定量遙感的定義

定量遙感的定義定量遙感隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，國(guó)家的宏觀決策、資源調(diào)查、環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測(cè)等影響國(guó)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(shí)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(shí)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(dòng)、定量化處理乃至對(duì)遙感數(shù)據(jù)信息的理解能力與對(duì)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(wèn)題。因此，定量遙感逐漸成為遙感發(fā)展的主要方向。定義定量遙感或稱遙感量化遙感研究，主要指從對(duì)地觀測(cè)電磁波信號(hào)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(yàn)判讀的定性識(shí)別地物的方法。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(guò)實(shí)驗(yàn)的或物理的模型將遙感信息與地學(xué)參量聯(lián)系起來(lái)，定量的反演或推算某些地學(xué)或生物學(xué)信息。建模裝置在星體上的傳感器，它的可測(cè)參數(shù)一般為電磁波的屬性參數(shù)，也就是電磁輻射強(qiáng)度、偏振度、相位差等，而我們的目的是要從這些可測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)參數(shù)反演的關(guān)鍵一步，我們稱它為建模。遙感模型一般分為三種：1.統(tǒng)計(jì)模型(即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?：基于陸地表面變量和遙感數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，對(duì)一系列的觀測(cè)數(shù)據(jù)做經(jīng)驗(yàn)性的統(tǒng)計(jì)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(cè)數(shù)據(jù)之間的線性回歸方程。優(yōu)點(diǎn)：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(jiǎn)便，適用性強(qiáng)；缺點(diǎn)：有地域局限性，所以可移植性差；理論基礎(chǔ)不完備，缺乏對(duì)物理機(jī)理的足夠理解和認(rèn)識(shí)，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(duì)作用機(jī)理進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。優(yōu)點(diǎn)：精度高，可移植性強(qiáng)；缺點(diǎn)：此模型通常為非線性的，所以方程復(fù)雜，實(shí)用性較差；并且在復(fù)雜問(wèn)題考慮中會(huì)產(chǎn)生大量參數(shù)，其中有些參數(shù)無(wú)法獲取，從而采取近似，會(huì)產(chǎn)生誤差，而對(duì)非主要因素有過(guò)多忽略或假定也會(huì)產(chǎn)生誤差。3.半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停和怀錾鲜鰞煞N模型的優(yōu)點(diǎn)，回避其缺點(diǎn)?？紤]經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和物理過(guò)程，其參數(shù)往往是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，但有一定物理意義。反演反演與建模是兩個(gè)不同的問(wèn)題，建模是指就某種物理過(guò)程，建立與之對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)方程或方程組的問(wèn)題，而反演就好像是解方程或解方程組的問(wèn)題，顯然建立方程與解方程是兩個(gè)不同性質(zhì)而又密切相關(guān)的問(wèn)題。所謂反演就是基于模型知識(shí)基礎(chǔ)上，依據(jù)可測(cè)參數(shù)值云反推目標(biāo)的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)。