遥感应用模型1 绪论ppt课件.ppt
,遥感应用模型,主讲教师：许凯13545003637xukai_,中国地质大学（武汉）信息工程学院,遥感（RS）技术是地学研究最强有力的工具之一遥感技术具有宏观、客观、综合、动态的特点。是现代地学研究不可缺少的数据采集手段：高级GIS以预测辅助决策为特征，其多时相资料、综合资料的获取有赖于RS。全球变化：全球海冰减少、海水温升、热带雨林减少、沙漠化趋势明显、臭氧层空洞等的发现均靠RS。遥感已成为地学研究的基本的，也是最重要的手段，很多传统的对地观测方法都将被RS所取代。,课程的背景,传统的遥感主要从模式识别、机器学习的算法上进行分类器或地物识别模型的改进经过几十年的发展，但却难以得到令人满意的识别精度卫星的观测角度不能保证是垂直的地物也不能被简单的认为是朗伯体单一角度观测会出现“异物同谱”现象宽视场遥感器由于观察方向的差异能产生“同物异谱”现象,传统的遥感大多采用垂直观测方式（NOAA、MODIS），并且假设地物是朗伯体，利用地面目标的光谱特性作有监督或无监督分类，或经验判读。主要解决影像地物“在哪里（where）？”，“是什么（what）？”的问题？,漫反射,遥感应用模型研究相对滞后：特别是遥感定量模型的研究近年来未有大的突破，远远滞后于遥感硬件系统的发展，原因是基础研究薄弱。遥感科学是一门综合性的科学，它借助物理学的基础，数学的方法，计算机的手段，以及地学、生物学的分析，解决对地遥感的科学理论和实际问题定量遥感的研究正处在起步阶段，正是出成果的黄金时期，对我们的学习具有广阔的前景。,定量遥感受到越来越多的关注仅靠目视解译和常规的计算机数据统计方法来分析遥感数据，精度总提不高，应用效率相对低；迫切需要弄清楚地表与光辐射之间相互作用的机理；仅仅解决where和what的问题不能满足应用的需要；,例如，粮食估产、沙漠化与草场载畜量的变化，生态环境变化的动态监测等,都需要遥感技术提供准确的定量信息。,遥感器在数据获取时，受到诸多因素的影响，太阳高度角、大气影响、双向反射、地形因素等,课程的地位与意义,地位：遥感专业的必修课意义：遥感应用模型的研究可从遥感的定量化研究展开突破；遥感技术的发展为遥感的定量化研究提供了丰富的数据基础。 遥感地学应用面临的问提与挑战定量遥感研究的迫性。,课程目标,课程目标较熟练的掌握定量遥感的基本原理和方法；掌握光学遥感与热红外遥感模型和地表参数的定量遥感反演方法模型；了解如何应用物理学原理和数学方法进行定量遥感科学研究。,课程安排,第一章 绪论第二章 植被遥感第三章 土壤和冰雪遥感 第四章 水色遥感第五章 遥感应用案例,主要教材,遥感物理，徐希孺 ，北京大学出版社，2005定量遥感，梁顺林，科学出版社，2008定量遥感模型、应用及不确定性研究，柳钦火，科学出版社，2010,国内外主要研究机构和学者,北京大学，遥感与地理信息系统研究所，童庆禧，范闻捷等北京师范大学，地理学与遥感科学院，王锦地，李小文等中国科学院遥感应用研究所，宫鹏，柳钦火等美国，马里兰大学地理系， Chris Justice，梁顺林等美国，波士顿大学地理系， Alan H Strahler等美国，加州大学圣芭芭拉分校计算地球系统科学院，施建成等,第一章 绪论,主要内容： 遥感应用模型概述 定量遥感应用模型 定量遥感面临的挑战 定量遥感发展趋势,1.遥感应用模型概述,广义遥感：无接触的远距离探测 狭义遥感：应用探测仪器，记录远处的电磁波，分析物体的特性及变化的综合探测技术,遥感系统,遥感信息源遥感信息获取遥感信息接收遥感信息处理遥感信息应用,遥感信息源,地物发射、反射、吸收电磁波成为遥感信息源,遥感发展初期，采用单一方向遥感观测获得地表信息二维模型，地表目标作漫反射假定，获取数据后利用光谱特征作分类或判读。,遥感数据几何、辐射处理、信息提取、遥感产品输出,遥感信息处理,中国地质大学信息工程学院（武汉）,遥感应用从内容上可以概括为： 资源调查 环境监测评价 区域分析规划 全球宏观研究,遥感应用现状,资源调查,在农业、林业方面的应用：农、林土地资源调查、病虫害、土壤干旱、盐化沙化的调查及监测。