1、定量遥感考试共18页1 定量(dngling)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(gunc)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(dng xng)遥感与定量遥感对比 A 定性遥感的主要目的是地物(dw)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
2、；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）
3、：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(chd)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(kuzhn)到其他尺度上的过程 互易原理失效的条
4、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(fnsh)，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。 .3 反演的策略(cl)与方法：前向建模问题：星体上的传感器可测参数与目标状态参数间建立某种函数关系 。反演问题：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)病态反演问题：由于遥感信息的有限性、相关性和地表状况的复杂多变，使得在遥感实践中往往只能得到少量观测数据，却要估计复杂多变地表系统的当前状态。因而遥感的许多反演问题本质上是“病态”的，是“无定解”的问题。病态反演思路：先验知识的积累和在反演中的表达和利用; 分阶段目标决策,即对数据
5、空间和参数空间进行多次分割。 .4 遥感模型与应用模型的链接5 二向反射率 对于一定入射方向( i, i)的太阳辐射，遥感成像后的DN转化为特定观测方向(v, v)的大气顶层(TOA)辐亮度I (qv, v)后，进一步转化为反射率R(qi, i, v,v)： 该反射率主要依赖太阳入射方向和传感器观测方向，通常被称为二向反射率因子6 二向反射率分布函数BRDF 沿v, v方向从物体表面反射的光谱辐亮度L与从qi, i方向入射到表面的光谱辐照度E之比：单位为球面度的倒数(Sr-1)，完整地描述了一个表面的方向性反射率特征。在数值上，二向反射率因子R等于二向反射率分布函数BRDF乘以: 7 反照率
6、在波长为，太阳天顶角0时，上行辐射通量Fu(,0)与下行辐射通量Fd (,0)之比： 8 方向半球反射率 方向半球反射率( DHR)：是二向反射率因子BRF在所有反射方向上的积分。 9双半球反射率 双半球反射率( BHR)：是方向半球反射率DHR在所有(suyu)照射方向上的积分。 10 常见(chn jin)BRDF统计模型 Minnaert函数(hnsh)、Lommel-Seeliger函数、Walthall函数、Staylor-Suttles函数、Rahman函数和核函数。11 核函数(hnsh) 典型的核函数由两个分核组成：地表物体的反射核（几何核Kgeo）和无穷多个表面的物体的体散射
7、核(Kvol)。几何核Kgeo反映了大量以长、宽、高形状的理想突起物的反射特性；体散射核Kvol反映了无穷多表面物体（土壤或植物冠层）的吸收和散射辐射的随机分布特征。（判断）核驱动在异质性地面覆盖的一个像元里，模型参数变为各向均匀散射（各向同性）、体散射、几何光学散射（景观阴影）等成分权重的结合12 地表反照率的遥感反演大体分三步（简答考基本步骤）遥感图像的大气校正，计算地表反射率；根据不同视角的晴空观测，利用二向反射率分布函数BRDF的统计模型，拟合模型参数，对得到的BRDF模型进行积分，得到窄波段的地表黑空反照率和白空反照率；根据太阳辐射光谱和各波段的光谱响应函数，进行窄波段反照率到宽波段