要實(shí)現(xiàn)反演一般需要獲得足夠的信息量，數(shù)學(xué)語(yǔ)言可表達(dá)為獨(dú)立方程數(shù)必須等于或大于未知參數(shù)數(shù)目。所謂獨(dú)立就是指正交。定量遙感QuantitativeRemoteSensing是一種利用遙感的方法獲取高時(shí)空分辨率的各類氣象信息的先進(jìn)手段，它的有效使用有可能在節(jié)省人力、財(cái)力與物力條件下實(shí)現(xiàn)中尺度災(zāi)害天氣的監(jiān)測(cè)與探測(cè)的目標(biāo)。定量遙感涉及的內(nèi)容很多。其中，遙感器定標(biāo)、大氣糾正和地表應(yīng)用參數(shù)反演是當(dāng)前定量遙感研究的三個(gè)主要內(nèi)容。作用與能力：1.要充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感在中尺度災(zāi)害天氣監(jiān)測(cè)與探測(cè)中的重要作用。目前對(duì)衛(wèi)星遙感在我國(guó)大氣監(jiān)測(cè)中所發(fā)揮的作用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到它應(yīng)能發(fā)揮的程度。實(shí)際上到2006年將有兩顆靜止衛(wèi)星、三顆極軌衛(wèi)星為我們提供大量資料。同時(shí)還可能利用TRMM、ATOVS資料為我們繼續(xù)提供服務(wù)。有了如此豐富的衛(wèi)星資料源，那么如何充分發(fā)揮其作用是在設(shè)計(jì)中尺度災(zāi)害天氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)時(shí)必須考慮的重要因素。實(shí)際上，最近5年通過(guò)國(guó)家973項(xiàng)目的支持，中國(guó)科學(xué)家在衛(wèi)星遙感的反演能力上有了很大的提高，我們有能力利用衛(wèi)星遙感資料反演中尺度云團(tuán)內(nèi)的溫濕三維結(jié)構(gòu)，不同層次的風(fēng)向、風(fēng)速、云的分類、云頂相態(tài)、降水估測(cè)、下墊面特征、監(jiān)測(cè)江河流域的洪澇變化等，尤其在云導(dǎo)風(fēng)反演上我們已處于國(guó)際領(lǐng)先水平。現(xiàn)在的問(wèn)題是衛(wèi)星探測(cè)精度與遙感反演精度的提高以及與遙感資料精細(xì)分析相關(guān)的技術(shù)開(kāi)發(fā)問(wèn)題有待進(jìn)一步發(fā)展。2.進(jìn)一步發(fā)揮新一代天氣雷達(dá)的作用。通過(guò)國(guó)家973項(xiàng)目的支持，我們重點(diǎn)做了三方面的工作，即利用天氣雷達(dá)獲取中尺度系統(tǒng)的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)資料，利用多部雷達(dá)資料實(shí)現(xiàn)一個(gè)區(qū)域(或更大區(qū)域)對(duì)中尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)以及面降水量的估測(cè)，研究了雙偏振雷達(dá)所具有的相態(tài)分析功能。這三方面的工作基本上都取得了突破。利用長(zhǎng)江中下游野外試驗(yàn)雷達(dá)資料第一次獲取了中尺度暴雨系統(tǒng)的三維流場(chǎng)的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，充分說(shuō)明了發(fā)揮新一代天氣雷達(dá)作用的重要性和它的潛在能力。3.進(jìn)一步加強(qiáng)GPS、風(fēng)廓線儀、甚至飛機(jī)追蹤觀測(cè)技術(shù)的研究，并建成相應(yīng)的觀測(cè)系統(tǒng)，尤其在大城市區(qū)域建立空間間隔僅8-12公里的多個(gè)GPS組成的觀測(cè)網(wǎng)，通過(guò)層析分析實(shí)現(xiàn)利用GPS分析水汽的垂直廓線，試驗(yàn)表明其精度可達(dá)相當(dāng)高的水平。上述三方面的工作基本構(gòu)成了天基(氣象衛(wèi)星)、空基(飛機(jī)追蹤觀測(cè))、地基(天氣雷達(dá)、GPS、風(fēng)廓線儀等)遙感，再加上常規(guī)氣象觀測(cè)網(wǎng)，將基本滿足對(duì)大城市災(zāi)害天氣監(jiān)測(cè)的需求。定量遙感概述1.定量遙感遙感信息定量化，建立地球系統(tǒng)科學(xué)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全球觀測(cè)海量數(shù)據(jù)的定量管理、分析與預(yù)測(cè)、模擬是遙感當(dāng)前重要的發(fā)展方向之一。