定量遥感

武汉大学

《定量遥感》研究生课程考试题目(开卷) 技术与应用

2013-2014 上学期

三、仅依据冠层反射率模型能否进行生物化学参数反演？请给出利用OMIS 高光谱数据进行植被叶绿素含量计算的一种方案。

答：合理的利用冠层反射率模型并结合光谱数据可以实现对生物化学参数的反演。因为叶片是能与太阳能相互作用的最重要的植被界面，是植被冠层最重要的成分，它的光谱属性能用叶片光学物理模型来模拟，它的反演又能使我们了解叶片的生化特性。描述完整的植被土壤介质的物理模型即冠层传输模型，通过输入植被的结构参数、光学参数和光照参数可得到冠层的反射率。所以通过选择合适的冠层反射率模型可以较好的通过反射率模型得到叶片光学物理模型从而获得其生化参数。

方案：首先是将光谱数据进行消噪，计算出各种高光谱指数，然后通过比较分析筛选出最佳指数，利用支持向量机回归算法建立反演模型。同时将OMIS进行去噪、大气校正和集合校正等预处理，提取出植被覆盖区域。最后利用基于支持向量机回归算法的叶绿素含量反演模型在OMIS影像中实现目标区域的遥感填图，并采用地面实测数据对填图精度进行检验。

五、什么是光学遥感中的“热点现象”，请说明其产生的原因？答：所谓“热点现象”，即当传感器与太阳位于同一方向时，传感器所

接收的地面辐射最强（地面反射率最大、地面光强最强、最热）的现象。许多地类（如树冠，土壤，雪）的方向反射模型的重要特性之一就是热点，即与太阳入射方向正好相同的观测方向有一个反射峰值。

“热点现象”是由于冠层内的散射体—叶片具有一定的集合尺度，因为造成散射体空间分布的不随机性和间断性，使得辐射场分布与随机粒子介质中相比有一定差别，由此造成了当辐射入射方向与传感器观测方向呈180度且射线重合时，视场内目标物的亮度达到极大。因为这个原因，能否较好地解释“热点现象”成为衡量模型乘公共与否的关键因素之一。通常，热点的概念解释是基于阴影遮蔽理论。当观测方向远离太阳入社方向时，视场内能见到许多阴影。当观测方向与太阳视向一致时，看不到阴影，测得的辐射达到局部最大。经典的辐射理论不能解释这种现象，因为它假设所有散射在空间上随机分布，且与散射介质的相关性极小，所以方程中没有考虑阴影。实际冠层在多个尺度上显示出异质性，叶子组分的尺寸有限。当观测方向与入射方向一致时，这些组分投射的阴影被隐藏了，导致了较高的反射值。因此经典辐射传输方程必须根据冠层热点模型进行修正。

六、请解释热红外遥感传感器波段范围通常不超过14.5 微米的原因？

答：热红外遥感是利用星载或机载传感器收集、记录地物的这种热红外信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数如温度、湿度和热惯量等。

大气的长波辐射性质很复杂，不仅与吸收物质分布有关，而且与

大气温度、压力有关。大气在14微米以上，可以堪称是近似于黑体的。地面14微米以上的远红外辐射不能透过大气传向空间，在热红外遥感中的大气窗口主要有3.5-4.0微米，8-9.5微米和10.5-12.5微米三个波段，如：水蒸气吸收带—6.3微米，二氧化碳吸收带—4.3微米、15微米，臭氧吸收带—9.6微米。当波长增加到15微米则会出现较严重的二氧化碳吸收带。由此造成在热红外遥感传感器进行设计阶段的波段选择时不能超过14.5微米。

