定量遥感基础
定量遥感基础
定量遥感基础定量遥感的定义是什么物质、分布在什么地方、有多少？定量遥感应用★ 为国民经济持续稳定发展提供动态基础数据和科学决策依据★ 为国家重大自然灾害提供及时准确的监测评估数据及图件★ 持续不断地开展再生资源的监测、预测和评估★ 地质矿产资源调查与大型工程评价★ 天气预报和气候预测★ 海洋监测和海洋开发★ 土地适用性评价、生态评价和工程评价区域生物碳循环数值天气预报全球变化作物受胁状况及估产上述时空多变要素是这五大相关领域迫切需要。
获从而推动这些领域的发定量遥感与各学科之间的关系定量地学描述观测时空尺度数学计算机科学环境保护，全球变化，减灾防灾分形、分维...反演、优化...定量遥感的主要研究内容定量遥感的主要研究内容�1、遥感机理模型的建模研究；�研究遥感像元尺度上，适用的遥感模型，�研究描述新型传感器信号特征与地表参数关系的模型，�研究模型在不同空间尺度上的尺度效应和尺度转换原理与方法定量遥感的主要研究内容�2、地表参数的模型反演与陆地遥感数据的同化研究；�利用遥感数据和地表参数背景知识，提取地表时空多变参数的模型和算法，研究遥感物理模型与相关领域应用结合中模型的连接与模型参数的转换方法，使遥感数据产品能满足应用的需求。
定量遥感的主要研究内容�3、新型传感器的定标技术研究，智能化处理技术与方法研究；时空多变地表参数反演结果的验证方法研究，遥感数据产品的真实性检验研究。
定量遥感面临的主要问题定量遥感面临的主要问题尺度效应问题角度问题病态反演问题不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺度，并不一定是距离越近越好，观测越细微越好。
观察地物需要适当的距离和比例尺，才能有效、完整地观察。
尺度效应问题病态反演问题定量遥感的反演问题，简言之，就是根据观测信息和前向物理模型，求解或推算描述地面实况的应用参数(或目标参数)。
而定量遥感反演的困难，在于应用参数往往不是控制遥感信息的主导因子，或者说是非敏感参数，只能为遥感信息提供弱信号。
定量遥感基础理论
不对称因子g与散射粒子的尺度有关，粒子越大，不对 称因子g就越大
瑞利散射： g=0； 沙尘暴散布射： g>0.8
前向散射：
k
s 4
(1
g)
后向散射：
k
s 4
(1
g)
相函数的近似计算公式
Henyey与Greenstein相函数近似公式：H-G相函数近 似公式
E() E0 () exp e ()L
此即为比尔（Beer)定律，辐射传输和遥感应用的一个基本定 律,也称布格-朗伯定律（Bouguer-Lambert)。
§5.4.7 有关辐射传输的重要物理量
光学厚度
指数中的积分为称介质的光学厚度：
()
z2 z1
e
(,
z)dz
均匀介质的光学厚度可简化为：
概念分析与数理统计结合的方法
即根据经验提出定量概念，然后对量化的概念 进行统计分析——经验模型、统计模型
几乎可以解决所有的地理问题，但须以大量的 实验之上，将定性问题量化，
物理学概念、机理不清，模型适应性差 研究程度也最低。
量纲分析与数理统计结合的方程
即把主要地理因子之间的关系通过量纲分析的 方法求得无量纲因子团，再对因子团进行统计 分析。
§5.4.7 比尔(Beer)定律
辐射在介质中传播时，因与介质相互作用（散射、吸
收）削弱。设强度为E()的光辐射通过厚度为 dz 的 介质后，其强度变化为 E() dE() 则：
dE() E()e (, z)dz
两边积分得：
E() E0 () exp
z2 z1
e
(,
z)dz
若为均匀介质，其厚度为L，则有：
中科院遥地所定量遥感_第一讲_光学遥感基础
1.1 方向性反射光谱的定义与测量
(3) 方向－半球反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有
或可以忽略散射光；波谱测定仪器测定的半球空间的平均反射能量。利用 积分球原理测定的物体反射率波谱就是方向－半球反射率波谱。
Lu (i , i ) 0 E (i , i )
2
Reflectance (%)
2003-07-19
Reflectance (%)
20 15 10 5 0 350 R01-G R01-H R01-Z
20 15 10 5 0
01漫 01-G 01-H 01-Z
850
1350 1850 Wavelength (nm) 2003-07-28
2350
350 40 35 30 25 20 15 10 5 0 350
第一讲 光学遥感概述与基础
