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定量遥感或称遥感量化遥感研究，主要指从对地观测电磁波信号中定量提取地表参数的技术和方法研究，区别于仅依靠经验判读的定性识别地物的方法。 背景随着经济和科技的发展，国家的宏观决策、资源调查、环境及灾害监测等影响国民经济发展的关键领域急需数据支持，要求数据具有空间上的宏观性，时间上的连续性和可获取数据的全面性。而遥感技术正具备这一能力，它能够以不同的时空尺度不断地提供多种地表特征信息。
但是与遥感卫星获取数据的能力相比，遥感数据的自动、定量化处理乃至对遥感数据信息的理解能力与对遥感数据的有效利用却远远不足，这也是目前制约遥感发挥作用的瓶颈问题。因此，定量遥感逐渐成为遥感发展的主要方向。
定义定量遥感或称遥感量化遥感研究，主要指从对地观测电磁波信号中定量提取地表参数的技术和方法研究，区别于仅依靠经验判读的定性识别地物的方法。
它有两重含义：遥感信息在电磁波的不同波段内给出的地表物质的定量的物理量和准确的空间位置；从这些定量的遥感信息中，通过实验的或物理的模型将遥感信息与地学参量联系起来，定量的反演或推算某些地学或生物学信息。
建模装置在星体上的传感器，它的可测参数一般为电磁波的属性参数，也就是电磁辐射强度、偏振度、相位差等，而我们的目的是要从这些可测参数中获得有关目标的物理的、地理的、化学的、甚至生物学的状态参数，所以在可测参数与目标状态参数间建立某种函数关系是实现目标参数反演的关键一步，我们称它为建模。
遥感模型一般分为三种： 1.统计模型（即经验模型）：基于陆地表面变量和遥感数据的相关关系，对一系列的观测数据做经验性的统计描述或者进行相关性分析，构建遥感参数与地面观测数据之间的线性回归方程。
优点：参数少；容易建立且可以有效概括从局部区域获取的数据，简便，适用性强；
缺点：有地域局限性，所以可移植性差；理论基础不完备，缺乏对物理机理的足够理解和认识，参数之间缺乏逻辑关系。
2.物理模型：其模型参数具有明确物理意义，并试图对作用机理进行数学描述。
优点：精度高，可移植性强；
缺点：此模型通常为非线性的，所以方程复杂，实用性较差；并且在复杂问题考虑中会产生大量参数，其中有些参数无法获取，从而采取近似，会产生误差，而对非主要因素有过多忽略或假定也会产生误差。
3.半经验模型：突出上述两种模型的优点，回避其缺点。考虑经验数据和物理过程，其参数往往是经验参数，但有一定物理意义。
反演反演与建模是两个不同的问题，建模是指就某种物理过程，建立与之对应的数学方程或方程组的问题，而反演就好像是解方程或解方程组的问题，显然建立方程与解方程是两个不同性质而又密切相关的问题。
所谓反演就是基于模型知识基础上，依据可测参数值云反推目标的实时状态参数。要实现反演一般需要获得足够的信息量，数学语言可表达为独立方程数必须等于或大于未知参数数目。所谓独立就是指正交。
项目名称：定量遥感几何光学建模及反演理论 推荐单位：教育部 项目简介：对地遥感观测目前已成为国际社会大力投入和广泛关注的热点，遥感本身也成为了一门新兴的交叉学科，正逐步从定性评价转变为定量研究，其中的关键科学问题是建立遥感观测数据与地表参数关系的模型和地表参数的遥感反演。本项目主要围绕对地遥感的建模和反演问题进行研究。 遥感像元尺度上地表的非朗伯特性已被广泛认可，为了合理有效利用遥感观测信息，需要从机理上描述地表的方向性反射和辐射特性，尽管辐射传输理论自60年代被成功引入了对地遥感领域并得到广泛应用，其水平均匀体散射介质的基本假设极大限制了其应用范围。针对地表大量呈现非均匀复杂三维结构的情况，项目主要完成人李小文等指出像元尺度上地表反射方向性的关键在于其结构，于1985年创建了Li－Strahler几何光学模型，发现了植被冠层反射的四个分量在不同方向投射阴影的差异，成功地解释了由于冠层结构所产生的植被像元表面反射的非朗伯现象；1988年建立的离散植被冠层的间隙率模型则成为几何光学模型与辐射传输模型衔接的桥梁，极大地简化了在三维空间中复杂边界条件下求解的复杂性；1992年建立了考虑入照与反射两方向相互荫蔽的几何光学模型，经过了详尽的验证，奠定了Li－Strahler几何光学模型的学术地位；1999年以后，李小文等项目主要完成人围绕普朗克定律和互易原理在遥感像元尺度的适用性问题进一步研究，将几何光学原理成功应用到了更广阔的遥感领域。