七、陆面温度遥感反演所面临的主要难点是什么？请给出利用TM 数据进行陆面温度反演的一种实施方案？

答：陆地表面温度( land surface temperature, LST)是一个重要的地球物理参数, 它在地- 气间的物质与能量交换的过程中起着重要的作用。目前, 基于卫星遥感数据海洋温度( sea surface temperature,SST)信息提取的研究已较为成熟, 其精度可达到lK左右。由于陆地表面远比海洋表面复杂, 陆地表面温度( LST)反演一直是热红外遥感研究中的一大难题,大体上表现为精度要求、合适算法、尺度问题等，这主要包括如下几个方面：（1）非同温混合象元占绝大多数，对这样的象元而言，定义象元的有效平均温度也比较困难，关于这类非同温混合象元的陆面温度遥感问题需要专门讨论。（2）对纯象元陆面温度的遥感问题，由于陆面目标的比辐射率明显小于“1”，所以需要考虑大气下行辐射的贡献与干扰。（3）陆面目标的比辐射率往往受物理状况（如土壤比辐射率随土壤含水量而变），表面粗糙度、地表起伏造成传感器对地表实际视角的起伏等因子控制，所以一般只

能作为未知量，不能事先设定。（4）陆面目标的比辐射率随波段变化显著，这样导致方程组的完备，因为一个波段包含一个未知的比辐射率，N个波段包含N个未知比辐射率，外加一个未知温度，所以未知数总比独立方程数多一个。

实施方案：

（1）首先进行数据预处理，包括传感器定标、几何纠正及大气纠正等。

（2）地表比辐射率计算。在这个过程中就需要同时计算植被覆盖度（主要通过植被指数来进行计算）和水体的覆盖比例，根据陆地主题类型主要包含水体、城镇和自然表面的分类依据，从而可以依次得到水体像元的比辐射率、自然表面的比辐射率和城镇像元的比辐射率。（3）计算相同温度下黑体的辐射亮度值。卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ由三部分组成：大气向上辐射亮度L↑，地面的真实辐射亮度经过大气层之后到达卫星传感器的能量；大气向下辐射到达地面后反射的能量。卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值的表达式可写为（辐射传输方程）：

Lλ= [ε·B(TS) + (1-ε)L↓]·τ + L↑

这里，ε为地表辐射率，TS为地表真实温度，B(TS)为普朗克定律推到得到的黑体在TS的热辐射亮度，τ为大气在热红外波段的透过率。则温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度B(TS)为：

B(TS) = [Lλ - L↑- τ·(1-ε)L↓]/τ·ε

在NASA官网中输入成影时间以及中心经纬度，则会提供上式中所

需要的参数。得到了温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度值。（4）反演地表温度

在获取温度为TS的黑体在热红外波段的辐射亮度后，根据普朗克公式的反函数，求得地表真实温度TS：

TS = K2/ln(K1/ B(TS)+ 1)

对于TM，K1 =607.76W/(m2·sr·μm)，K2 =1260.56K。得到真实的地表温度值，单位是摄氏度。

八、请分析定量遥感研究目前存在的主要难题是什么？

(1)海量数据存储及有效利用的问题。随着高光谱、高空间和高时间分辨率遥感的迅猛发展，海量数据的获取对数据量的存储提出了更高的要求，也为有效信息的提取提出了难题。

（2）定量与定性之间的关系。遥感定量化到底应该是简单性还是复杂性的，从定性转为定量化，还是定性与定量协同发展也是定量遥感发展中的难题。

（3）阴影问题。在光学遥感中，阴影会严重影响遥感解译和准确的建模，即使在高分辨率的图像中也不会减轻阴影的影响。

（4）气溶胶对遥感定量化的影响。气溶胶研究对全球气候变化、大气环境变化有重要的意义，气溶胶影响大气状况产生大气程辐射的程度也影响地表辐射平衡，有害的气溶胶粒子会影响全人类的健康。在定量遥感中消除气溶胶影响，才可以获得更为清晰的遥感图像从而获得更加真实的地表信息。而由于下垫面产生的气溶胶和气流的运动是不稳定的，所以如何有效的、定量地去除气溶胶的影响是定量遥感