第1节 光学遥感与反射率 第2节 典型光学成像系统 第3节 遥感数据资源 第4节 光学遥感瓶颈问题与挑战
刘良云
2014年4月1日
第一节 光学遥感与反射率
Wave model of electromagnetic Radiation
Q1：电磁波作为横波，与纵波相比，什么信息在遥感中能够发掘？
L( r , r ) (i , i , r ,r ) E (i , i )
dLT ( r , r , ) BRDF( i , i , r , r , ) dE( i , i , )
1.1 方向性反射光谱的定义与测量
(2)半球－方向反射率波谱：入射能量在半球空间内分布，波谱测定仪
L
E
由于测定方式的差异，反射率波谱又可以根据入射能量的照明方式及反射能 量测定方式给定如下4种定义：
定量遥感基础课程设计
定量遥感基础课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解定量遥感的概念、原理及应用领域；2. 掌握遥感数据的基本处理方法，包括图像预处理、图像增强和图像分类；3. 学会运用定量遥感技术进行地表参数反演和生态环境监测。
技能目标：1. 能够运用遥感软件对遥感数据进行基本的操作和处理；2. 培养学生运用定量遥感方法解决实际问题的能力；3. 提高学生的数据分析、图像解译和空间思维能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对定量遥感学科的兴趣，激发学生主动探索科学问题的热情；2. 培养学生严谨、务实的科学态度，提高学生的团队合作意识和沟通能力；3. 增强学生保护生态环境的责任感，使学生认识到定量遥感在资源、环境等领域的重要作用。
课程性质：本课程为自然科学领域的一门基础课程，旨在教授学生定量遥感的基本理论、方法和技术。
学生特点：学生具备一定的地理信息系统（GIS）和遥感基础知识，具有较强的学习能力和实践操作能力。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力和解决问题的能力。
通过本课程的学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关课程的学习和实际应用奠定基础。
二、教学内容1. 定量遥感基本概念与原理- 遥感概述- 定量遥感基本原理- 遥感数据类型与特点2. 遥感数据预处理- 数据获取与导入- 图像校正与配准- 图像增强与滤波处理3. 遥感图像分类与分析- 监督分类与非监督分类- 精度评价与分类后处理- 目标提取与变化检测4. 地表参数反演- 反演原理与方法- 模型建立与参数优化- 应用案例分析5. 生态环境监测- 生态环境遥感监测方法- 指标体系与评价方法- 应用案例分析6. 实践操作与案例分析- 遥感数据处理与分析软件操作- 实际遥感数据案例分析与讨论- 团队合作与成果展示教学内容根据课程目标进行科学性和系统性的组织，涵盖定量遥感基础理论、方法、技术及其应用。
教学大纲明确各部分内容的安排和进度，结合教材相关章节，确保教学内容与课程目标紧密关联。
关于植被定量遥感中的两个基本问题
ρ ′′ 令 x= ρc′′
0.6
′′ ρc ′′ 0.5 ρv
0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
1
2
3 LAI
4
5
6
X与LAI的关系
D.反演策略 数据源：
遥感：高光谱，多角度 由于BRDF在可见光近红外波段据具有极其相似的 空间分布特征（碗边，热点，冷点），所以高光谱 与多角度不能相互弥补以减少未知数。高光谱用于 去噪，680-710nm用于计算X值 先验知识 G，LAD，A（A1，A2）， θi ， θ v ，ϕ
= L1 Lg K g +Lc K c + L z K z + L t K t
L1 ρ = µ0 F0 +E d
1
1 K c + Kt + K g + K z =
Ed µ0 F0 +E d
令 α=
因此，ρ = ρ c ( K c + α K t ) + ρ g K g + α K z
1
m
(
)
c. ρ 的作用是增加反射率，增强碗边效应，因此可以采用适当的近似
北京大学2010年定量遥感精品课程
关于植被定量遥感中的 两个基本问题
俆希孺 教授 2010.6.27
目录
一、关于遥感反演LAI的问题 二、关于混合象元信息分解问题
一、关于遥感反演LAI的问题
I的定义
连续植被
LAI a = LA A1
A1 A2
= LAIT LA ( A1 + A2 )
ρm = ?
