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。

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。

3.半经验模型：突出上述两种模型的优点，回避其缺点。考虑经验数据和物理过程，其参数往往是经验参数，但有一定物理意义。

三、定量遥感的四个研究方向：

第一，在像元尺度上对基本物理定律进行检验及修正，开展尺度转换研究，提高定量遥感精度。第二，开展遥感与非遥感信息数据融合的模拟试验，探索地表时空多变要素的尺度转换规律。第三，进行多角度、多时相、多光谱相结合的混合像元分解和亚像元信息提取；运用多阶段的反演策略，提高反演的精度。第四，基础研究和应用示范相结合，估算高难度的地表时空多变要素，推动相关学科的发展。

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。

定量遥感的反演问题，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)。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。国际上坚持“定量遥感反演的必要条件是独立观测的个数大于未知数的个数”(简称“第三公设”)。地表是一个复杂的开放的巨系统，未知的参数几乎是无穷的，而遥感数据总是有限的，并且这几个参数往往不包括应用所

需的时空多变要素，导致了定量遥感与应用需求之间巨大的缺口。

五、遥感建模的尺度问题

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，而是需要适当的距离和比例尺，才能有效、完整地观察。遥感具有多种不同的分辨率，遥感与应用学科（如农业、大气、水文等）的尺度往往是有差异的，这已成为制约定量遥感发展的重要因素之一。

遥感研究中一个重要的尺度问题是不同分辨率遥感图像之间的关系。20年前，普遍流行一个误解，就是：如果像元内所有元素都是各向同性的漫反射表面，则像元一定也是漫反射表面。由于已经观察到大量地表像元的非漫反射特性，所以大量研究都致力于表面元素的非漫反射特性。当时李小文为D.Simonett的研究生，用一个简单的几何光学模型说明了像元的非漫反射特性主要是像元尺度上地表的三维结构决定的，从而奠定了李小文-Strahler集合光学模型系列的基础。

互易原理是电磁学、光学的基本假设之一，是辐射传输理论的基石，曾被当作检验遥感数据质量的标准，但受到测量接的强烈反对，争论长达20年。李小文等人给出了像元尺度上互易原理失效的条件：在像元尺度上，空间均匀的入照产生空间不均匀的反射，且敏感两区之间串线不对称，则互易原理在像元尺度上失效。李小文等人用一个简单的几何光学模型说明上述条件，在IGARSS1999年会议上发表引起轰动。

综上所述，遥感科学要研究的尺度问题之一是：物理定律、原理用在遥感像元尺度时是否需要修正、如何修正。

遥感科学要研究的第二个尺度问题是尺度转换问题，即同一地物不同观测尺度的参数估计结果是否要求一致、如何提高参数故居精度。中国学者首次提出了“直方变差图”的概念。该方法克服了变差图(Variogram)的不足，通过定义图像中驻点和边界点分析地物的空间分布规律，获取地类面积随尺度变化的关系，进而基于破碎度的降尺度转化反演高分辨率地类面积。

六、遥感的病态反演问题

遥感数据的地学理解、从定性到定量：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。定量遥感反演问题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