遙感技術(shù)的發(fā)展，最終目標(biāo)是解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。但是僅靠目視解譯和常規(guī)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法來(lái)分析遙感數(shù)據(jù)，精度總提不高，應(yīng)用效率相對(duì)低，尋找應(yīng)用的新突破口也非常困難。尤其對(duì)多時(shí)相、多遙感器、多平臺(tái)、多光譜波段遙感數(shù)據(jù)的復(fù)合研究中，問(wèn)題更為突出。其主要原因之一是遙感器在數(shù)據(jù)獲取時(shí)，受到諸多因素的影響，譬如，儀器老化、大氣影響、雙向反射、地形因素及幾何配準(zhǔn)等，使其獲取的遙感信息中帶有一定的非目標(biāo)地物的成像信息，再加上地面同一地物在不同時(shí)間內(nèi)輻射亮度隨太陽(yáng)高度角變化而變化，獲得的數(shù)據(jù)預(yù)處理精度達(dá)不到定量分析的高度，致使遙感數(shù)據(jù)定量分析專題應(yīng)用模型得不到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)作輸入?yún)?shù)而無(wú)法推廣。GIS的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展及全球變化研究更需要遙感信息的定量化，遙感信息定量化研究在當(dāng)前遙感發(fā)展中具有牽一發(fā)而動(dòng)全局的作用，因而是當(dāng)前遙感發(fā)展的前沿。2.遙感信息定量化的內(nèi)涵遙感信息定量化是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)的或物理的模型將遙感信息與觀測(cè)目標(biāo)參量聯(lián)系起來(lái)，將遙感信息定量地反演或推算為某些地學(xué)、生物學(xué)及大氣等觀測(cè)目標(biāo)參量。遙感信息定量化研究將涉及到遙感器性能指標(biāo)的分析與評(píng)價(jià)、大氣參量的計(jì)算與大氣訂正方法和技術(shù)、對(duì)地定位和地形校正方法與技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理與算法實(shí)現(xiàn)、地面輻射和幾何定標(biāo)場(chǎng)的設(shè)置以及各種遙感應(yīng)用模型和方法、觀測(cè)目標(biāo)物理量的反演和推算等多種學(xué)科及領(lǐng)域。其中，遙感器定標(biāo)、大氣訂正和目標(biāo)信息的定量反演是遙感信息定量化的三個(gè)主要研究方面。4.遙感器定標(biāo)遙感器定標(biāo)是遙感信息定量化的前提，遙感數(shù)據(jù)的可靠性及應(yīng)用的深度和廣度在很大程度上取決于遙感器的定標(biāo)精度。所謂遙感器定標(biāo)就是指建立遙感器每個(gè)探測(cè)元所輸出信號(hào)的數(shù)值量化值與該探測(cè)器對(duì)應(yīng)象元內(nèi)的實(shí)際地物輻射亮度值之間的定量關(guān)系。無(wú)論對(duì)可見(jiàn)光波段、近紅外波段、短波紅外波段，還是對(duì)熱紅外波段，在遙感器定標(biāo)過(guò)程的實(shí)際計(jì)算中應(yīng)考慮到遙感器響應(yīng)函數(shù)(R(l))的影響，換算出相應(yīng)的遙感器通道的輻射強(qiáng)度計(jì)算值LsDl：LsDl=(5)式中(l1,l2)為遙感器通道的波長(zhǎng)范圍。入瞳通道輻射計(jì)算值LsDl與同步觀測(cè)遙感器輸出信號(hào)的數(shù)字量化值DC*之間的定量關(guān)系為：C*=A·LsDl(6)其中，A則為該遙感器通道的定標(biāo)系數(shù)。遙感器定標(biāo)方法可分為三大類：飛行前實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)、星上內(nèi)定標(biāo)和場(chǎng)地外定標(biāo)。這三種方法都可對(duì)遙感器進(jìn)行絕對(duì)輻射定標(biāo)，只不過(guò)在遙感器研制到投入運(yùn)行整個(gè)過(guò)程中，它們分別在不同階段發(fā)揮著一定的作用。隨著遙感信息定量化應(yīng)用的迅速發(fā)展，對(duì)遙感器的輻射定標(biāo)提出了日益迫切的高精度要求。場(chǎng)地外定標(biāo)是提高輻射定標(biāo)精度的重要手段，已成為整個(gè)遙感器輻射定標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，得到國(guó)際遙感界的廣泛重視。