普遍适用
滤除背景
波段选择
′′ ρg ′′ ρc
第五章 定量遥感
遥感：高新技术驱动的对地观测的一场
革命
观测时空 尺度 计算机科学
生态学 化学 物理学 定律、定理 尺 度 效 应
定量地学描述 遥感科学 定量遥感
分形、分维... 反演、优化...
数学
国民经济持续发展，社会需求， 环境保护，全球变化，减灾防灾
基础科学、应用基础科学
尺度效应：
不同分辨率遥感图像之间关系： 观点1：简单平均，没什么好研究的 观点2：不是简单平均。取决于地表状况，目标（地 学）参数 的 性质——我们的观点。
第五章 定量遥感
主要内容
5.1 定量遥感的基础 5.2 定量遥感的研究内容 5.3 辐射校正 5.4 大气校正 5.5 定量遥感的建模 5.6 定量遥感反演
5.1 定量遥感的基础
5.1.1 定量遥感的分类
5.2 定量遥感研究的主要内容
辐射定标 大气校正
定量遥感模型与反演
混合像元问题 尺度问题 多角度遥感
2）尺度问题与遥感科学
二十多年前，美国地学界爆发了一场“路 线斗争”。当时的 美国地理学会会长著文批
评一批较年青的地理学家以计算机和遥感 为技术手段，打着科学的旗号，篡改地理 学作为一种描述性艺术的实质。以加洲大学
圣巴巴拉分校（ UCSB ）为首的一批地理学家， 如Simonett，Estes，Strahler，Dozier等数十人联 名著文反驳，一时非常热闹。
5.2.1 定量遥感中的尺度问题
1） 地学中的尺度问题
全球变化的研究面向一系列重大全球性环境问题，提出了大 量的关系到地球可居住性的重要科学问题，因而所涉及的范 围极其广泛，具有高度综合和交叉学科研究的特点。叶笃正 先生曾指出，“全球环境是一个不可分割的整体，
定量遥感考试讲解
1 定量遥感的定义定量遥感是利用遥感器获取的地表地物的电磁波信息，在先验知识和计算机系统的支持下，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的技术。
2 定性遥感与定量遥感对比A 定性遥感的主要目的是地物分类，遥感制图等；而定量遥感的目的是准确获取目标地物的参量。
B定性遥感多采用图像增强、彩色合成等技术，利用监督分类、非监督分类等技术进行影像的判读等；定量遥感则更多的是利用建模与反演技术进行参数的获取。
C定性遥感对辐射定标、大气校正的精度要求不高；而这两个过程的精度是影响定量遥感的主要因素。
3 定量遥感研究内容A 辐射定标：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。
B 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。
C 定量遥感模型及反演：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。
分物理模型、统计模型和半经验模型.D 混合像元问题E 尺度问题：四个尺度:制图尺度或地图尺度地理尺度分辨率运行尺度尺度效应（名词解释考）：当空间数据经聚合而改变其单元面积的大小、形状和方向时，分析结果也随之变化的现象。
在定量遥感中，不同像元大小会产生不同的分析结果。
F 多角度遥感: 是指从两个以上的观测方向对下垫面进行观测，从不同的视角获取地表物信息. 可获得更为详细可靠的地表三维空间信息，可以提高地表目标物的解译精度和参数反演的准确度；4 定量遥感面临的主要问题.1 方向性问题：二向性反射是自然界中物体对电磁波反射的基本宏观现象．即反射不仅具有方向性，这种方向性还依赖于入射的方向。
.2 尺度效应与尺度转换问题：尺度转换：是指将某一尺度上所获得的信息和知识扩展到其他尺度上的过程互易原理失效的条件:(判断)在像元尺度上，空间均匀的入照产生空间不均匀的反射，且明暗两区之间串线不对称，则互易原理在像元尺度上失效。
定量遥感分析方法-赵英时
二、定量遥感的基本概念 -- 续
如：反推植被参数 C = g (R、a、b、d、e) + ε。 为了求出{C}，往往需要对系统参数{ a、b、d、e } 假设为 或可测或已知，或对于复杂过程进行分解简化 --- 如通过辐射 纠正、大气校正分别解决{e}、{b}的影响，而大气校正又与 {c } 、{d } 相关。
Washington, D.C.
