第六章定量遙感基礎(chǔ)理論ppt課件

精選,1,第六章定量遙感基礎(chǔ)理論,第一節(jié)遙感定量方法與遙感信息模型第二節(jié)介質(zhì)消光理論第三節(jié)二向反射分布函數(shù),精選,2,第一節(jié)遙感定量方法與遙感信息模型,一、遙感定量化問題二、遙感信息模型的概念與特征三、定量遙感信息四、遙感信息模型方法與步驟,精選,3,一、遙感定量化問題,目視解譯的缺陷遙感定量化問題定量化的途徑,精選,4,目視解譯的缺陷,1、效率低下2、受解譯者知識結(jié)構(gòu)、經(jīng)驗的限制3、受主觀因素的影響，如圖像處理過程中為滿足用戶需要或某種其它需要而加入了人為的非科學干擾，使遙感陷入非科學的漩渦之中。對任何科學、技術(shù)，定量化都是追求的目標。,精選,5,遙感定量化問題,定位、定性、定量是遙感技術(shù)的三大支柱。遙感定量化包括：1、位置定量化2、性質(zhì)定量化3、一些尚只有概念、規(guī)律性機理的定量化,精選,6,定量化的途徑,找出遙感信息與物理量之間的函數(shù)關(guān)系，在此基礎(chǔ)之上根據(jù)遙感信息，計算每一點的物理量遙感信息模型方法。,精選,7,二、遙感信息模型的概念與特征,模型與原型遙感信息模型概念遙感信息模型的特征,精選,8,模型與原型,模型是相對于原型而言，是對原型某種特征的模擬，或?qū)δ撤N實物、過程的本質(zhì)聯(lián)系的抽象實物模型對原型的模擬：1地形模型：具有幾何相似2物理模型：具有幾何相似外還具有時間、運動方式等物理特征相似信息模型對原型本質(zhì)關(guān)系的抽象，沒有實體1數(shù)學模型具有數(shù)值定量特征2物理模型具有數(shù)值定量特征外還反映對象物理學方面的內(nèi)在聯(lián)系，是根據(jù)物理學機制建立的信息模型,精選,9,遙感信息模型概念,遙感信息模型是每一象元遙感信息與相應地物或現(xiàn)象本質(zhì)關(guān)系的抽象。其為數(shù)學模型，但每一點皆有數(shù)據(jù)組成圖像，故又具有實物、物理模型的特點,精選,10,遙感信息模型的特征,1、除具有幾何相似率、物理模擬率和定量化特征外，還具有可視化的特點，是新一代的地學模型。2、以點（象元）遙感信息為基礎(chǔ)，深入到點的微觀機理、過程的研究，即“見樹木”。3、對區(qū)域的每一點（象元）進行計算，定量反映宏觀特征、規(guī)律，故既見“樹木”，又見森林。4、由于在點（象元）信息的基礎(chǔ)上對全區(qū)進行計算，使多種隨機因素（反映在象元遙感信息內(nèi)）在宏觀范圍內(nèi)得以充分考慮，得出的結(jié)果更接近實際，是最接近實際的一種地學方法。5、易于實現(xiàn)，通常是以RS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，GIS支持，通過計算機程序完成。且象元眾多，便于用統(tǒng)計方法實現(xiàn)一些未知參數(shù)的求取。6、輸出結(jié)果是區(qū)域性的情況，既有點面積的狀態(tài)，又有區(qū)域性、綜合、宏觀、規(guī)律性的情況，非常適合于地學研究、決策應用。,精選,11,三、定量遙感信息,光譜信息幾何信息,精選,12,光譜信息,（一）直接象元灰度值：是一切信息的基礎(chǔ)，是傳感器到象元對應地物的光譜輻射強度，隨地物種類，波段而異（二）間接光譜信息：經(jīng)變換或經(jīng)過信息提取后的圖像元值。,精選,13,（一）直接象元灰度值,是一切信息的基礎(chǔ)，是傳感器到象元對應地物的光譜輻射強度，隨地物種類，波段而異。DN值輻亮度反射率象元灰度波譜：在遙感平臺上，傳感器測得的象元地物綜合電磁輻射強度隨波長面變化的曲線。,精選,14,（二）間接光譜信息,經(jīng)過變換或經(jīng)過信息提取后的圖像元值。