定量遙感分析

1、定量遙感分析隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，國家的宏觀決策、資源調(diào)查、環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測等影響國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域急需數(shù)據(jù)支持，要求數(shù)據(jù)具有空間上的宏觀性，時間上的連續(xù)性和可獲取數(shù)據(jù)的全面性。而遙感技術(shù)正具備這一能力，它能夠以不同的時空尺度不斷地提供多種地表特征信息。但是與遙感衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)的能力相比，遙感數(shù)據(jù)的自動、定量化處理乃至對遙感數(shù)據(jù)信息的理解能力與對遙感數(shù)據(jù)的有效利用卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，這也是目前制約遙感發(fā)揮作用的瓶頸問題。因此，定量遙感逐漸成為遙感發(fā)展的主要方向。一、什么是定量遙感 定量遙感或稱遙感量化遙感研究，主要指從對地觀測電磁波信號中定量提取地表參數(shù)的技術(shù)和方法研究，區(qū)別于僅依靠經(jīng)驗判讀的定性識別

2、地物的方法。它有兩重含義：遙感信息在電磁波的不同波段內(nèi)給出的地表物質(zhì)的定量的物理量和準(zhǔn)確的空間位置；從這些定量的遙感信息中，通過實驗的或物理的模型將遙感信息與地學(xué)參量聯(lián)系起來，定量的反演或推算某些地學(xué)或生物學(xué)信息。定量遙感不僅要進(jìn)行遙感建模與各種前向模型的研究，還要進(jìn)行各種反演模型和反演策略的研究。目前在國際上，越來越多的學(xué)者們認(rèn)識到遙感科學(xué)在地學(xué)從傳統(tǒng)定點觀測數(shù)據(jù)到不同空間范圍多尺度空間轉(zhuǎn)換和地球系統(tǒng)科學(xué)研究中的不可替代作用。而遙感科學(xué)能夠在多遠(yuǎn)數(shù)據(jù)綜合集成及地學(xué)應(yīng)用方面對地球系統(tǒng)科學(xué)研究發(fā)揮決定性作用。然而，相對快速發(fā)展的遙感技術(shù)而言，定量遙感的基礎(chǔ)研究仍嚴(yán)重不足。這對全世界遙感科學(xué)界都是

3、一個挑戰(zhàn)，對我們來說則更多的是一種跨越發(fā)展的機遇。二、遙感模型分類：1.統(tǒng)計模型（即經(jīng)驗?zāi)Ｐ停夯陉懙乇砻孀兞亢瓦b感數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，對一系列的觀測數(shù)據(jù)做經(jīng)驗性的統(tǒng)計描述或者進(jìn)行相關(guān)性分析，構(gòu)建遙感參數(shù)與地面觀測數(shù)據(jù)之間的線性回歸方程。 優(yōu)點：參數(shù)少；容易建立且可以有效概括從局部區(qū)域獲取的數(shù)據(jù)，簡便，適用性強； 缺點：有地域局限性，所以可移植性差；理論基礎(chǔ)不完備，缺乏對物理機理的足夠理解和認(rèn)識，參數(shù)之間缺乏邏輯關(guān)系。 2.物理模型：其模型參數(shù)具有明確物理意義，并試圖對作用機理進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。 優(yōu)點：精度高，可移植性強； 缺點：此模型通常為非線性的，所以方程復(fù)雜，實用性較差；并且在復(fù)雜問題考慮中會

4、產(chǎn)生大量參數(shù)，其中有些參數(shù)無法獲取，從而采取近似，會產(chǎn)生誤差，而對非主要因素有過多忽略或假定也會產(chǎn)生誤差。 3.半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停和怀錾鲜鰞煞N模型的優(yōu)點，回避其缺點?？紤]經(jīng)驗數(shù)據(jù)和物理過程，其參數(shù)往往是經(jīng)驗參數(shù)，但有一定物理意義。 三、定量遙感的四個研究方向：第一，在像元尺度上對基本物理定律進(jìn)行檢驗及修正，開展尺度轉(zhuǎn)換研究，提高定量遙感精度。第二，開展遙感與非遙感信息數(shù)據(jù)融合的模擬試驗，探索地表時空多變要素的尺度轉(zhuǎn)換規(guī)律。第三，進(jìn)行多角度、多時相、多光譜相結(jié)合的混合像元分解和壓像元信息提?。贿\用多階段的反演策略，提高反演的精度。第四，基礎(chǔ)研究和應(yīng)用示范相結(jié)合，估算高難度的地表時空多變要素，推動相關(guān)學(xué)