Landsat/TM（30m）＋ KVR-1000 （2m）
IRSA CAS
新疆 吐鲁番地区 火焰山
CBERS-1多光谱数据（20m）与 SPOT全色数据（10m）高通滤波融合结果
遥感所
TM 543 (RGB)
1997.9.18
Radarsat / SAR
1997.9.6
观测角度对表面温度的影响
1. 方向性与多角度遥感 – 续 （2）多角度遥感 多角度遥感 实现了对地面目标的多方向观察，可以获 得多角度数据。通过反射与发射辐射的方向性BRDF模型
（如 RT 模型、GO 模型、Ambrals 模型及物体热辐射方向性模 型等）的研究和应用。我们可以从多角度遥感数据中，反
* 参考教材：赵英时等，遥感应用分析原理与方法（第二版），科学出版社，2013
一、遥感面临的问题
EOS 2000G / 天
需要 认识
？
海量遥感数据
利用率仅达 5%左右
改善遥感 监控作物生长需要 LAI、 数据源 Cab 、Ws、Wv等；但 目前遥感所能提供的 供需矛盾 VI 、CWSI 等难以满 发展数据 ？ 足农学、生态学模型的 处理方法 需求。
2013 全国遥感研究生暑期班
定量遥感分析方法
赵英时
中国科学院大学
2013 年 7 月 17日
遥感专题——定量遥感(二、传感器定标)
传感器定标我们常用影像的像元值大多是经过量化的、无量纲的DN值，而进行遥感定量化分析时，常用到辐射亮度值、反射率值、温度值等物理量。
传感器定标就是要获得这些物理量的过程。
本专题叙述的主要是卫星传感器的定标，航空传感器有很多相似地方。
本专题包括以下内容：∙ ∙●传感器定标概念∙ ∙●传感器定标类型∙ ∙●ENVI下的传感器定标1 传感器定标概念传感器定标很多地方又名为辐射定标，严格意义上讲，辐射定标是传感器定标的一部分内容。
以下是国内的定义，如赵英时等《遥感应用分析原理与方法》上描述：定标是将遥感器所得的测量值变换为绝对亮度或变换为与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的处理过程。
或者说，遥感器定标就是建立遥感器每个探测器输出值与该探测器对应的实际地物辐射亮度之间的定量关系；建立遥感传感器的数字量化输出值DN与其所对应视场中辐射亮度值之间的定量关系（陈述彭）。
辐射亮度的典型的单位为：W/cm2.μm.sr（瓦特/平方厘米.微米.球面度）我们总结以上的定义，通俗的说法：传感器定标就是将图像的数字量化值（DN）转化为辐射亮度值或者反射率或者表面温度等物理量的处理过程。
其中反射率又分为大气外层表观反射率和地表实际反射率，后者又属于大气校正的范畴，有的时候也会将大气校正纳入传感器定标的一种途径。
2 传感器定标类型传感器定标可分为绝对定标和相对定标。
绝对定标是获取图像上目标物的绝对辐射值等物理量；相对定标是将图像目标物辐射量归一化某个值范围内，比如以其他数据作为基准。
传感器定标可分为三个阶段或者说三个方面内容：①发射前的实验室定标；②基于星载定标器的星上定标；③发射后的定标（场地定标）。
一、实验室定标在遥感器发射之前对其进行的波长位置、辐射精度、光谱特性等进行精确测量，也就是实验室定标。
它一般包含两部分内容：∙ ∙●光谱定标确定遥感传感器每个波段的中心波长和带宽，以及光谱响应函数。
∙ ∙●辐射定标在模拟太空环境的实验室中，建立传感器输出的量化值（DN）与传感器入瞳处的辐射亮度之间的模型，一般用线性模型表示。
定量遥感及其应用
定量遥感及其应用
AIRSAR/TOPSAR, from which aamultiband perspective view of the Landers Earthquake, April 24, 1992 mountains just north of JPL's home inPasadena, Calif
2014-4-01
定量遥感及其应用
2.定量遥感模型
物理模型
常见的有植被二线性反射的辐射传输模型，几何光学模型等。
半经验模型
代表性的“半经验模型”有Rahman的地表二向反射模型。
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。
大气校正后
大气校正前
2014-4-01
定量遥感及其应用
4.定量遥感应用前景