土地利用类型调查精细农业作物估产“三北”防护林遥感综合调查,遥感在地质矿产方面的应用客观真实地反映各种地质现象，形象地反映区域地质构造,地质找矿工程地质、地震地质、水文地质和灾害地质,资源调查,环境监测评价,在环境监测方面的应用污染物位置、性质、动态变化及对环境的影响；长江三峡库区环境本底调查、环境演变分析、动态监测等在对抗自然灾害中的应用灾害性天气的预报旱情、洪水、滑坡、泥石流和病虫害森林火灾,区域分析及建设规划,城市化和城市遥感城市土地利用环境监测道路交通分析环境地质城市规划,小 结,传统的单一方向遥感得到目标的一个方向投影，缺乏足够信息来同时推断一个像元的主要材料波谱和空间结构；传感器获得地物的可见光和近红外波段，主要提取地物的光谱特征、空间特征、时相特征等；以植被监测为例，仅以光谱、空间等特征很难对不同种群植被进行鉴别，加上时相特征就可以对植被类型和作物生长周期进行确定，而采用多角度观测只需要一个时相就可以完成。多角度对地面观测使目标的观测信息丰富，能提取更为详尽可靠的地物三维空间结构，为定量化遥感提供了新的途径。,2. 定量遥感应用模型,定量遥感或称量化遥感，主要指从对地观测的电磁波信号中定量提取地表参数的技术和方法，区别于仅依靠经验判读的定性识别地物的方法。 在电磁波的不同波段内给出的地表物质的定量的物理量；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。,地学参量,物理量,遥感信息,反演,Land-Use Change Map,10 December 1988 TM 432 3 March 1996 TM 432,自然界中之存在近似意义下的朗伯体，大部分地物都介于镜面反射和漫反射之间。因此在进行遥感定量分析时，必须抛弃“地物是朗伯体”的假设。描述非朗伯体反射不能简单用地物反射率表示，因为各方向的反射率不一样。二向性反射是自然界中物体表面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,方向反射,漫反射,地物的二向性反射和方向谱特征,李小文在1989年发表在环境遥感“地物的二向性反射和方向谱特征”一文中提出需要开展不同地物BRDF（ Bi-directional Reflectance Distribution Function ）的研究,对于BRDF的研究主要有辐射传递模型适合于水平方向上均匀的三维空间结构, 如农作物, 草原, 积雪等。几何光学模型适合于空间关系复杂但以表面反射为主的地物, 如土壤, 森林, 建筑物等计算机模拟模型适合子解决多重散射等更难以求解的问题,定量遥感应用模型,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。,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。 例如，表观土壤含水量ASW的表达式d为土壤颗粒粒径，D为土壤土层厚度，s为土壤的密度，为水的密度，h为相对高程，H为绝对高程，sin为坡度，NDVI植被指数。 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。,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。,小 结,因此，目前遥感研究面临两大问题:需要实现从定性到定量的过渡；需要加强遥感科学基础的研究，强调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。,3. 定量遥感面临的挑战,1. 寻找适合遥感对象的数学和物理学规律电磁波和物理相互作用的规律是遥感的基础经典物理中引入绝对粗糙面，而现实中99%都是既非完全光滑，又非完全粗糙面经典物理的理论在多尺度的遥感环境下不一定适用经典物理是在实验室下获得的，遥感对象复杂、环境多变，遥感物理远远复杂的多,互易原理（源与传感器互易原理）,地表非同温混合像元黑体辐射公式描述了黑体表面辐射能量与波长和表面温度的关系自然物体表面在给定温度下的辐射即可用同一温度下的M(t)来描述Planck 定律表面温度均一的要求可以放宽到表面温差小且随机分布的情况.,如果像元由2个不同的部分组成从这个B中分别估计一个平均真实温度和一个等效比辐射率，在一定条件上, 某些波段的等效比辐射率将可能大于1,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普朗克定律一直未经修正直接应用到对地遥感，成为地温遥感精度上不去的根本原因之一。物理学的权威说：地表状况不满足普朗克定律的条件，你们就别用。问题在于地学家很难修正地表状况，大多数又不敢修正物理定律,2. 