本文也重點(diǎn)闡述場(chǎng)地外定標(biāo)的特點(diǎn)及其重要性。1)遙感器實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)在遙感定量化研究中，常常需要將空中遙感器接收到的電磁波能量信號(hào)直接與地物光譜儀接收到的電磁波能量信號(hào)及地物的物理特性聯(lián)系起來(lái)加以分析研究，這就需要對(duì)地面遙感器和空中遙感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)。遙感器實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)主要包括光譜定標(biāo)與輻射定標(biāo)兩大部分，具體來(lái)說(shuō)，包括暗電流、波長(zhǎng)校準(zhǔn)、重復(fù)性、穩(wěn)定性檢測(cè)和線性定標(biāo)和響應(yīng)度定標(biāo)等。2)遙感器星上內(nèi)定標(biāo)光學(xué)遙感的星上內(nèi)定標(biāo)一般采用燈定標(biāo)、太陽(yáng)定標(biāo)及黑體定標(biāo)。其優(yōu)點(diǎn)可對(duì)一些光學(xué)遙感實(shí)時(shí)定標(biāo)，不足的是，大部分星上定標(biāo)都只是部分系統(tǒng)和部分口徑定標(biāo)，沒(méi)有模擬遙感器的成像狀態(tài)，星上定標(biāo)系統(tǒng)也不夠穩(wěn)定，也影響了定標(biāo)精度。3)遙感器場(chǎng)地外定標(biāo)遙感器場(chǎng)地外定標(biāo)，特指在遙感輻射定標(biāo)場(chǎng)地選擇的基礎(chǔ)上，在遙感器處在正常運(yùn)行和外界環(huán)境條件下，通過(guò)同步測(cè)量來(lái)對(duì)遙感器定標(biāo)的一種方法。即在遙感器飛越輻射定標(biāo)場(chǎng)上空，在定標(biāo)揚(yáng)選擇若干象元區(qū)，測(cè)量遙感器對(duì)應(yīng)的各波段地物的光譜反射率和大氣光譜參量，并利用大氣輻射傳輸模型給出遙感器入瞳處各光譜帶的輻射亮度，最后確定它與遙感器對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字量化的數(shù)量關(guān)系，求解定標(biāo)系數(shù)，并進(jìn)行誤差分析。場(chǎng)地外定標(biāo)方法主要有種：反射率基法、輻射亮度法和輻照度基法，但最常用的是反射率基法。場(chǎng)地外定標(biāo)方法主要特點(diǎn)是基于地面大面積地表均勻地物作為定標(biāo)源，不但可以實(shí)現(xiàn)全孔徑、全視場(chǎng)、全動(dòng)態(tài)范圍的定標(biāo)，而且還考慮到大氣傳輸和環(huán)境的影響。其重要性在于該定標(biāo)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)遙感器運(yùn)行狀態(tài)下與獲取地面圖象完全相同條件的絕對(duì)校正，可以從衛(wèi)星發(fā)射到遙感器失效整個(gè)過(guò)程提供校正，可對(duì)遙感器進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)和對(duì)一些模型的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)，原則上還可以對(duì)其它空中和軌道平臺(tái)遙感器進(jìn)行校正[3]。其不足之處就是需要測(cè)量和計(jì)算空中遙感器過(guò)頂時(shí)的大氣環(huán)境和地物反射率。5.大氣訂正大氣訂正是遙感信息定量化過(guò)程中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，這是由于空中遙感器在獲取信息過(guò)程中不可避免地受到大氣分子、氣溶膠和云粒子等大氣成份的吸收與散射的影響。為了估算遙感器表觀輻亮度，必須首先對(duì)大氣氣溶膠含量、氣體吸收和散射特性進(jìn)行描述。大氣中常見(jiàn)氣體(如N2、O2、Ar、CO2)的密度可由地面氣壓測(cè)量來(lái)確定。平流層臭氧(O3)含量的確定可以不需要任何地面測(cè)量，而直接利用Beer定律或通過(guò)London表查找[4]。但是，大氣中水汽和氣溶膠含量具有很大的時(shí)空變化特性，因此，必須由測(cè)量來(lái)確定。