为国民经济持续稳定发展提供动态基础数据和科学 决策依据； 为国家重大自然灾害提供及时准确的监测评估数据 及图件； 持续不断地开展再生资源的监测、预测和评估； 地质矿产资源调查与大型工程评价； 天气预报和气候预测； 海洋监测和海洋开发； 土地适用性评价、生态评价和工程评价。
• 合成孔径雷达二维成像过程是通过安装在运动平台上的雷 美国SRTM雷达地表影像（2000，2） 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。
定量遥感-第二章遥感物理基础精讲
25
通量密度很多时候简称通量
•太阳常数与太阳辐射亮度
基本物理量
太阳光是平行光入射，即只在Ω0方向存在 亮度，注意到公式：
Lλ =³ Φ / A λ Ω
波长与穿透性的关系？
32
• 地物反射光谱特性
物体反射率随波长而改变的特性称为地物 反射光谱特性。
光谱曲线：
植物？ 水体？ 土壤？ 云？雪？
水体+叶绿素？ 水体+泥沙？ 新雪、旧雪？
地物波谱（特性）
33
• 电磁波与介质的相互作用总结：
作用类型
散射
反射 透射
吸收（发射）
率：以比例形式表征的反射、透射和吸收强度 与入射辐射强度无关 ρ + τ + α = 1（无自身发射）
Ω0
Fλ =² Φ / A λ
因此，太阳的辐射亮度与Ω0方向上的辐射通量 （即太阳常数）之间的关系为：
L0=δ(Ω,Ω0)F0
26
• 各向同性辐射时亮度与通量的关系 基本物理量
假设地表为各向同性辐射，即辐射亮度L 在各方向分布均一，则其垂直地表向上的辐射
通量为：
F L cosd 2 θ
由于dΩ = dσ/r2 = sinθdθdφ 因此：
这三种反射形式分别在什么情 况下发生？
根据表面光滑或粗糙？
37
二、瑞利判据分析
L.Rayleigh提出表面为光滑或粗糙的标准为：
θi θr
镜面反射
当 h cos 为光滑表面
8
当 h cos 为粗糙表面
定量遥感
植被指数类型
• 1、比值植被指数（Ratio Vegetation Index——RVI） •
RVI
RED
NIR
• 其中： NIR 和 RED 代表近红外波段和红光波段的反射率 的值介于 -1和1之间。
• 该植被指数能够充分表现植被在红光和近红外波段反射 率的差异，能增强植被与土壤背景之间的辐射差异。
1．绿色健康植被覆盖地区的RVI远大于1，而无植被覆盖 的地面（裸土、人工建筑、水体、植被枯死或严重虫害） 的RVI在1附近。植被的RVI通常大于2； 2．RVI是绿色植物的灵敏指示参数，与LAI、叶干生物量 (DM)、叶绿素含量相关性高，可用于检测和估算植物生物 量 3．植被覆盖度影响RVI，当植被覆盖度较高时，RVI对植 被十分敏感；当植被覆盖度<50%时，这种敏感性显着降 低； 4．RVI对大气状况很敏感，而且当植被覆盖小于50%时， 它的分辨能力显著下降。只有在植被覆盖浓密的情况下效 果最好。大气效应大大降低对植被检测的灵敏度，所以在 计算前需要进行大气校正，或用反射率计算RVI。
• 6、土壤调整植被指数（Soil-Adjusted Vegetation Index— —SAVI） • NIR RED SAVI (1 L) NIR RED L • 其中，L是一个土壤调节系数，该系数与植被浓度有关， 由实际区域条件确定，用来减小植被指数对不同土壤反 射变化的敏感性。当L=0是，SAVI就是NDVI；对于中等植 被覆盖区，L的值一般接近于0.5。乘法因子（1+L）主要 是用来保证最后的SAVI值介于-1和1之间。该指数能够降 低土壤背景的影响，但可能丢失部分植被信号，使植被 指数偏低。
植被指数
植被指数定义
• 植被指数（Vegetation Index) 利用卫星不同波段探测数据组合而成的，能反映植物生长 状况的指数。植物叶面在可见光红光波段有很强的吸收特 性，在近红外波段有很强的反射特性。 植被指数主要是反映植被在可见光、近红外反射与土壤背 景之间差异的指标，这是植被遥感监测的物理基础，通过 这两个波段测值的不同组合可得到不同的植被指数。
定量遥感基础
大气校正理论方法
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。
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－Strahler GOMS 模型