8、的转换。 13 大气对太阳直接辐射的削弱辐射的因子 空气分子的散射；大颗粒散射；水汽的吸收；臭氧或其它气体的吸收14 天空辐射 天空辐射主要取决于太阳天顶角与大气中云滴、尘埃等气溶胶杂质的多少。散射辐射来自整个半球天空。天空辐射可以通过求解辐射传输方程得到。15 源函数 源函数是由于相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向的辐射强度。16 一维水平均匀大气辐射传输方程(每个变量的含义) 为微分散射系数， 是介质的源函数，e是体消光系数，z是垂直方向坐标。 如果粒子可以看做是各向同性的（如分子），则一维方程可写成： 为单次散射反照率，表示光子
9、(gungz)打在介质微粒上发生散射的概率；P()为相函数，表示光子(gungz)由一个方向被散射到另一个方向的概率。在可见光和近红外波段，只要介质没有其他光源，J0=017 辐射(fsh)传输方程的边界条件（？） 在大气(dq)顶层的上边界条件: 是delta函数，表示入射辐射仅从一个具有特定太阳天顶角和方位角(,) 的方向入射； 表示与入射光线垂直方向的太阳辐射通量密度； 为大气层的总光学厚度。 地表处的下边界条件: 其中, 为地表BRF.18 辐射场分解（判断） 对于漫散射辐亮度的辐射传输方程，大气顶部的入射辐射为零，即19辐射方程的解法有两种解一维大气辐射传输方程的方法：近似解法和数值
10、解法。近似解法（如二流近似法）广泛应用早期的辐射传输计算中；数值解法计算代价高、但较精确，如逐级散射法和离散坐标法。（1）逐级散射法 其基本思想是计算光子的一次散射L(1)、两次散射L(2)、三次散射L(3)等的散射辐亮度，总的散射辐亮度是各次散射的总和： （2）离散坐标法 其思想是用求和公式替代辐射传输方程中的积分部分，从而把积分微分方程转化为耦合微分方程，最后转换成高维线性代数系统。（3）近似解：二流算法 对于半球积分的辐亮度，现在所有的二流近似都具有相同耦合微分方程组的形式，且有通解。因此，这里先按照他们的思想得到积分的辐亮度，然后计算随角度变化的辐亮度。20 辐射传输方程及求解（填空）
11、名称作者类型描述6SVermote(1997)逐级散射用于光学遥感MODTRANAnderson(2001)离散坐标遥感Clirad_swChou(1990)二流算法地球环流模型 中尺度模型Clirad_lwHydrolightMobley(1994)不变嵌入法计算辐亮度分布、自然水体光学特性MC-layerMacker(1999)蒙特卡罗垂直不均一大气的多次散射21 考虑地表BRDF的近似(jn s)表达（？）假设(jish)一朗伯表面的反射率为 ，则大气上界的上行辐射和大气底部（天空(tinkng)辐射）的下行辐射为： 大气(dq)的球形反照率； 为大气上界零反射率表面的上行辐亮度，称为路
12、径辐射； 为照射到黑体表面的下行天空辐亮度； 和 分别为太阳到目标物和目标物到传感器的路径上的总透射率。22 辐射定标的内容 定标的内容是：建立遥感系统对电磁辐射的响应与如下变量的关系。这些变量为： 波长/波段（光谱响应）；输入信号强度（辐射响应）；不同瞬时视场角/全景的位置差异（空 间响应/一致性）；不同积分时间和镜头(光圈)的设置； 噪声信号。23 辐射定标分类 辐射定标可以分为绝对定标和相对定标。对于一个线性传感器，绝对定标是通过传感器的数值信号(DN)值乘以一个比值来进行，该比值通过入瞳处精确已知的均一辐亮度场确定。相对定标是将一个波段内所有探测器的输出归一化为一个给定的输出值（通常为
13、平均值）。24辐射定标方法A卫星发射前实验室定标 遥感器送入太空之前，对传感器的辐射特性进行的精密测量。包括光谱定标和辐射定 标，一般由传感器研制单位完成。光谱定标：测量遥感器随入射电磁波波长变化的响应（确定光谱响应函数）；辐射定标：确定遥感器入瞳处的准确辐射值（定标系数） 实验室定标不足: 定标时的环境不同于处于日光照射(zhosh)和黑暗真空交替的太空环境； 卫星(wixng)的温度也不同于定标时的情况； 滤光片和其它(qt)渡有薄膜的光学元件其光谱特性可能改变； 发射时的应力也会使光学元件的精细排列产生(chnshng)微小变化； 光学表面，特别是望远镜表面的老化和污染也可以使传感器的响