1)大氣光學(xué)厚度的計(jì)算氣溶膠物理特性(粒子大小與譜分布、折射指數(shù)和氣溶膠粒子含量)對(duì)氣溶膠的三個(gè)光學(xué)參量(光學(xué)厚度、散射相函數(shù)和單次散射反照率)具有很大的影響作用，而這三個(gè)氣溶膠光學(xué)參量又是輻射傳輸計(jì)算過(guò)程中必需的。為了獲取這些氣溶膠光學(xué)參量，可采用的測(cè)量方法主要有太陽(yáng)直射輻射測(cè)量和不同方向(天頂角和方位角)上天空漫射輻射測(cè)量。利用這些測(cè)量量，并借助于輻射傳輸模型可推算出氣溶膠參量。利用Langley-plot法可計(jì)算大氣總光學(xué)厚度(tl)[5ln(Vl)-ln(Ds)=ln(V0)-tl·m(7)其中：Vl為太陽(yáng)輻射計(jì)輸出電壓值；V0為對(duì)應(yīng)0大氣質(zhì)量響應(yīng)值；Ds為日-地距離。如果大氣是穩(wěn)定的，且測(cè)量是相應(yīng)太陽(yáng)天頂角變化的一個(gè)周期進(jìn)行的，那么，將ln(Vl)-ln(Ds)對(duì)大氣光學(xué)質(zhì)量m作散點(diǎn)圖將得到一條直線，該直線的斜率即為總大氣垂直光學(xué)理論計(jì)算表明，對(duì)于真實(shí)大氣氣溶膠，t0可認(rèn)為是獨(dú)立于波長(zhǎng)的。在此前提下，對(duì)(9)式兩邊取對(duì)數(shù)，利用可見(jiàn)光-短波紅外光譜區(qū)的太陽(yáng)輻射計(jì)兩個(gè)波段的測(cè)量值，通過(guò)線性回歸則可得出t0和n值。其中，冪指數(shù)n是光譜變化系數(shù)。3)大氣水汽含量的計(jì)算水汽含量(H2O)可以通過(guò)探空資料獲取，也可以通過(guò)地面光學(xué)測(cè)量得到。由于Beer定律只適用于單色情況，因此它對(duì)氣體分子吸收較強(qiáng)的光譜區(qū)(如：940nm處水汽帶)不適用。為此，利用改進(jìn)的Langley-plot法可計(jì)算大氣水汽含量。針對(duì)水汽吸收帶，將(7)式可改進(jìn)為[5]：ln(Vl)-ln(Ds)+tscat·m=ln(V0)-k(u·m)b(10)式中：tscat=tR(940nm)+ta(940nm)；u是待求的大氣柱水含量；k和b是確定水汽透過(guò)率函數(shù)的兩個(gè)常量。利用(10)式，首先假定若干個(gè)水汽含量u值，計(jì)算出水汽吸收透過(guò)率隨大氣質(zhì)量m的變化曲線，再對(duì)曲線進(jìn)行擬合可求得k和b兩個(gè)常量值，再根據(jù)(10)式進(jìn)而求得對(duì)應(yīng)m值的水汽含量u值。6.目標(biāo)信息的定量反演目前，目標(biāo)信息的定量反演多指對(duì)地表物質(zhì)的物理量(如，反射率、發(fā)射率、溫度及一些結(jié)構(gòu)參量等)和大氣參量(如，大氣氣溶膠、大氣水含量等)的反演。本文就常用的地表反射率和地表溫度的反演方法給予探討。針對(duì)太陽(yáng)反射光譜區(qū)的反射率反演和熱紅外光譜區(qū)的溫度反演方法主要有基于地面實(shí)測(cè)法、基于圖像自身信息法和大氣輻射傳輸模式法[7]。6.應(yīng)用前景分析遙感對(duì)地觀測(cè)的空間信息研究已經(jīng)從單波段延伸到多波段，從單角度跨越到多角度和立體測(cè)繪，從空間維拓寬到光譜維。一個(gè)多層、立體、多角度、全方位和全天候的對(duì)地觀測(cè)網(wǎng)正在形成，即高、中、低軌道結(jié)合；大、中、小衛(wèi)星協(xié)同；粗、中、細(xì)、精分辨率互補(bǔ)的全球綜合信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，成為一種滿足持續(xù)發(fā)展過(guò)程中連續(xù)、動(dòng)態(tài)、不同尺度、不同精度和不同層次的信息需求的必要手段，并在自然資源管理和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。尤其進(jìn)入90年代以來(lái)，持續(xù)發(fā)展對(duì)遙感信息需求的多樣化、動(dòng)態(tài)性、現(xiàn)勢(shì)性和準(zhǔn)確性，給遙感信息定量化發(fā)展帶來(lái)一個(gè)新的契機(jī)。遙感信息定量化已成為遙感信息進(jìn)一步廣泛深入應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。(1)遙感信息定量化使高光譜遙感信息的定量分析與應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。高光譜遙感器的光譜分辯率已達(dá)數(shù)納米，空間分辯率僅幾米，對(duì)應(yīng)圖象任一像元反演的地物光譜，可與地面實(shí)測(cè)值相比擬，這將便于實(shí)驗(yàn)室地