比值圖像、差值、KL變換，典型分析，櫻子帽變換經(jīng)信息提取后的圖像元值,精選,15,幾何信息,紋理形態(tài),精選,16,紋理,紋理通過象元在灰度變化而顯示出提取方法：1、付氏變換原圖頻譜2、求導計算1）、紋理強度T1=G/S=（G/X）+（G/Y）T1紋理強度；G/S灰度隨平面空間的灰度；G/X、G/Y分別為灰度在行、列上梯度。2）紋理密度：TD=（gradG）/S=2G/X2+2G/Y2T1紋理密度、2G/X2、2G/Y2分別為行和列上灰度梯度的梯度，上式實際上為拉普拉斯算式。3）紋理方位4）紋理長度5）紋理寬度,精選,17,形態(tài),1）二維：形狀、圖案信息提取a局域象元數(shù)理統(tǒng)計：在窗口內(nèi)求象元均值、方差、偏斜度等，以之作為幾何信息標定值。b局域付氏變換，根據(jù)頻譜圖與光軸距離、方位能量分布根定幾何特征值。2）三維：空間形態(tài)。多角遙感方法獲取。3）常規(guī)方法所獲得的信息：經(jīng)插值、圖像化后用于計算。,精選,18,三、遙感信息模型方法與步驟,地學過程非常復雜，即有必然規(guī)律又有偶然因素的影響，各種因素之間的關(guān)系即有線性的，又有線性的，故需采取成因分析與統(tǒng)計相結(jié)合的方法，具體有以下四種方式：1概念分析與數(shù)理統(tǒng)計結(jié)合的方法2量綱分析與數(shù)理統(tǒng)計結(jié)合的方程3數(shù)理方程與數(shù)理統(tǒng)計結(jié)合的方程4物理量的數(shù)理方程（物理方程）,精選,19,概念分析與數(shù)理統(tǒng)計結(jié)合的方法,即根據(jù)經(jīng)驗提出定量概念，然后對量化的概念進行統(tǒng)計分析經(jīng)驗模型、統(tǒng)計模型幾乎可以解決所有的地理問題，但須以大量的實驗之上，將定性問題量化，物理學概念、機理不清，模型適應性差研究程度也最低。,精選,20,量綱分析與數(shù)理統(tǒng)計結(jié)合的方程,即把主要地理因子之間的關(guān)系通過量綱分析的方法求得無量綱因子團，再對因子團進行統(tǒng)計分析。在數(shù)學上一般已無困難，許多地理問題用這種方法都可得到解決。有一定的物理學概念，但機理不清，模型適應性不高,精選,21,物理量的數(shù)理方程,即將物理量的必然規(guī)律用數(shù)理方程表達出來，并能夠求解有清析的物理學概念和物理學機理，模型適應性高其建立通常難度較大研究程度最高、最難，是遙感研究的重要前沿問題之一,精選,22,數(shù)理方程與數(shù)理統(tǒng)計結(jié)合的方程,對數(shù)理方程中某些無法解決的參數(shù)或步驟用統(tǒng)計方法來解決，即把數(shù)理方程轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計方程來處理有清析的物理學概念和物理學機理，模型適應性高具有較高的可行性研究程度及難度為其次。是目前定量遙感常采用的方法,精選,23,結(jié)果檢驗,概述誤差分析顯著性檢驗,精選,24,概述,結(jié)果檢驗不管是研究工作或生產(chǎn)任務均是不可缺少的一步結(jié)果檢驗包括精度分析（或誤差分析）和顯著性檢驗，前者較具體直觀，后者較具綜合特征，進行總體評判。,精選,25,誤差分析,計算絕對誤差，平均絕對誤差，最大絕對誤差；計算相對誤差，平均相對誤差，最大相對誤差；作散點圖，求相關(guān)系數(shù)，回歸方程,精選,26,統(tǒng)計檢驗（顯著性檢驗）,原理步驟,精選,27,原理,如計算結(jié)果正確，計算結(jié)果應是測量結(jié)果的無偏估計,分別為計算值和測量值樣本，設：,則X應服從均值為0的正態(tài)分布，即：,故檢驗實際上是檢驗一個樣本平均數(shù)與已知母體平均數(shù)否相同，可用t分布檢驗,精選,28,步驟,1.計算樣本平均數(shù),2.計算樣本標準差,3.計算,4.計算統(tǒng)計量t,精選,29,5.給出信度a，一般取0.05用為顯著標準，0.01作為很顯著標準，0.001作為非常顯著標準；查t分布表，得到置信限ta6.