14、应有别于发射前定标的情况； 红外通道的传感器的响应对环境非常敏感，因此实验室定标和历史定标数据根本不能用； 为了确定相对于发射前定标是否发生变化，一些星上传感器装载有内定标器。B在轨星上内定标 星上内定标是：星上定标器把已知辐照度相对稳定的光源引入光学系统，在不同时间记录下定标器的信号；以确定传感器的响应是否发生变化。 星上定标器：表面覆盖有聚四氟乙烯的漫反射材料，接近理想的朗伯特性，面积足够大。 星上定标的光源一般为灯、太阳、月亮或外太空。 星上定标存在缺陷：1）定标光路和对地观测时的光路不同；2)星上定标器的老化；3)滤光片和分光片光谱特性的改变C外场定标（反射率基法 辐照度基法 辐亮度基
15、法) 外场定标 (名词解释考)是利用地面均一场地作为定标场，把地面测得地表反射率或辐亮度和大气参数输入到辐射传输计算程序，计算出大气层顶的表观辐亮度或表观反射率，然后将表观辐亮度或表观反射率与卫星计数值(DN)相比较，得到卫星传感器定标系数的过程。定标场主要有海洋、沙漠、云、雪、干涸的湖、冰壳和月亮。海洋定标主要依赖海洋上空大气中的分子散射或太阳耀斑。 沙漠定标：沙漠光谱响应稳定、不随时间变化，具有高反射率（大气对上行辐射的影响相对较小），空间均匀性。 云定标：10km高空的白云是可见-近红外波段很好的定标标靶，因为云具有较高的光谱一致性的反射率。而云层很高，不需要校正气溶胶散射和水蒸气吸收的
16、辐射，因这两者都分布在近地表层。只考虑瑞利散射和臭氧吸收。 月亮定标：月亮(yu liang)作为定标标靶，其反射率稳定性高。可用于太阳(tiyng)漫反射器在轨稳定性检查;对传感器直接(zhji)定标。 25 辐射(fsh)定标方法（填空或判断）26遥感图像大气校正、对于可见-近红外波段，大气自身辐射可以忽略不计，大气程辐射主要来源于大气对太阳辐射的多次散射。 或太阳入射地表辐照度*：对于热红外波段，多次散射一般可以忽略不计，但需要考虑大气和地表的自身发射。对于中红外波段，需要考虑地表的反射、地表发射和大气的发射，同时还要考虑大气的多次散射，因此更加复杂 。27 单视角图像的大气校正方法 基
17、于定量的方法假设一幅图像中有些像元的反射率不随时间变化，可以基于这些不变地物的反射率，建立(jinl)线性关系来对不同时间得到的图像进行标准化。28 直方图匹配(ppi) 直方图匹配法是假设图像清晰区域(qy)和模糊区域地表反射率直方图是相同的。先在一幅图像上辨认出清晰和模糊的区域，然后匹配模糊区域和清晰区域的反射率直方图29地表邻近(ln jn)效应（简答考） 地表邻近效应是由大气和陆地表面之间的大量多次散射引起的。当一幅包含不同类型地物的高分辨率图像的像元值受其邻近像元影响时，暗像元会变亮、亮像元变暗，表现在遥感数据上就是图像模糊、缺乏对比度。 当空间分辨率增高时，像元值主要取决于它与邻近
18、像元的对比，即像元之间的影响。当空间分辨率降低时，主要是像元内部信息混合。30 辐射传输程序法6S遥感传感器接收到的辐亮度L： 热红外大气校正的关键是估算以下三个参量：大气上行辐射亮度La、大气下行辐射亮度La和大气透过率t。 La和La ：可用长波辐射传输方程计算或辐射传输模型（LOWTRAN和MODTRAN）模拟； 大气透过率t：可用辐射传输模型（LOWTRAN和MODTRAN）模拟或经验公式估计参数。31 地表能量平衡方程Rn=G+H+LE+其中：Rn为地表净辐射通量，G为土壤热通量，H为感热通量，LE为潜热通量(L为水汽的汽化潜热、E为蒸发量)，表示还有其它能量，如：植物光合作用和生物
19、量增加的能量32 地表净辐射通量Rn：地表净辐射通量(Net radiation)是地表净得的短波辐射和长波辐射之和，即指地表辐射能量收支的差额，是地表能量、动量、水分输送与交换过程中的主要能源。地表净辐射平衡方程可表示为： 其中：Rs为入射到地表的太阳短波辐射，即太阳总辐射Q，为斯忒藩-玻尔茨曼常数，5.710-8W/m2K4。33 大气(dq)发射率大气(dq)发射率a=1.24(ea/Ta)1/7，ea为水汽(shu q)压，Ta为空气(kngq)温度。34 水汽压水汽压e是描述大气水汽的绝对含量，是单位面积对应空气柱中所含水汽的质量。可根据相对湿度RH和气温Ta计算，或用露点温度td直