5、科的發(fā)展。四、定量遙感反演：裝置在星體上的傳感器，它的可測參數(shù)一般為電磁波的屬性參數(shù)，也就是電磁輻射強度、偏振度、相位差等，而我們的目的是要從這些可測參數(shù)中獲得有關(guān)目標(biāo)的物理的、地理的、化學(xué)的、甚至生物學(xué)的狀態(tài)參數(shù)，所以在可測參數(shù)與目標(biāo)狀態(tài)參數(shù)間建立某種函數(shù)關(guān)系是實現(xiàn)目標(biāo)參數(shù)反演的關(guān)鍵一步，我們稱它為建模。定量遙感的反演問題，就是根據(jù)觀測信息和前向物理模型，求解或推算描述地面實況的應(yīng)用參數(shù)(或目標(biāo)參數(shù))。困難在于應(yīng)用參數(shù)往往不是控制遙感信息的主導(dǎo)因子，或者說是非敏感參數(shù)，只能為遙感信息提供弱信號。國際上堅持“定量遙感反演的必要條件是獨立觀測的個數(shù)大于未知數(shù)的個數(shù)”(簡稱“第三公設(shè)”)。地表是一

6、個復(fù)雜的開放的巨系統(tǒng)，未知的參數(shù)幾乎是無窮的，而遙感數(shù)據(jù)總是有限的，并且這幾個參數(shù)往往不包括應(yīng)用所需的時空多變要素，導(dǎo)致了定量遙感與應(yīng)用需求之間巨大的缺口。五、遙感建模的尺度問題不同的自然現(xiàn)象有不同的最佳觀測距離和尺度，并不一定是距離越近越好，觀測越細(xì)微越好，而是需要適當(dāng)?shù)木嚯x和比例尺，才能有效、完整地觀察。遙感具有多種不同的分辨率，遙感與應(yīng)用學(xué)科（如農(nóng)業(yè)、大氣、水文等）的尺度往往是有差異的，這已成為制約定量遙感發(fā)展的重要因素之一。遙感研究中一個重要的尺度問題是不同分辨率遙感圖像之間的關(guān)系。20年前，普遍流行一個誤解，就是：如果像元內(nèi)所有元素都是各向同性的漫反射表面，則像元一定也是漫反射表面。

7、由于已經(jīng)觀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。當(dāng)時李小文為D.Simonett的研究生，用一個簡單的幾何光學(xué)模型說明了像元的非漫反射特性主要是像元尺度上地表的三維結(jié)構(gòu)決定的，從而奠定了李小文-Strahler集合光學(xué)模型系列的基礎(chǔ)?；ヒ自硎请姶艑W(xué)、光學(xué)的基本假設(shè)之一，是輻射傳輸理論的基石，曾被當(dāng)作檢驗遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，但受到測量接的強烈反對，爭論長達(dá)20年。李小文等人給出了像元尺度上互易原理失效的條件：在像元尺度上，空間均勻的入照產(chǎn)生空間不均勻的反射，且敏感兩區(qū)之間串線不對稱，則互易原理在像元尺度上失效。李小文等人用一個簡單的幾何光學(xué)模型說明上述條件

8、，在IGARSS1999年會議上發(fā)表引起轟動。綜上所述，遙感科學(xué)要研究的尺度問題之一是：物理定律、原理用在遙感像元尺度時是否需要修正、如何修正。遙感科學(xué)要研究的第二個尺度問題是尺度轉(zhuǎn)換問題，即同一地物不同觀測尺度的參數(shù)估計結(jié)果是否要求一致、如何提高參數(shù)故居精度。中國學(xué)者首次提出了“直方變差圖”的概念。該方法克服了變差圖(Variogram)的不足，通過定義圖像中駐點和邊界點分析地物的空間分布規(guī)律，獲取地類面積隨尺度變化的關(guān)系，進(jìn)而基于破碎度的降尺度轉(zhuǎn)化反演高分辨率地類面積。六、遙感的病態(tài)反演問題遙感數(shù)據(jù)的地學(xué)理解、從定性到定量：目前遙感的基礎(chǔ)理論很不成熟，缺乏對遙感數(shù)據(jù)的地學(xué)理解。定量遙感反演

9、問題就是根據(jù)觀測信息和前向物理模型，求解或推算描述地面實況的應(yīng)用參數(shù)（或目標(biāo)參數(shù)）。而反演的困難在于應(yīng)用參數(shù)往往不是控制遙感信息的主導(dǎo)因子，或者說是非敏感參數(shù)，只能為遙感信息提供弱信號。由于地表太復(fù)雜，而遙感信息總是有限的，所以，定量遙感本質(zhì)上是病態(tài)反演。目前國際上對遙感反演的主流仍堅持采用高斯的最小二乘法，堅持“定量遙感反演的必要條件是獨立觀測的個數(shù)大于未知參數(shù)的個數(shù)”（建成“第三公設(shè)”）。李小文明確提出“對地定量遙感本質(zhì)上是欠定問題”的觀點，強調(diào)必須綜合考慮未知參數(shù)的敏感性與不確定性，盡量把遙感獲取的寶貴信息分配給時空多變要素，而不是反復(fù)反演相對穩(wěn)定、相對已知的敏感因素、在低水平上重復(fù)。我

