遥感技术已成为陆、海面过程实验和研究的一个必不可少的手段。遥感技术以其特有的优势,实现了对地表不间断的昼夜观测,并在获取区域上的陆、海面参数方面具有不可替代的作用。从遥感信息中获取陆、海面参数的过程,其实就是遥感信息定量化分析的过程。众所周知,如今遥感技术发展的重要趋势之一就是从定性遥感向定量遥感发展。 遥感信息定量化的过程其实就是建立遥感信息模型的过程,即得出遥感数据与陆、海面参数之间相互关系的方程。其步骤大致如下:首先对遥感数据进行校正,包括几何校正和辐射量校正。其中辐射量校正对于遥感信息定量分析非常重要,具体指消除遥感数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程,主要包括对传感器的灵敏度特性引起的辐射误差校正、光照条件的差异引起的辐射误差校正以及大气的散射和吸收引起的辐射误差校正,即大气校正。然后利用各种数学方法,如回归分析法,建立实测的陆、海面参数与遥感数据(大多是从遥感数据中计算得来的各种参数)之间的关系模型,即遥感信息模型。最后在对建立起来的遥感信息模型进行正确性验证的基础上,利用遥感数据对大面积区域的陆、海面参数进行反演。 根据遥感信息获取所利用的电磁波波段的不同,具体又可以分为分成光学遥感和微波遥感。下文从光学遥感和微波遥感两个方面对遥感信息的定量化分析方法进行介绍。 光学遥感: 光学遥感(包括可见、近红外及热红外遥感)对地表反射率、地表温度(LST)以及植被参数等的获取具有较大的优势,而对其它参数如土壤湿度、地表粗糙度也有一定的有效性。 (1)地表反射率: 地表反射率是控制地表净辐射并进而影响地表及低层大气的加热率的重要参数。遥感反演地表反射率已有很多成熟的方案,可以直接从遥感数据获取地表反射率。Pinty等针对气象卫星宽带数据,Nunez等针对GMS数据以及Brest等针对Landsat数据都发展了反演地表反射率的方法。Saunders等利用NOAA/AVHRR的可见和近红外数据发展了反演算法,求出了英国Isles地区4~10月的地表反射率分布,其结果分别是农业区具有高于真值17%~22%以及城区和山区低于真值大约13%的精度。 (2)地表温度(LST)和比辐射率: 地表温度和比辐射率是控制陆面水分和能量平衡的两个重要参数。在众多的LST反演算法中,为消除大气的影响,以利用分裂窗口算法为最多,分裂窗口算法的基本公式为: Ts = a0 + aiTi 式中:Ts 即地表温度,Ti是热红外通道的亮度温度(即AVHRR的第4和第5通道),a0、ai为经验常数。 Van de Griend在"Botswana水文和地表能量平衡研究计划"的支持下所进行的研究中,获得了大量的比辐射率实地观测数据和红光(0.58~0.68微米)、近红外(0.71~1.1微米)的遥感数据,从这些观测数据中发现,比辐射率与NDVI(Normalized Differencial Vegetation Index,标准化差植被指数,NDVI= 具有非常高的相关性,近而在比辐射率与NDVI间建立了非常实用的关系模型,即 由于NDVI可以很容易地由遥感数据求得,所以这一研究对遥感反演比辐射率非常方便实用。 (3)植被指数: 在各地表特征参数中,地表植被指数反映了地表面的覆盖状况,其变化直接影响改变地面辐射平衡最敏感的参数-地表反射率,进而改变地表的能量平衡。利用卫星遥感数据获取并分析区域地表植被指数的变化和特征,国内外研究者已进行了大量的工作,发展了诸多比较成熟的植被指数,如比值植被指数、标准化差植被指数(NDVI)等,其中以NDVI应用最普遍。Price指出,裸土和100%植被覆盖的典型NDVI值分别为0.1和0.6,并可利用此二值建立NDVI与植被覆盖百分比之间的线性关系。 Fassnacht等借助Landsat-5卫星资料,利用多个植被指数估算了威斯康星中北部森林中各种林型的叶面积指数(LAI),结果表明,以NDVI的估测关系精度最高。 (4)其它地表参数: Nieuwenhuis等利用热红外图像,对区域性作物的蒸发量进行了估测,Vidal等则通过卫星热红外数据的一个简单的相关分析,估测每日蒸发量。Caselles等则结合实际观测资料,综合利用Landsat TM和NOAA-AVHRR图像对西班牙Barrax地区的实际蒸发量进行了遥感制图。 在光学遥感中,新近发展起来的高光谱遥感在遥感信息的定量分析中有着更高的利用价值。光谱遥感技术的兴起是20世纪80遥感技术的最大成就之一,所谓高光谱遥感,即高光谱分辨率遥感,指利用很多很窄的电磁波波段(通常<10nm)从感兴趣的物体获取有关数据;与之相对的则是传统的宽光谱遥感,通常>100nm,且波段并不连续。高光谱使本来在宽波段遥感中不可探测的物质,在高光谱中能被探测。 利用高光谱遥感资料估测地表植被化学组分将会在精确农业、生态系统研究、森林防火、灾害和污染评估、资源调查等方面得到广泛应用,尤其是运用这一技术较为精确地获取区域以至全球的地表植被化学参数,特别是蛋白质、糖、淀粉、木质素、纤维素等含量的确定,将更有用武之地。 微波遥感: |
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