20、接根据饱和水汽压esw公式计算。 WMO1996年饱和水汽压公式 :e0=6.11 hpa为0饱和水汽压； t为温度（），温度适用范围为-4560。相对湿度RH公式： 35 土壤热通量G：土壤热通量(Soil heat flux)是下垫面土壤内部的热交换。它与热流方向土温梯度、土壤热容量、热扩散率成正比，对土壤蒸发、地表能量交换均有影响。土壤热通量G总是与地表净辐射Rn存在一定的相关性，不同学者得到的关系式不同。可由Rn计算得到。 36 感热通量H 感热通量(也称显热通量,Sensible heat flux)是表征下垫面与大气间湍流形式的热交换。在土壤-植被-大气系统中，若把土壤和植被处理成
21、同一层界面时，感热通量可用一维通量梯度表达式来模拟：H=Cp(Tc-Ta)/rac。其中：为空气密度，在20时为1.205kg/m3；Cp为空气定压比热，在标准大气压下为1004 J/(kgK) ；Cp表征空气的体积热容量(J/m3)；Tc为下垫面表面温度；rac为空气动力阻抗(Aerodynamic resistance，s/m)。37 潜热通量LE：潜热通量(Latent heat flux)是指下垫面与大气间水分的热交换，即地表吸收辐射能与蒸发耗热的热交换，包括地面蒸发、植被蒸腾。38 土壤水分遥感（填空）土壤水分遥感取决于土壤表面发射或反射的电磁辐射能的测量，土壤水分电磁辐射强度的变化
22、取决于其反射率、发射率、介电特性、温度等因素。根据土壤水分在不同电磁波段有不同的反应，可以进行不同波段土壤水分遥感。可见-近红外遥感依赖于地物反射光谱特性，利用植被指数来监测；热红外遥感依据土壤水分平衡及热量平衡的原理，运用热红外遥感的土壤热惯量、植物蒸散、作物缺水指数等参数进行土壤水分遥感；微波遥感利用土壤辐射亮温、介电常数与水分的关系，建立遥感数据与地面实测值间的经验-半经验统计回归模型。39 土壤水分的可见-红外遥感常用的植被指数有：旬距平植被指数AVI、条件植被指数VCI。 40 土壤水分的可见-红外遥感当作物(zuw)供水正常(zhngchng)时，生长期内作物的植被指数和冠层温度会
23、稳定在一定的范围。但在干旱状态下，作物由于根部缺水使蒸腾作用受到抑制、叶面气孔关闭使作物冠层温度升高；同时(tngsh)作物生长也受到影响，使得植被指数降低。因此，可将植被指数与温度结合来表征(bio zhn)干旱状况。常用的指数有：植被温度旱情指数（TVDI）、条件植被温度指数（VTCI）、植被供水指数（VSWI）和条件温度指数（TCI）。Sandholt等（2002）发现在简化的植被指数-地表温度特征空间中有很多等值线，提出了植被温度旱情指数（TVDI）。即在该特征空间中，湿边(Tsmin)简化为与NDVI轴平行的直线，干边(Tsmax)与NDVI成线性关系，TVDI可表达为： 纵轴表示不
24、同湿度的裸土温度，随着湿度的降低，温度升高；横轴表示植被指数由裸地到最大(接近于1)；斜线表示在一定的土壤湿度下，地表温度随植被指数增加而下降。在NDVI-Ts特征空间中，不同的等值线代表不同的干旱程度。例如：TVDI值为1是干边(Dry edge)，代表土壤缺水；TVDI值为0则是湿边(Wet edge)，具有最大的土壤蒸发蒸腾总量和无限的水分供应，反映了土壤水分的两个极端状态。TVDI值范围在0-1之间，值越小表示土壤水分越高（湿润），值越大则土壤水分越低（干旱）。41 土壤水分的热红外遥感热红外遥感监测土壤水分一般采用两种方法：热惯量法和植物蒸散法。热惯量法适合裸土或低植被覆盖区土壤水分
25、遥感；植物蒸散法适合植被覆盖区土壤水分遥感。（1）用热惯量法遥感监测土壤水分，关键在于：建立卫星遥感数据与土壤热惯量的关系模型；建立土壤热惯量与土壤水分含量的关系模型；建立土壤表层水分与一定深度土壤水分含量的数值模拟模型。（2）植物蒸散法作物缺水指数地表蒸散是土壤(trng)-植被-大气间能量相互作用和交换的体现，其核心是能量流的传输，关键因子是地表温度。当植被全覆盖条件下，把土壤和植物作为(zuwi)一个整体边界层，建立它与大气间的热交换模型，用单层模型来估算地表蒸散。作物缺水指数(CWSI, Crop Water Stress Index)是以植物叶冠表面温度(Tc)和周围空气(kngq)