10、們對傳統(tǒng)的遙感反演理論的第三公設(shè)提出了挑戰(zhàn)，提出了病態(tài)反演的主要思路：第一，先驗知識的積累和在反演中的表達(dá)和利用；第二，分階段目標(biāo)決策，即對數(shù)據(jù)空間和參數(shù)空間進(jìn)行多次分割。病態(tài)反演要求知識庫的支撐，建立中國典型地物結(jié)構(gòu)波普知識庫的構(gòu)想，就是為了病態(tài)反演。波普知識庫集波普測量數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、遙感先驗知識數(shù)據(jù)、遙感分析模型于一體。除了這些，數(shù)字地形模型(DTM)和地表覆蓋類型(LULC)，也是知識庫里很重要的一部分。病態(tài)反演中，究竟怎么才能最簡潔地用最少的參數(shù)描述像元內(nèi)的地形特征呢？我們研究了直方圖的尺度效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)它很有希望是比變差圖更好的地學(xué)描述工具，并建議用“值直方變差圖”來描述地形或數(shù)字

11、圖像的空間特征。另一方面，隨著分辨率的降低，邊界混合像元的比例將逐步增加。邊界直方圖反映的是給定灰度（高度），給定尺度上等高線的長度，這種直方圖的尺度效應(yīng)表達(dá)兼具直方圖和變差圖的優(yōu)點。七、海量遙感數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)化為有用信息協(xié)同反演協(xié)同遙感反演研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在建立各類遙感機理模型及其地學(xué)描述中的尺度問題、參數(shù)反演理論與方法、反演結(jié)果的真實性檢驗等方面。目前面臨的問題是：大量的遙感數(shù)據(jù)仍未得到真正有效的利用。出現(xiàn)這種矛盾的原因除遙感本身的原因外（遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量和專題信息提取水平），一個相當(dāng)重要的原因在于對遙感應(yīng)用中的一些基本理論問題缺乏深入的研究，導(dǎo)致人們對于遙感數(shù)據(jù)的認(rèn)識與理解還很不充分。為了更好

12、地理解電磁波與地表特征間的相互作用，國內(nèi)外學(xué)者們將經(jīng)典的數(shù)學(xué)物理理論與遙感實踐相結(jié)合，建立了近百種不同的遙感模型。這些模型大體可分為經(jīng)驗統(tǒng)計模型、物理模型、半經(jīng)驗?zāi)Ｐ腿N。海量空間數(shù)據(jù)與有效信息（知識）匱乏，原因在于，遙感數(shù)據(jù)與遙感信息之間缺乏地學(xué)理解和遙感成像機理深入研究，存在明顯的知識間隙。地學(xué)從性質(zhì)上不同于經(jīng)典物理學(xué)。定量遙感不僅需要新的物理學(xué)規(guī)律，而且需要尋找相應(yīng)的數(shù)學(xué)手段，使遙感定量表達(dá)更簡潔、明晰。八、其他方面：遙感科學(xué)的基礎(chǔ)研究尚不足，制約了遙感信息應(yīng)用。迄今為止，遙感研究面臨兩大問題：需要實現(xiàn)從定性到定量的過渡；需要多學(xué)科交叉，加強基礎(chǔ)研究。兩大問題表現(xiàn)在三個方面：第一， 對遙感精度要求越來越高，遙感數(shù)據(jù)量越來越大。第二， 隨著遙感應(yīng)用范圍越來越廣，遙感應(yīng)用對遙感本社提出了更高的要求時空多變要素。（反照率、地表溫度、葉面積指數(shù)、葉綠素含量、土壤水分含量、地表蒸發(fā)）。第三， 遙感科學(xué)基礎(chǔ)研究嚴(yán)重不足，需要多學(xué)科交叉。陳述彭先生認(rèn)為遙感科學(xué)是“一門綜合性的科學(xué)，它借助物理學(xué)的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)的方法，計算機的手段，以及地學(xué)、生物學(xué)的分析，解決對地遙感的科學(xué)理論和實際問題”。遙感信息定量化研究在遙感發(fā)展中具有牽一發(fā)而動全局的作用，成為遙感發(fā)展的前沿技術(shù)，具有許多生長點，可以帶動許多學(xué)科和應(yīng)用各領(lǐng)域的發(fā)展。因為遙感信息定量掛涉及