定量遥感概述

发表时间：2009-08-25     来源：http://chengfeijiang.blog.sohu.com/73590289.html     编辑：丹枫闲农        阅读:97次

1.定量遥感 

遥感信息定量化，建立地球系统科学信息系统，实现全球观测海量数据的定量管理、分析与预测、模拟是遥感当前重要的发展方向之一。遥感技术的发展，最终目标是解决实际应用问题。但是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，寻找应用的新突破口也非常困难。尤其对多时相、多遥感器、多平台、多光谱波段遥感数据的复合研究中，问题更为突出。其主要原因之一是遥感器在数据获取时，受到诸多因素的影响，譬如，仪器老化、大气影响、双向反射、地形因素及几何配准等，使其获取的遥感信息中带有一定的非目标地物的成像信息，再加上地面同一地物在不同时间内辐射亮度随太阳高度角变化而变化，获得的数据预处理精度达不到定量分析的高度，致使遥感数据定量分析专题应用模型得不到高质量的数据作输入参数而无法推广。GIS的实现和发展及全球变化研究更需要遥感信息的定量化，遥感信息定量化研究在当前遥感发展中具有牵一发而动全局的作用，因而是当前遥感发展的前沿。

2. 遥感信息定量化的内涵

遥感信息定量化是指通过实验的或物理的模型将遥感信息与观测目标参量联系起来，将遥感信息定量地反演或推算为某些地学、生物学及大气等观测目标参量。遥感信息定量化研究将涉及到遥感器性能指标的分析与评价、大气参量的计算与大气订正方法和技术、对地定位和地形校正方法与技术、计算机图像处理与算法实现、地面辐射和几何定标场的设置以及各种遥感应用模型和方法、观测目标物理量的反演和推算等多种学科及领域。其中，遥感器定标、大气订正和目标信息的定量反演是遥感信息定量化的三个主要研究方面。

4. 遥感器定标

遥感器定标是遥感信息定量化的前提，遥感数据的可靠性及应用的深度和广度在很大程度上取决于遥感器的定标精度。所谓遥感器定标就是指建立遥感器每个探测元所输出信号的数值量化值与该探测器对应象元内的实际地物辐射亮度值之间的定量关系。

无论对可见光波段、近红外波段、短波红外波段，还是对热红外波段，在遥感器定标过程的实际计算中应考虑到遥感器响应函数(R(l))的影响，换算出相应的遥感器通道的辐射强度计算值LsDl ：

LsDl = (5)

式中(l1,l2)为遥感器通道的波长范围。入瞳通道辐射计算值LsDl与同步观测遥感器输出信号的数字量化值DC*之间的定量关系为：

C* =A·LsDl (6)

其中，A则为该遥感器通道的定标系数。

遥感器定标方法可分为三大类：飞行前实验室定标、星上内定标和场地外定标。这三种方法都可对遥感器进行绝对辐射定标，只不过在遥感器研制到投入运行整个过程中，它们分别在不同阶段发挥着一定的作用。随着遥感信息定量化应用的迅速发展，对遥感器的辐射定标提出了日益迫切的高精度要求。场地外定标是提高辐射定标精度的重要手段，已成为整个遥感器辐射定标的重要环节，得到国际遥感界的广泛重视。本文也重点阐述场地外定标的特点及其重要性。

1) 遥感器实验室定标

在遥感定量化研究中，常常需要将空中遥感器接收到的电磁波能量信号直接与地物光谱仪接收到的电磁波能量信号及地物的物理特性联系起来加以分析研究，这就需要对地面遥感器和空中遥感器进行实验室定标。遥感器实验室定标主要包括光谱定标与辐射定标两大部分，具体来说，包括暗电流、波长校准、重复性、稳定性检测和线性定标和响应度定标等。

2) 遥感器星上内定标

光学遥感的星上内定标一般采用灯定标、太阳定标及黑体定标。其优点可对一些光学遥感实时定标，不足的是，大部分星上定标都只是部分系统和部分口径定标，没有模拟遥感器的成像状态，星上定标系统也不够稳定，也影响了定标精度。

3) 遥感器场地外定标

遥感器场地外定标，特指在遥感辐射定标场地选择的基础上，在遥感器处在正常运行和外界环境条件下，通过同步测量来对遥感器定标的一种方法。即在遥感器飞越辐射定标场上空，在定标扬选择若干象元区，测量遥感器对应的各波段地物的光谱反射率和大气光谱参量，并利用大气辐射传输模型给出遥感器入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后确定它与遥感器对应输出的数字量化的数量关系，求解定标系数，并进行误差分析。场地外定标方法主要有种：反射率基法、辐射亮度法和辐照度基法，但最常用的是反射率基法。

场地外定标方法主要特点是基于地面大面积地表均匀地物作为定标源，不但可以实现全孔径、全视场、全动态范围的定标，而且还考虑到大气传输和环境的影响。其重要性在于该定标方法实现了对遥感器运行状态下与获取地面图象完全相同条件的绝对校正，可以从卫星发射到遥感器失效整个过程提供校正，可对遥感器进行真实性检验和对一些模型的正确性进行检验，原则上还可以对其它空中和轨道平台遥感器进行校正[3]。其不足之处就是需要测量和计算空中遥感器过顶时的大气环境和地物反射率。