Li－Strahler几何光学基本原理在解释复杂地表的反射特征时有其简单、明晰的优势，得到了国际社会的广泛认可，到目前被他人SCI引用累计700余次。 地表是复杂多变的，而遥感数据的信息量总是有限的，本项目明确提出"对地定量遥感本质上是欠定问题"的观点，强调先验知识的积累，发展了基于先验知识的遥感反演理论和方法，被国际同行高度评价，从2002年以来已被他人SCI引用近200次，并被用于美国地球观测系统计划"旗舰"卫星MODIS的全球反照率产品生成中。 主要发现点： 1.定量遥感几何光学建模理论 (地图学、代表性论著[1]-[7]) 诺贝尔奖获得者Chandrasekhar于上世纪50年代创立了辐射传输理论，成功应用于大气；前苏联院士J.Ross于上世纪60年代将其应用于植被等地表反射特性的描述，曾在遥感机理研究中一统天下。但该理论的基础假设是体散射介质的水平均匀性，而在遥感像元尺度上，陆地表面大量呈现非均匀的复杂结构，以表面散射为主，辐射传输理论难以给出合理解释。 本项目1985年发现了植被冠层反射的四个分量在不同方向投影的差异，成功地解释了由于冠层结构所产生的植被像元表面反射的非朗伯现象。1992年通过引入交互阴影张角的概念解决了森林相对茂密时入照与反射两方向相互荫蔽的情况，建立了国际上目前唯一经广泛验证和实际应用的森林遥感模型几何光学模型（代表性论著[1]）。几何光学模型在植被存在较多间隙，多次散射影响明显，阴影和非阴影区反差较小时，需要和辐射传输理论结合，结合的桥梁就是间隙率模型。本项目1988年将常用于农作物冠层的间隙率模型推广到不连续植被冠层，建立了适用于离散植被冠层的间隙率模型，极大地简化了在三维空间中复杂边界条件下求解的复杂性（代表性论著[2]），进一步建立了几何光学－辐射传输混合模型，形成了可见光、近红外波段Li－Strahler几何光学建模理论（代表性论著[3]）。 从遥感技术出现后40多年，普朗克定律一直未经修正直接应用到对地遥感，这是地温遥感精度上不去的根本原因之一，本项目修正了"像元平均有效发射率"的内涵，使普朗克定律能直接应用于像元尺度地温遥感（代表性论著[4]）。并分别针对作物冠层方向性热辐射实验和理论建模做了进一步研究（代表性论著[5-6]），从实验和理论两个角度为我国热红外遥感做出了贡献。 互易原理是否直接适用于遥感像元的尺度？遥感界从事理论研究且对互易原理深信不疑的科学家和从事地表二向性反射测量的科学家争论不休。本项目研究了地表二向性反射的互易性，推翻了西方沿用十多年的互易原理的热力学证明，进而证明了互易原理在像元尺度上失效的条件（代表性论著[7]）。 2.定量量遥感病态反演理论(地图学、代表性论著[8]-[10]) 国际对地遥感界的主流在相当长的时间沿用高斯最小二乘法，坚持"定量遥感反演的必要条件是独立观测的个数大于未知数的个数"，但是地表是一个复杂、开放的巨系统，未知参数几乎是无穷的，而遥感数据是有限的，从而导致了定量遥感与应用需求之间巨大的缺口和普遍的悲观情绪。 本项目提出了基于先验知识的遥感反演理论（代表性论著[8]），强调必须综合考虑未知参数的敏感性与不确定性，尽量把遥感获取的宝贵信息分配给时空多变要素，而不是反复反演相对稳定、相对已知的敏感因素。相应的理论成果已被项目主要完成人引入到美国地球观测系统计划"旗舰"卫星MODIS的全球反照率产品生成中（代表性论著[9]），并被拓展应用到组分温度的遥感反演（代表性论著[10]）。 主要完成人：李小文 本人对项目的第一和第二发现点做出了贡献，占本人工作量的90％。具体表现在： 1．创建了李-Strahler几何光学模型系列，并在此基础上，引入了辐射传输模型在处理多次散射的优势，建立了几何光学－辐射传输混合模型。 2．