–遥感器实验室定标 –遥感器星上内定标 –遥感器场地外定标
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。
–直方图调整（Histogram Matching） 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。 优点：简单、实用。 缺点：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，此方法校正结果不正确。
遥感基础知识(很全适合初学者)
☆基础资料☆遥感基础知识光谱成像技术实验室整理：扬帆远航来源：互联网版权：Free中国科学院西安光学周密机械研究所二零零五年十月目录A．基础篇--------------------------------------------------------------------------11．--------------------------------------------------------------2 2．-----------------------------------------------------------------------23．-----------------------------------------------------------------------44．----------------------------------------------------------------8 5．----------------------------------------------------------------9 6．----------------------------------------------------------10B．理论篇------------------------------------------------------------------------131．------------------------------------------------------------14 2．-----------------------------------------------------------------14 3．-------------------------------------------------------154．--------------------------------------------------------------16 5．-------------------------------------------------------------------176．--------------------------------------------------------------------- 207．----------------------------------------------------------- 22 8．---------------------------------------------------------24C．应用篇----------------------------------------------------------------------- 271．-----------------------------------282．---------------------------------------------------------28 3．--------------------------------------------------294．-----------------------------------------------------29 5．----------------------------------------------------------30 6．----------------------------------------------------------31 7．----------------------------------------------------------31A 基础篇1．什么是成像光谱仪成像光谱确实是在特定光谱域以高光谱分辨率同时取得持续的地物光谱图像，这使得遥感应用能够在光谱维上进行空间展开，定量分析地球表层生物物理化学进程与参数。