5.大气订正

大气订正是遥感信息定量化过程中不可缺少的一个重要环节，这是由于空中遥感器在获取信息过程中不可避免地受到大气分子、气溶胶和云粒子等大气成份的吸收与散射的影响。为了估算遥感器表观辐亮度，必须首先对大气气溶胶含量、气体吸收和散射特性进行描述。大气中常见气体（如N2 、O2、 Ar、 CO2）的密度可由地面气压测量来确定。平流层臭氧(O3)含量的确定可以不需要任何地面测量，而直接利用Beer定律或通过London表查找[4]。但是，大气中水汽和气溶胶含量具有很大的时空变化特性，因此，必须由测量来确定。

1) 大气光学厚度的计算

气溶胶物理特性（粒子大小与谱分布、折射指数和气溶胶粒子含量）对气溶胶的三个光学参量(光学厚度、散射相函数和单次散射反照率)具有很大的影响作用，而这三个气溶胶光学参量又是辐射传输计算过程中必需的。为了获取这些气溶胶光学参量，可采用的测量方法主要有太阳直射辐射测量和不同方向(天顶角和方位角)上天空漫射辐射测量。利用这些测量量，并借助于辐射传输模型可推算出气溶胶参量。利用Langley-plot法可计算大气总光学厚度(tl)[5

ln(Vl)-ln(Ds)=ln(V0)-tl·m (7)

其中：Vl为太阳辐射计输出电压值；V0为对应0大气质量响应值；Ds为日-地距离。

如果大气是稳定的，且测量是相应太阳天顶角变化的一个周期进行的，那么，将ln(Vl)-ln(Ds)对大气光学质量m作散点图将得到一条直线，该直线的斜率即为总大气垂直光学理论计算表明，对于真实大气气溶胶，t0可认为是独立于波长的。在此前提下，对(9)式两边取对数，利用可见光-短波红外光谱区的太阳辐射计两个波段的测量值，通过线性回归则可得出t0和n值。其中，幂指数n是光谱变化系数。

3) 大气水汽含量的计算

水汽含量(H2O)可以通过探空资料获取，也可以通过地面光学测量得到。由于Beer定律只适用于单色情况，因此它对气体分子吸收较强的光谱区（如：940nm处水汽带）不适用。为此，利用改进的Langley-plot法可计算大气水汽含量。针对水汽吸收带，将(7)式可改进为[5]：

ln(Vl)－ln(Ds) ＋tscat·m =ln(V0)－k(u·m)b (10)

式中：tscat=tR(940nm)＋ta(940nm)；u是待求的大气柱水含量；k和b是确定水汽透过率函数的两个常量。利用(10)式，首先假定若干个水汽含量u值，计算出水汽吸收透过率随大气质量m的变化曲线，再对曲线进行拟合可求得k和b两个常量值，再根据(10)式进而求得对应m值的水汽含量u值。

6. 目标信息的定量反演

目前，目标信息的定量反演多指对地表物质的物理量（如，反射率、发射率、温度及一些结构参量等）和大气参量（如，大气气溶胶、大气水含量等）的反演。本文就常用的地表反射率和地表温度的反演方法给予探讨。针对太阳反射光谱区的反射率反演和热红外光谱区的温度反演方法主要有基于地面实测法、基于图像自身信息法和大气辐射传输模式法[7]。

6. 应用前景分析

遥感对地观测的空间信息研究已经从单波段延伸到多波段，从单角度跨越到多角度和立体测绘，从空间维拓宽到光谱维。一个多层、立体、多角度、全方位和全天候的对地观测网正在形成，即高、中、低轨道结合；大、中、小卫星协同；粗、中、细、精分辨率互补的全球综合信息网络系统，成为一种满足持续发展过程中连续、动态、不同尺度、不同精度和不同层次的信息需求的必要手段，并在自然资源管理和环境监测领域中发挥重要作用。尤其进入90年代以来，持续发展对遥感信息需求的多样化、动态性、现势性和准确性，给遥感信息定量化发展带来一个新的契机。遥感信息定量化已成为遥感信息进一步广泛深入应用的一个重要环节。

(1)

遥感信息定量化使高光谱遥感信息的定量分析与应用成为现实。高光谱遥感器的光谱分辩率已达数纳米，空间分辩率仅几米，对应图象任一像元反演的地物光谱，可与地面实测值相比拟，这将便于实验室地物光谱分析模型直接应用到高光谱遥感的处理和分析研究，以及利用计算机自动进行地物的光谱分类和匹配识别研究。

(2)遥感信息定量化，将使不同种类光学遥感数据的信息复合技术发生质的飞跃，使复合后的信息不仅达到空间分辩率的归一化，而且其辐射值仍保持着目标结构和成分的物理信息，这将在全球变化和全球资源环境状况监测和调查等应用研究中具有重要的意义。

(3)通过遥感信息的定量化，将定量反演的地物光谱与实测值相比较，可对空中遥感器性能进行校验，如波长漂移、增益、信噪比等性能，以及对遥感数据的精度进行全面的评价，进一步为遥感器的不断改进提供可靠的依据和标准。　

(4) 通过遥感信息的定量化，使遥感定量分析专题应用模型(如农作物估产、土湿度和干旱监测、海冰监测、海水泥沙含量和初级生产力的计算等模型)具有高质量的定量遥感数据作为输入参数而加以广泛地推广和应用。

(5)

我国在未来几年也将发射一系列自己的国土资源卫星、海洋水色卫星、气象卫星、侦察卫星，还将有步骤、有目的地实施小卫星计划、发展航空成像光谱遥感技术以及建立天基综合信息网。通过遥感信息定量化，可使我国自己发射的卫星数据和航空遥感数据立刻投入应用、产生效益，从而推动国产遥感数据的开发和使用，并与其它遥感数据相配合，形成具有中国特色、符合我国国情的空间信息技术。