推翻了西方沿用十多年的互易原理的热力学证明，首次发表了在该书作者假定条件下导出的正确结论，并给出了互易原理应用于非均一像元方向-方向反射计算的约束条件。 3．构建了非同温地表热辐射方向性模型，初步解决了普朗克定律用于非同温黑体平面和非同温三维结构非黑体表面的尺度纠正问题。 4．提出了多阶段目标决策的反演方法，建立了基于先验知识的遥感病态反演理论。 王锦地 本人对项目的第一和第二发现点做出了贡献，占本人工作量的80％。具体表现在： 1．长期进行BRDF实验观测，用观测数据验证了二向性反射的几何光学-辐射传输混合模型，将有限厚度介质层的路径散射模型推广到不连续植被树冠层表面的方向反射分布和层内的辐射传输，并进行了实验验证；建立了考虑开放度的树冠层辐射传输模型。 2．为解决常规方法难于进行的对树冠结构参数的实测问题，研制了树冠底视扫描成像系统(TCT),发展了树冠层垂直叶面积指数、叶面积体密度分布的间接测量方法。 3．组织制定了地物波谱的采集规范，是构建"我国典型地物波谱知识库"的课题负责人。 4．拓展了病态反演理论，并用于植被组分温度的反演。 柳钦火 本人对项目的第一和第二发现点做出了贡献，占本人工作量的80%: (1)改进了地面多角度观测实验系统，开展了典型农作物二向性反射与热红外辐射方向性观测实验，几何光学建模和验证提供了大量的观测实验数据;(2)参与机载多角度多光谱成像仪的设计和研制，参与组织了机载多角度多光谱航空遥感实验(2000)、北京顺义星机地定量遥感综合实验(2001)，为基于先验知识的遥感定量反演理论验证和发展，提供了大量的观测实验数据;(3)通过地面和航空多角度实验，提取了典型地表热红外辐射方向性特征，发现地表组分温度分布、地表结构参数和发射率方向特征，是决定地表热红外辐射方向特征的主要因子，促进了几何光学建模从可见光/近红外波段到热红外波段的拓展。 阎广建 本人对项目的第一和第二发现点做出了贡献，占本人工作量的80％。具体表现在： 1．将Li－Strahler的方向性热辐射模型拓展到宽波段，并建立了行播作物的热辐射模型，考虑了作物间隙率的影响。 2．参与提出了对地遥感病态反演理论中多阶段目标决策方法，发展了多角度多光谱联合反演的方法。实现了叶面积指数和组分温度的反演。 3．主持研制了机载多角度多光谱成像系统（AMTIS）实验样机，将其技术应用到电力，研制了机载多角度电力巡线系统（AMPLI）。开展了航空和地面的BRDF测量实验。 高峰 本人对本项目的第二发现点做出了主要贡献，占本人工作量的80％： 1．验证了基于李-Strahler 几何光学模型之上的"李系列"核驱动模型，分析比较了多种核驱动模型在不同样本空间分布情况下的适用性, 实现了"李系列"核驱动模型在美国地球观测系统计划MODIS BRDF/Albedo 算法中的应用，并验证和分析了由此生成的全球MODIS二向性反射和地表反照率产品。 2．合作引入了先验知识在模型反演的应用，成功地使用贝叶斯理论将先验知识和遥感观察数据相结合，开发出多阶段目标决策反演体系，实现了先验知识在遥感模型反演中的有效应用，提高了遥感反演的准确性和可靠性。 图书信息 书名: 定量遥感
作 者：梁顺林
译
出版时间： 2009年02月
ISBN: 9787030237422
开本： 16开
定价: 68元（含光盘）
内容简介 《定量遥感》自成体系，首先概要论述了定量遥感的基础理论，分章节着重介绍大气、植被冠层、土壤和雪面的辐射传输模型，并结合应用实例详细介绍了目前传感器定标、大气纠正、几何纠正、各种植物生理参数（如叶面积指数、植物吸收的光合作用有效辐射比例）、地球物理参数（如宽波段反照率、发射率和表面温度）和四维数据同化等方面的代表现有研究水平的定量算法，最后给出了定量遥感在生态、农业等领域的应用案例。《定量遥感》全面、系统地介绍了定量遥感领域的反演基本理论和所取得的最新成就，是对目前定量遥感研究的系统概括和总结。
图书目录 前言
第1章绪论
1．1 光学遥感中的定量模型
1．2 基本概念
1．2．1 数字值
1．2．2 辐亮度
1．2．3 立体角
1．2．4 辐照度
1．2．5 二向性反射率及反照率