混合像元（尺度问题）例如: TM影像得到广泛应用后，人们发现用TM（分辨率30m）估算的农田面积显著不同于过去用AVHRR（分辨率1.1km ）估算的农田面积。,针对混合像元求解植被覆盖度假设地物NDVI值由植被和土壤组成，则：NDVI = FcNDVIv + （1-Fc）NDVIs其中，NDVIv和NDVIs分别为植被和土壤的NDVI值。Fc为植被覆盖度，则 Fc = （NDVI-NDVIs）/（NDVIv-NDVIs）,如果从遥感分析的角度，我们可以依据尺度由大向小排列顺序如下：,像元之间的关系，即遥感影像上的纹理特征； 像元本身的属性，如根据像元光谱特征，进行分类； 混合像元，即判断像元内部各种地物所占比例； 端元（冠层）反射，表征端元内部由于辐射进入，或邻近遮挡而引起的辐射变化； 材料波谱，如叶片内部各组分的结构与光谱特征。,其中第一个属于遥感数字图象处理研究范畴，后两个属于遥感物理研究范畴，而中间两个则属于二者交叉研究范畴。,混合像元本身的物理性质发生了变化（黑体、朗伯体）“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”？由于地表的三维结构导致像元内亮度不均匀, 从而局地尺度上处处为朗伯的，像元作为一个整体可以是全然非朗伯的。,3. 建模与反演建模是指建立数学方程来描述物理过程反演就好像是解方程或解方程组的问题遥感反演就是建立遥感数据的地学理解,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“定量遥感反演的必要条件是独立观测的个数大于未知数的个数”独立方程组未知参数数目,当线性方程组任一个方程都不能从其他方程推导出来时，称线性系统的方程是独立的,假定A11，A12，A21，A22，4个像元排成两行两列，水平和垂直投影过去，能得到A1A11A12A2A21A22B1A11A21 B2A12A22这样，用4个观测量A1、A2、B1、B2，就能解出A11等4个未知量。Wade是权威老教授，4个方程解4个未知数，讲了几年，没人怀疑这个说法。,A1A2B1B2；第四个观测不是独立的。三个独立方程解不出4个未知数。,最小二乘法是解决“超定问题”的基本方法， “对地定量遥感本质上是欠定问题”。“暗欠定问题”，看起来方程数等于或大于未知参数，但彼此不独立、或观测之间有相关，导致最小平方误法中的AA的不满秩。地表是一个复杂的系统，未知的参数几乎是无穷的，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。,遥感最初被人称为“技术”，已故美国地理学遥感之父David Simonett就坚持认为遥感不仅是一门应用技术，还是一门科学，它的多分辨率或多尺度是现代技术无法解决的科学问题。遥感要求从定性到定量描述的过渡，要求在像元尺度上对局地尺度上定义的概念、定律、定理的适用性进行检验和纠正，而这种纠正是与像元尺度上的地学定量描述密不可分的，无法从传统物理学中找到现成答案。目前反演理论研究得到的一些方法和结果要付诸应用仍有一定距离，这一方面是成功的反演依赖于先验知识的使用，而先验知识的积累是一个长期的过程；另一方面是用地面测量的点上数据验证像元尺度的遥感反演结果的实验方法尚需进一步研究。,小结,4. 定量遥感发展趋势,寻找适合遥感对象的数学和物理学规律电磁波和物理相互作用的规律是遥感的基础经典物理中引入绝对粗糙面，而现实中99%都是既非完全光滑，又非完全粗糙面植被对短波辐射和微波辐射的反射热辐射的非同温三维混合像元经典物理是在实验室下获得的，遥感对象复杂、环境多变，遥感物理远远复杂的多,混合像元的分解与融合遥感获取的信息是以像元为基础的面状信息面状信息不是点状信息的加权和混合像元本身的物理性质发生了变化（黑体、朗伯体）尺度变化时，混合像元的物理意义,建模与反演建模是建立数学方程来描述物理过程反演就是解方程独立方程组未知参数数目完全“独立”的事件少，方程之间有关联性相关性对误差有影响,大气效应纠正与大气参数反演大气吸收和分子散射已经具有完备的理论气溶胶的散射机理比分析散射要负复杂不知道与像元尺度相匹配的大气气溶胶参数水汽含量的变化发生在底层大气，而对低层大气水汽不敏感,作 业,阅读文献李小文.定量遥感的发展与创新，河南大学学报（自然科学版），2005，35(4):49-56李小文.互易原理在二向性反射研究中的适用性李小文.再论互易原理在二向性反射研究中的适用性李小文.地表非同温象元发射率的定义问题,
