遥感需求)：张红，张立新； 4. 森林相关参数测量规范：陈尔学； 5. 地表通量与气象水文要素观测规范：胡泽勇，刘绍民； 6. 雷达和降水观测规范：楚荣忠，胡泽勇老师负责； 7. 大气参数的测量，包括温湿廓线和大气气溶胶：胡泽勇，刘强老师负责； 8. 冻土和冰雪测量规范：王建，张立新老师负责； 9. 光学波谱测量规范：刘良云； 10. 红外波谱测量规范：刘强； 11. 光学和热红外BRDF测量的规范：阎广建和刘强 12. 微波散射参数测量规范：陈彦，张立新，赵凯老师负责； 13. 航空和卫星同步定标规范：赵永超； 14. 真实性检验相关的地面测量规范：马明国和张仁华老师；
功率（power): w 辐射强度（Radiant Intensity)：w/sr 照度(irradiance)：w/m2 辐射亮度（radiance):w/m2/sr 光谱辐射亮度（spectral adiance):w/m2/sr/cm-1 • 通道辐射亮度（band radiance): w/m2/sr • • • • •
一般研究过程
• 文献+试验“蛛丝马迹”的提示(充分,逻辑性) 提出明确假说（创新）
提出“圆轨迹”假说 为假设的“圆轨迹” 从实验中再找出 更多依据 逐点证实，论证出是 “圆轨迹”
基本概念介绍——准确性与精度
• 地学属性的真值就是真实的内涵和面貌, 是客观存在. 然而, 如何表达真值? • 准确性（accuracy）指的是数据产品与真值或约定真值之间的 接近程度。 • 精度（precision）指的是数据产品测量的水平和描述的详细 程度。
样本量的确定与抽样
• 找出在误差允许范围的最小样本量。
–确定数据类型 –目的 –概率 –置信度
• 建模（参数确定）样本与反演验证样本应 互相独立。 • 抽样方法（随机、系统、分层、整群）
7/26/2013 40
实验中可能会出现的问题
不能根据实验目的来选择比较合适的实验方法 实验原理存在科学性错误，虽然方法正确，但 实验结论错误 实验条件（影响因素）的控制不严格 实验数据处理比较随便 不能或不敢根据实验数据提出自己的观点
4 June 2007 时间分布变化。
6 June 2007
3 June 2007
1、目的和意义——国家需求 ----问题与挑战
2013年4月20日8时2分，四川省雅安市芦山县发生7.0级地震。 中国科学院立即启动应急响应预案，组织相关单位和人员积极参与 抗震救灾工作。 在紧急协调飞行航线后，中科院遥感与数字地球研究所遥感飞机 B-4101携带光学传感器，于9点50分从绵阳机场起飞，开始执行雅安 地震灾情遥感监测任务。 时效性不够：总理到现场了， 我们的遥感图像还没出来
定量遥感实验
肖青
(xiaoqing@irsa.ac.cn)
中国科学院遥感与数字地球研究所 2013-07-27
提纲
1、定量遥感实验的目的与意义 2、基本概念和原理方法介绍 3、遥感实验的设计与实施
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1、目的和意义——国家需求
“生态文明”首次写入十七大报告
生态环境监测是国家保护、修复生态环境重大决策 的基本要求；遥感是不可替代的重要监测手段（宏 观、动态）,但是：
800
1200 Wavelength(nm)
1600
2000
目标：
• 被测物的准确描述（模型输入参量）
行距、株距、株高、叶片数、叶倾角、叶面积、叶绿素含量。。。 最少的参量，最准确的描述！
测量设备（成像）
• Detector类型 半导体器件(InAs, InSb, HgCdTe(MCT)) CCD • 传感器的主要参数 波段设置(Band response function or filter function)：
1、太湖蓝藻事件 1、湖泊蓝藻事件、浒苔 2、南方雪灾 2、2008南方雪灾、2012年华北雾霾 3、汶川地震 3、汶川、芦山地震 促使我们反思：对于一系列关乎国计民生的生态环境 和突发事件中遥感发挥了怎么样的作用？
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1、目的和意义——国家需求 ----问题与挑战-瞬时与过程
外滩赤潮 太湖蓝藻
与地表过程模型结合不够：太湖水质监测和治理投入很大， 蓝藻大爆发，事先未能预警。大爆发后的遥感监测，可以说 人人能做。但爆发前预警并圈定早期杀灭的范围，就需要与 过程模型有效结合，难度就很大。
VIR-SWIR
iXA Condor-MS5 ASD FISS
Infrared
Sc655 Telops-Tel100 Flir S60 Bomen-Mr304
Microwave
Scatterometer
RPG-LXC
Canfield cGB-SAR
AV3629
Platform
Aerial lift vehicle
CLPX
一、目的和意义——学科发展
示 范 应 用
生态环境应用需求
驱动、凝练参数需求
遥感综合实验
设 计
真 实 性 检 验 参数
模型验证/ 知识更新
多角度 多光谱 多时相 多极化 多尺度
数 据 优 选
地表模型/ 知识库
协同反演
数据产品
同化 / 优选
知识更新
遥感实验是衔接定量遥感基础研究与应用的重要途径
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1、目的和意义——国家需求 ----问题与挑战—能力
2008年南方雪灾
沙尘暴
数据获取海量：每天 TB级 遥感数据； 信息提取不足：利用率 很低（航天：<5％；航空： <10%）；
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灰霾研究
3 June 2007
6 June 2007 MODIS RGB
5 June 2007
利用多传感器数 据研究华东华北 部分地区灰霾的
中心波长，半带宽
band response
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 475 550 625 700 775 850 925 1000
视场角（FOV 与IFOV） 信噪比(S/N)
VIS NIR
wavelength(nm)
几个物理量的定义
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一、目的和意义——遥感试验的目的
• 遥感试验目的：
验证为解决问题而提出的假设。验证的结果可能是证实， 也可能是证伪。实验通常有定性实验和定量实验之分
• 遥感建模与反演方法的验证
– 获取模型需要的参数 – 验证模型的正确性、精度 – 改进或建立新模型 – 验证反演方法的精度
• 遥感产品的真实性检验