比較t和ta若接受原假設，說明計算結(jié)果與測量結(jié)果差異不顯著否則，拒絕原假設，說明計算結(jié)果與測量結(jié)果差異顯著7.根據(jù)給定信度a，已知樣本數(shù)和查t分布檢表，得犯第二類錯誤的概率,精選,30,第二節(jié)介質(zhì)消光理論,5.4.7消光效率5.4.7消光截面5.4.7消光系數(shù)與體積消光系數(shù)5.4.7比爾定律5.4.7有關(guān)輻射傳輸?shù)闹匾锢砹?精選,31,5.4.7消光效率,散射效率（Qs):質(zhì)粒散射的輻射功率與質(zhì)粒幾何截面上的入射輻射功率之比。吸收效率（Qa):質(zhì)粒吸收的輻射功率與質(zhì)粒幾何截面上的入射輻射功率之比。消光效率（Qe):質(zhì)粒散射和吸收的輻射功率與質(zhì)粒幾何截面上的入射輻射功率之比。,精選,32,5.4.7消光截面,散射截面單位輻照度入射時，一個粒子散射的總能量：,吸收截面單位輻照度入射時，一個粒子吸收的總能量：,消光截面單位輻照度入射時，一個粒子消光的總能量：,以上三個參量的量綱是面積。,精選,33,5.4.7消光系數(shù)與體積消光系數(shù),散射系數(shù)光透過單位體積介質(zhì)后，被粒子散射的總能量與入射總能量之比，為單位容積內(nèi)所有粒子散射截面之和：,吸收系數(shù)光透過單位體積介質(zhì)后，被粒子吸收的總能量與入射總能量之比，為單位容積內(nèi)所有粒子吸收截面之和：,消光系數(shù)光透過單位體積介質(zhì)后，被粒子吸收的總能量與入射總能量之比，為單位容積內(nèi)所有粒子吸收截面之和：,消光系數(shù)的量綱為L-1或cm2.cm-3，前者用于透射研究，稱線消光系數(shù)，后者用于遙感，稱體積消光系數(shù)。也有用k表示,精選,34,5.4.7比爾(Beer)定律,輻射在介質(zhì)中傳播時，因與介質(zhì)相互作用（散射、吸收）削弱。設強度為的光輻射通過厚度為的介質(zhì)后，其強度變化為則：,兩邊積分得：,若為均勻介質(zhì)，其厚度為L，則有：,此即為比爾（Beer)定律，輻射傳輸和遙感應用的一個基本定律,也稱布格-朗伯定律（Bouguer-Lambert)。,精選,35,5.4.7有關(guān)輻射傳輸?shù)闹匾锢砹?精選,36,光學厚度,指數(shù)中的積分為稱介質(zhì)的光學厚度：,均勻介質(zhì)的光學厚度可簡化為：,為無量綱參數(shù),精選,37,透過率,透過率透過介質(zhì)后的光強與入射光強之比：,為無量綱參數(shù),精選,38,散射相函數(shù),不同方向上質(zhì)粒散射的輻亮度是不同的，與散射角有關(guān)，即入射光前進方向與散射方向的夾角有關(guān)為表示散射光亮度隨散射角的相對變化，定義方向的角散射截面（即該方向的散射輻亮度）a()與所有方向角散射截面平均值之比為相函數(shù)P()：,精選,39,相函數(shù)P()是個無量綱量，滿足歸一化條件：,某方向的散射強度為：,精選,40,散射比,散射比空氣容積散射系數(shù)與容積消光系數(shù)之比稱為散射比,其英文名為：singlescatteringalbedo，有些書刊直譯為單次散射反照率，其實其沒有“單次”及“反照率”的意思。,精選,41,散射不對稱因子,為定量表示前后向散射不對稱的程度，定義不對稱因子g為散射角余弦u=cos以角散射函數(shù)s()或相函數(shù)為權(quán)重P()的平均值：,不對稱因子g與散射粒子的尺度有關(guān)，粒子越大，不對稱因子g就越大瑞利散射：g=0；沙塵暴散布射：g0.8,精選,42,精選,43,不對稱因子g與散射粒子的尺度有關(guān)，粒子越大，不對稱因子g就越大瑞利散射：g=0；沙塵暴散布射：g0.8,前向散射：,后向散射：,精選,44,相函數(shù)的近似計算公式,為常數(shù)（不對稱因子）,Henyey與Greenstein相函數(shù)近似公式：H-G相函數(shù)近似公式,精選,45,精選,46,第三節(jié)二向反射