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。
定量遥感-第六章热红外定量遥感
POEM/ENVI SAT-1(欧)
FY-2中国 ALMAZIB (中/俄) ADEOS (日本) TRMM (美国,日本 ) GMS (日本)
4
3 11
0.2-50.0
0.55-12.0 0.405-12.5
60km
5.73km 600m 星下点 10km/26km 2km
100
48×48
160urad
《定量遥感》
第六章
热红外定量遥感
武汉大学遥感信息工程学院 龚 龑
第六章 热红外定量遥感
§6.1 热红外遥感基本理论 §6.2 热红外辐射在大气中的传输 §6.3 海面温度反演
§6.4 陆面温度反演
2
§6.1 热红外遥感基本理论
3
§6.1 热红外遥感基本理论
1.普朗克定律
黑体辐射公式是由普朗克于1900年导出的：
18
0.14
地球 大气观测
15
主要的航空成像红外光谱仪
传 感 器 国 别 波段 数 6 20 1 2 1 6 6 12 6 波段范围 工作期间 视 场 (度) 92 65或 104 80 64-78 瞬时视 场mrad 2.1×3. 1 2或5.0 1.2×1. 2 3.3,2.5 或5.0 3 3.3,2.5 或5.0 1.2×11 2.5 用 途 澳大利亚 美国 中国 美国 始于1985年 始于1991年 始于1993年 始于1993年 环境监测 云,陆地测量 陆地表面观测 陆地海洋生态 环境监测 陆地海洋生态 环境监测 环境监测 地质研究 地质云雪植被 地球物理大气 海洋陆地表面 地质和环境 研究 化学蒸发 光谱特征 陆地表面观测
地球观测计划红外传感器概览(星载部分)
MODIS中等高分辨率 成像光谱辐射仪 EOS （美国） 36 0.4-14.5 250m,500m, 1km 250,5001 地球物理过程大 000m 气海洋陆地
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定量遥感传统的研究方法的及新的学术思想
国外研究现状 遥感信息 产生机理 辐射传输理论 新的学术思想 几何光学
尺度变换、 尺度效应 尺度变换、 尺度效应 点—面信息转换 和尺度纠正 反演 应用 最小二乘法 第三公设” 受“第三公设 第三公设 的局限 病态反演 以应用需求为 驱动力
定量遥感的反演问题是一个病态反演问题 病态反演就要求知识库的支撑： 病态反演就要求知识库的支撑： 中国典型地物结构波谱库 数字地形模型库 地表覆盖类型库
遥感定量化的推动作用
遥感定量化推动遥感仪器研究向更高精度、 更高稳定性方向发展。 仪器的精度、灵敏度、动态范围、内部校准、 稳定度等要能满足定量的要求。
简言之， 定量遥感的反演问题 ， 简言之 ， 根据观测信息和前向物理模型， 就是根据观测信息和前向物理模型， 求解或推算描述地面实况的应用参 或目标参数)。 数(或目标参数 。 或目标参数 而定量遥感反演的困难，在于应 用参数往往不是控制遥感信息的主 或者说是非敏感参数， 导因子 ， 或者说是非敏感参数 ， 只能为遥 感信息提供弱信号。 感信息提供弱信号。
目前国际上对地遥感反演的主流仍坚持沿 用高斯的 最小二乘法 ， 坚持“ 定量遥感反演 坚持“ 的必要条件是独立观测的个数大于未知数的个 简称“ 。 数”(简称“第三公设”)。 简称 地表是一个复杂的开放的巨系统，未知的 地表是一个复杂的开放的巨系统， 参数几乎是无穷的，而遥感数据总是有限的， 参数几乎是无穷的，而遥感数据总是有限的， 接受第三公设，采用最小二乘法， 接受第三公设，采用最小二乘法，其结果是只 能估计最敏感的少量几个参数， 能估计最敏感的少量几个参数，而这几个参数 往往不包括应用所需的时空多变要素.