26、温度(Ta) 的测量差、以及太阳净辐射值计算出，实际上反映了植物蒸腾和最大可能蒸发的比值。作物缺水指数一定程度上反映了植物根系范围内土壤水分的信息，可作为植物对水分提取的一个指标。作物缺水指数关键参数：植物叶冠表面温度(Tc)和周围空气温度(Ta)。作物(zuw)缺水指数CWSI计算表达式： 式中：为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率，d为作物冠层上部空气饱和差，为与作物最热点的显热通量之比，为空气温度，为冠层温度，为地表净辐射通量，为空气动力阻抗。42 土壤水分的微波遥感微波遥感监测土壤水分的物理基础是土壤介电特征与土壤含水量有密切关系，可分为主动和被动微波遥感两种。被动微波监测土壤水分，主要依
27、赖于用微波辐射计对土壤本身的微波发射率或亮度温度的测量。主动微波遥感主要是通过雷达后向散射系数与土壤含水量的关系进行。43叶片和植被结构叶片结构：从上到下分为角质层、上表皮、栅栏组织、海绵组织和下表皮。植被结构：从植被遥感（植物与光的相互作用）出发，植被结构主要是指植物叶片的形状(用叶倾角分布LAD表示)和大小(用叶面积指数LAI表示)，植被冠层的形状、大小、几何与外部结构(成层现象，涉及多次散射)、覆盖度等。44植物光合作用植物光合作用：是指植物叶片叶绿素吸收光能和转换光能的过程。能利用仅为太阳的可见光(0.400.76m)，称为光合有效辐射(PAR)，约占太阳辐射的47-50%。植物叶片所
28、吸收的光合有效辐射(APAR)的大小和变化取决于太阳辐射的强度和植物叶片的光合面积，光合面积不仅与叶面积指数有关，还与叶倾角、叶间排列方式、太阳高度角有关。光合面积与叶绿素浓度结合可以反映作物群体参与光合作用叶绿素的数量，而水、肥、气、热等环境因素则影响PAR向干物质转换的效率。45植被光谱特征绿色植物的光谱特征主要取决于叶子。在可见光波段：植物光谱特性主要受叶的各种色素支配，特别是叶绿素。在0.45m为中心的蓝波段和0.67为中心的红光波段叶绿素强烈吸收有反射谷。在近红外波段：植物光谱特性取决于叶片(ypin)内部的细胞结构，在0.74m附近(fjn)反射率急剧增加，0.74-1.3m范围形
29、成高反射。这是叶片细胞(xbo)壁和细胞空隙间折射率不同，导致多重反射引起。在0.96和1.1m有两个(lin )水汽吸收带。在短波红外波段：植物光谱特性主要受叶子总含水量控制，其叶子反射率与叶内总含水量呈负相关。光谱反射率受到1.4、1.9和2.7m为中心的水汽吸收带的控制。在热红外波段：植物发射率随植物类别、水分含量的变化而变化。在微波波段： 微波亮温与植物水分含量有关，植物雷达后向散射强度与介电常数和表面粗糙度。46红边位移“红边”是指红光区叶绿素吸收减少部位到近红外高反射率之间，绿色植物光谱响应陡然增加的这一窄条带区。 当作物快成熟时，叶绿素吸收边(红边)会向长波方向移动，称为“红移”
30、。红移量随植物类型而变化，对作物红移的观察可以评价作物间的差异、以及某一特定作物成熟期的开始。 发生红移的一个重要原因是作物成熟时叶绿素转化为叶黄素，叶绿素减少、叶黄素增加所致。47归一化植被指数（重点）NDVI优点：是植被生长状态和植被覆盖度的最佳指示因子；经比值处理后，可部分消除与太阳高度角、卫星观测角、地形、云/阴影、大气条件有关的辐照度条件变化的影响；可以和地表物体很好的区别。如：云、水、雪在可见光波段比近红外高的反射，NDVI0。NDVI缺点：它是对近红外和红光比值的非线性拉伸，增强了低值部分，抑制了高值部分，对高密度植被区敏感性降低；植被覆盖度80%时，NDVI值增加延缓而呈饱和状态，对植被检测灵敏度降低。所以，NDVI更适合植被发育中等覆盖度的检测。48土壤光谱线（名词解释考）土壤在红光波段和近红外波段反射率之间呈线性关系。在NIR-R二维坐标中，土壤光谱特性的变化表现为一个由近于原点发射的直线，称为“土壤光谱线”，表示为NIR=aR