分布函數(shù),一、地物反射的方向性二、二向反射分布函數(shù)三、二向反射率因子四、BRDF的測量,精選,47,一、地物反射的方向性,很多地物的反射率具有明顯的方向性，是自然界中物體表面反射的普遍現(xiàn)象地物反射率的方向性主要與其表面的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造有關(guān)實際地物多為混合反射，反射的光能量具有明顯的方向性反射的光能量的方向性主要指入射光方向和反射方向地物反射的方向性是具有較大潛力的信息特征,精選,48,二、二向反射分布函數(shù),二向反射特性：物體反射性質(zhì)具有方向性。即不同的入射角和觀測角度下物體的反射率不同，是自然界中物體表面反射的普遍現(xiàn)象為描述該現(xiàn)象，發(fā)展了二向反射比、二向反射比因子等概念最完善的是二向反射分布函數(shù)，由Nicodemus(1977)給出,精選,49,二向反射分布函數(shù)(BRDF),物理定義：雙向反射率分布函數(shù)（BidirectionalReflectanceDistributionFunction,BRDF）是來自入射方向地表輻照度的微增量與其所引起的觀測（反射）方向上反射輻射亮度增量之間的比值,精選,50,二向反射分布函數(shù)(BRDF),二向反射分布函數(shù)（BRDF):,分別為入射光的天頂角和方位角；分別為反射光的天頂角和方位角。,BRDF單位為1/sr（球面度-1）,為入射光輻照度；,為反射光輻亮度；,精選,51,表面反射的幾何關(guān)系圖,入射輻射通量,反射輻射通量,樣品表面法線,樣品表面參考方向,樣品,精選,52,精選,53,可以通過測量得到,的測量非常困難,故BRDF難于實際應用,精選,54,對于理想漫反射體（指反射率為100%的朗伯體）：,精選,55,BRDF的易倒性,赫姆霍茲易倒性：,從物理意義上講，這一原意味著輻射源和測量儀器的位置可以互換而不影響測量結(jié)果。,精選,56,二向反射分布函數(shù)(BRDF)的特點,物理意義明確、理論嚴密但由于入射輻照度或輻亮度難以精確測量而只有理論意義，難以用于實際應用,精選,57,三、雙向反射率因子(Bi-directionalReflectanceFactor,BRF),定義：在相同的輻照度條件下，地物向(，)方向的反射輻射亮度與一個處于同一輻射和觀測條件下的理想的漫反射體的反射輻射亮度之比值，稱為雙向反射率因子R：,待測目標,參考板,（無量綱）,精選,58,雙向反射率因子(BRF)的特點,均很容易用儀器測量，故較BRDF更具有實用意義,但在給出BRF的定義時，并沒有對輻射環(huán)境作任何限定，嚴格講R值不僅取決于目標物的非朗伯體特性，而且還與輻射環(huán)境有關(guān)。R與f有原則上的不同，兩者的量綱亦不相同，這充分地表明了它們的區(qū)別。,精選,59,朗伯散射余弦定律,對于表面積有限（在視域范圍內(nèi)）的朗伯體，觀測方向的反射輻亮度為：,精選,60,精選,61,精選,62,精選,63,二向反射分布函數(shù)（BRDF）與雙向反射率因子（BRF）的聯(lián)系,如果入射光源對目標物所張的立體角0，以及傳感器對目標物所張的立體角都趨于無窮小，則：,當0與趨近無窮小時，在數(shù)值上R為f的倍，這為測定目標物的f值提供了一條現(xiàn)實可行的通道。,精選,64,半球反射率,定義：目標物的輻出度與輻照度之比值稱為半球反射率，通常用符號表示。輻出度M為：,在某些問題中我們并不需要知道輻射亮度值及其空間分布，而只需要知道輻射通量密度值，比如在求解輻射熱平衡問題中，或者在討論作物光合作用強度問題時都是如此。,19/21,精選,65,反照率（albedo，反照率）,精選,66,嚴格講要求解出射度（M），必須對2空間的L值進行積分，這幾乎是不可能的。因為從個別方向的BRDF的測值中，我們無法判斷目標物在2空間中的反射輻射行為，因此也無法由積分求得半球反射率。目前流行的目標物的半球反射率的測量方法，實際上只是視角取