1．2．6 地球外的太阳辐照度
1．3 遥感建模系统
1．3．1 场景生成
1．3．2 场景辐射建模
1．3．3 大气辐射传输建模
1．3．4 导航建模
1．3．5 传感器建模
1．3．6 制图和面元划分
1．4 小结
参考文献
第2章大气短波辐射传输建模
2．1 辐射传输方程
2．2 地表BRDF统计模型
2．2．1 Minnaert函数
2．2．2 Lommel?Seeliger函数
2．2．3 Walthall函数
2．2．4 Staylor?Suttles函数
2．2．5 Rahman函数
2．2．6 核函数
2．3 大气光学特性
2．3．1 瑞利散射
2．3．2 米氏散射
2．3．3 气溶胶粒子大小分布
2．3．4 气体吸收
2．3．5 气溶胶气候学
2．4 辐射传输方程求解
2．4．1 辐射场分解
2．4．2 数值解法
2．4．3 近似解：二流算法
2．4．4 辐射传输的代表性解法（软件包）
2．5 考虑表面BRDF的近似表达
2．6 小结
参考文献
第3章植被冠层反射模型
3．1 冠层辐射传输方程
3．1．1 冠层结构
3．1．2 一维辐射传输公式
3．1．3 边界条件
3．1．4 热点效应
3．1．5 非均质冠层的公式
3．2 叶片光学模型
3．2．1 “平板”模型
3．2．2 针叶模型
3．2．3 光线追踪模型
3．2．4 随机模型
3．2．5 混合介质模型
3．3 辐射传输方程的求解
3．3．1 近似解
3．3．2 数值解：高斯塞德尔算法
3．4 几何光学模型
3．5 计算机模拟模型
3．5．1 蒙特卡罗光线追踪模型
3．5．2 辐射度模型
3．6 最新进展
3．7 小结
参考文献
第4章土壤和雪的反射模型
4．1 雪和土壤单次散射的性质
4．1．1 雪的光学性质
4．1．2 土壤的光学性质
4．2 雪和土壤角反射率的多重散射解法
4．2．1 近似的解法
4．2．2 数值解法
4．3 几何光学模型
4．4 雪参数的反演
4．5 实际问题
4．5．1 雪和土壤表面的粗糙度
4．5．2 混合雪像元
4．5．3 细雪与脏雪
4．5．4 借助辅助信息的土壤反演
4．5．5 土壤穿透深度
4．5．6 土壤湿度状况
4．6 小结
参考文献
第5章卫星遥感辐射定标
第6章光学图像的大气纠正
第7章地形校正方法
第8章地表生物物理量的估计
第9章地面辐射平衡估算Ⅰ：宽波段的反照率
第10章地表辐射平衡估算Ⅱ ：长波
第11章四维数据同化
第12章真实性检验与空间尺度转换
第13章遥感应用
程辐射即路径辐射，指一部分太阳辐射在到达地表目标物前就直接被大气散射到太空并被传感器接收。这部分太阳辐射参与了辐射平衡，但它们并不携带任何有关目标物的信息，因此大气纠正必须将这部分路径辐射剔除出去。
程辐射Path radiance：遥感传感器中接收到的入射光中，除了在视场内陆表反射光和地面热辐射外，大气的散射与自身辐射的光也进入传感器，这部分的光能量称作程辐射。程辐射是背景噪声的主要来源。 程辐射取值最常用的方法是“暗像元法”（dark pixel） 即从多光谱遥感图像中寻找地表覆盖为纯净水体和浓密植被的多个像元。由于纯净水体在近红外波段（ETM4,5,7 ）的反射率几乎为零（到达水体的这部分波段的太阳辐射能完全被吸收，黑色)；而浓密植被在红色波段（ETM3）的反射率亦小于5 ％(植被在红光波段处于高吸收峰，暗色）；所以可以将传感器接收到的来自于这些目标物像元的辐射值近似看作完全是程辐射贡献的，即可算出程辐射值。
能找到的也就这些了。
辐射强度 (Radiant Intensity)：在给定方向上包含该方向的立体角元内辐射源所发出的辐射通量dφ除以该立体角元dΩ，单位为W/Sr。
《遥感概论》中的定义；辐射亮度（L）---假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向不同，则L定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量。
中学课本的解释：