定量遥感基础
是什么物质、分布在什么地方、有多少？ 是什么物质、分布在什么地方、有多少？
定量遥感应用
★ 为国民经济持续稳定发展提供动态基础数据
和科学决策依据
★ 为国家重大自然灾害提供及时准确的监测评
估数据及图件
★ ★ ★ ★ ★
持续不断地开展再生资源的监测、预测和评估 的监测、 地质矿产资源调查与大型工程评价
天气预报和气候预测 海洋监测和海洋开发
土地适用性评感应用
反照率 地表温度 叶面积指数 叶绿素含量 土壤水分含量 地表蒸发 强烈需求 有力推动
干旱地区缺水状况 区域生物碳循环 数值天气预报 全球变化 作物受胁状况及估产
上述时空多变要素是这五大相关领域迫切需要。获 取上述要素的时空定量分布，从而推动这些领域的发 展。
推动了大气探测遥感技术的发展； 要求精确获取电磁波辐射信息在大气中 传输特性，气溶胶、水汽的测量。
推动了各类应用模型的发展 为了更好的应用定量遥感信息，许多应用模 型相继出现，如全球系统模型、作物估产 模型、土壤水分监测模型、干旱指数模型、 归一化温度指数模型、森林积蓄量估算模 型等。
推动了基于场地的绝对辐射定标的发展； 推动了计算机处理技术的发展； 各类图像处理和雷达软件的开发。
定量遥感本质上是欠定问题 ， 必须综
合考虑未知参数的敏感性与不确定性， 合考虑未知参数的敏感性与不确定性 ， 尽量把遥 感获取的宝贵信息分配给时空多变要素， 感获取的宝贵信息分配给时空多变要素 ， 而不是 反复反演相对稳定、 相对已知的敏感因素、 反复反演相对稳定 、 相对已知的敏感因素 、 在低 水平上重复。 水平上重复。
最小二乘法是解决超定问题的基本方法
遥感获取信息的瞬时性、 ， 遥感获取信息的瞬时性 、 有限性和地表遥感模 型的复杂性， 型的复杂性 ， 使我们不能把解决超定问题的成熟 办法当作教条。 办法当作教条 。 所以我们对传统的遥感反演理论 提出了挑战， 的 第三公设 提出了挑战 ， 并且已有一些创造性 的解法。 的解法。
1、遥感机理模型的建模研究； 遥感机理模型的建模研究；
研究遥感像元尺度上，适用的遥感模型， 研究遥感像元尺度上，适用的遥感模型， 研究描述新型传感器信号特征与地表参数关系的 模型， 模型， 研究模型在不同空间尺度上的尺度效应和尺度转 换原理与方法
定量遥感的主要研究内容
2、地表参数的模型反演与陆地遥感数据的 同化研究； 同化研究； 利用遥感数据和地表参数背景知识， 利用遥感数据和地表参数背景知识，提取 地表时空多变参数的模型和算法， 地表时空多变参数的模型和算法，研究遥 感物理模型与相关领域应用结合中模型的 连接与模型参数的转换方法， 连接与模型参数的转换方法，使遥感数据 产品能满足应用的需求。 产品能满足应用的需求。
定量遥感的主要研究内容
3、新型传感器的定标技术研究，智能化处 新型传感器的定标技术研究， 理技术与方法研究； 理技术与方法研究；时空多变地表参数反 演结果的验证方法研究， 演结果的验证方法研究，遥感数据产品的 真实性检验研究。 真实性检验研究。
定量遥感面临的主要问题
尺度效应问题 角度问题 病态反演问题
尺度效应问题
不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺 并不一定是距离越近越好， 观测越细微越好。 度 ， 并不一定是距离越近越好 ， 观测越细微越好 。 才能有效、 观察地物需要适当的 距离 和 比例尺 ， 才能有效 、 完整地观察。 完整地观察。
角度问题
草 色 遥 看 近 却 无
病态反演问题
遥感应用对遥感信息定量化的指标要求
定量遥感在多学科交叉中的定位
传感器、 高新技术(传感器、平台设计制造) 观测时空 尺度 生态学 化学 物理学 定律、 定律、定理 尺度效应
定量地学描述
分形、分维...
计算机科学
定量遥感
反演、优化...
数学
环境保护，全球变化， 环境保护，全球变化，减灾防灾
定量遥感的主要研究内容