在圆面上取一个小面积，这个圆面的圆周和球心之间的所以连线起来就成为立体角
立体角是球面面积比半径的平方，比如：球面对应的立体角是4π 百度知道： 一个锥面所围成的空间部分称为“立体角”。立体角是以锥的顶点为心，半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位称为“立体弧度”。 和平面角的定义类似。在平面上我们定义一段弧微分S与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角 记作 θ=ds/r； 所以整个圆周对应的圆心角就是2π； 与此类似，定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角 记作 θ=ds/r^2； 由此可得，闭合曲面的立体角都是4π。 球面度（steradian，符号∶sr）是 立体角 的国际单位。它可算是三维的弧度。其英文字是希腊语「立体」（stereos）和弧度（radian）的混合。 以 r 为半径的球的中心为顶点，展开的立体角所对应的球面表面积为 r 2 ，该立体角的大小就是球面度。球表面积为4 πr 2 ，因此整个球有4 π 个球面度。 球面度是 无维 的。 球面度等于(180/π) 2 或3282.80635 平方度
立体角的国际单位是球面度，1球面度的定义为：以 r 为半径的球的中心为顶点，展开的立体角所对应的球面表面积为 r 2 ，该立体角的大小就是球面度。
球面度等于(180/π) 2 或3282.80635 平方度
球面度相当于三维的弧度，平方度则是三维的角度。
辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量。单位是W。辐射通量是波长的函数，总辐射通量应该是各辐射通量之和或辐射通量的积分值。
Geol,1998;Liang,2004;李小文和王锦地，1995
自然地表的反射不但与所测地物的几何结构和光谱特性有关，还于入射-观测方向的遥感几何有关，其反射分布特性必须用BRDF（Bidirectional reflectance distribution function,二向性反射分布函数）来描述。 20世纪70年代初期，Nicodemus(1977)给出了BRDF的完善的定义, 该定义只是从理论上较好地表征了地物的非朗伯特性，但在实际测量上困难较大。 因此引入了另一种描述地物非朗伯特性的方法，即BRF（二向性反射率因子）。其具体定义是：在相同的辐射条件下，地物表面沿反射方向的辐射亮度dLobject与一个理想漫反射体在该方向上的反射辐射亮度 注意：理想漫反射体的BRDF值为1/ 在此基础上,发展起来的植被冠层BRDF模型包括经验模型，半经验模型和物理模型。其中物理模型研究较为深入，根据不同的理论基础，物理模型又可分为：辐射传输模型，几何光学模型，计算机模拟模型。 辐射传输（radiative transfer)模型假设树冠为体散射介质，其理论基础是辐射传输理论和平均冠层透射理论。 几何光学（geometrical optics) 包围在地球外部的一层气体总称为大气或大气圈。大气圈以地球的水陆表面为其下界，称为大气层的下垫面。它包括地形、地质、土壤和植被等，是影响气候的重要因素之一。
下垫面对大气的影响，主要表现在两个方面： 一是对气温的影响。由于气温是气候最主要的要素，故这也是下垫面对大气的影响主要方面。对于低层大气而言，由于几乎不能吸收太阳辐射，而能强烈吸收地面辐射，地面辐射成为它的主要直接热源。此外，下垫面还以潜热输送、湍流输送等方式影响大气热量。 二是对大气水分的影响，大气中的水汽也是来自下垫面。 在相同气象条件下不同下垫面表面温度有很大差异，下垫面的绿化能够有效改善了局部微气候；当地正午太阳高度角对于下垫面表面温度来说起主导作用。 遥感专题讲座——定量遥感(三、大气校正)
遥感专题——定量遥感(二、传感器定标)
地表定量遥感反演研究简介 |
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