遥感物理总结2013.pdf

第第1 1章章 绪论绪论 遥感模型系统遥感模型系统 R f a b c d e 前向模型 计算 WMSE 已知参数子集 根据WMSE 调整 待求子集参数 取出最小取出最小 WMSE的的 参数值参数值 输入输入 参数参数 WMSE R 观测值 反演结果 R C g R a b d e 辐辐 射射 度度 量量 一一 览览 表表 辐射量辐射量 符号符号 定义定义 单位单位 辐射能量辐射能量 Q 焦耳焦耳 J 辐射通量辐射通量 Q t 瓦瓦 W 辐照度辐照度 E A 瓦瓦 米米 W m 辐射出射度辐射出射度 M A 瓦瓦 米米 W m 辐射强度辐射强度 I 瓦瓦 球面度球面度 W Sr 辐射亮度辐射亮度 L 2 A 瓦瓦 米米 球面度球面度 W m Sr BRDF与BRF I 0 I s1 I dI I 0 ds S1 辐射传输方程构建过程辐射传输方程构建过程 不同表达形式的辐射传输方程 不同表达形式的辐射传输方程 JI dsk dI JI d dI JI d dI 传输方程的简单解 比尔定律 传输方程的简单解 比尔定律 e的指数形式的指数形式 理解遥感前向建模和后向反演的主要流程和基本思路理解遥感前向建模和后向反演的主要流程和基本思路 熟悉常用遥感物理概念的含义和英文全称熟悉常用遥感物理概念的含义和英文全称 理解辐射传输方程构建的原理和思路理解辐射传输方程构建的原理和思路 掌握立体角与方位角 天顶角的几何关系掌握立体角与方位角 天顶角的几何关系 第第2 2章章 大气辐射传输方程大气辐射传输方程 如不考虑极化效应 大气辐射传输方程可表示为 如不考虑极化效应 大气辐射传输方程可表示为 这是特定方向这是特定方向 s s 上关于辐射强度 上关于辐射强度 I I 的微积分方程 的微积分方程 假设大气是水平均一的 只是在垂直方向上有变化 在太阳假设大气是水平均一的 只是在垂直方向上有变化 在太阳 反射波谱区 各方向辐射强度反射波谱区 各方向辐射强度 I I 的基本辐射传输方程 的基本辐射传输方程 JIK ds sdI 0 2 0 1 1 JddzI zI dz zdI iiiisii e 如果粒子看成是各向同性 0 2 0 1 1 4 JddI I d dI iiiisii e 大气校正大气校正方法方法 基于图像特征模型基于图像特征模型 地面线性回归地面线性回归经验模型经验模型 基于大气辐射传输基于大气辐射传输理论模型理论模型 可以模拟为均匀散射层所构成的薄层模型 典型代表为农田 可以模拟为均匀散射层所构成的薄层模型 典型代表为农田 其特点为 植被冠层从整体上看与大气有一个与地面平行的交其特点为 植被冠层从整体上看与大气有一个与地面平行的交 界面 个体特征不明显界面 个体特征不明显 辐射传输模型辐射传输模型 第第3章章 植被遥感模型植被遥感模型 以个体随机集合为特征的离散型 以森林以个体随机集合为特征的离散型 以森林 为代表 其特点为 植被冠层与大气的交界为代表 其特点为 植被冠层与大气的交界 面是参次不齐的 树冠的个体特性明显 阴面是参次不齐的 树冠的个体特性明显 阴 影显著影显著 几何光学模型几何光学模型 比以上两种类型更复杂 如处于返青期的冬小麦 沙漠地区比以上两种类型更复杂 如处于返青期的冬小麦 沙漠地区 的灌丛的灌丛 计算机模拟模型计算机模拟模型 冠层辐射传输模型 冠层辐射传输模型 1D 几何光学模型几何光学模型 3 2 植被冠层反射模型植被冠层反射模型 辐射传输模型辐射传输模型 植被遥感接收的信息是植被上界的出射辐射 植被遥感接收的信息是植被上界的出射辐射 不考虑大气不考虑大气 影响影响 它是辐射在 它是辐射在植被植被 土壤耦合体系土壤耦合体系中多次散射和吸收中多次散射和吸收 的结果 的结果 辐射传输模型适用的植被类型辐射传输模型适用的植被类型 通过辐射传输理论 可以准确地通过辐射传输理论 可以准确地计算植被上界的出射辐计算植被上界的出射辐 射量射量 或根据这一信息 或根据这一信息反演植被的光学特性反演植被的光学特性和和结构特性结构特性 因而因而从理论的高度解决了植被遥感的定量化问题从理论的高度解决了植被遥感的定量化问题 植被辐射传输模型中的常用三个参数植被辐射传输模型中的常用三个参数 植被中主要的光合组织是植被中主要的光合组织是叶片叶片 辐射在植被中进行传输时 辐射在植被中进行传输时 更多地是与叶片发生相互作用而改变辐射特性 本节的讨论更多地是与叶片发生相互作用而改变辐射特性 本节的讨论 仅限于叶片对辐射传输的影响 仅限于叶片对辐射传输的影响 叶片的物理特性叶片的物理特性包括包括叶片尺度叶片尺度 叶片取向叶片取向 叶表面粗糙度叶表面粗糙度以以 及及叶片光学性质叶片光学性质 如反射率 透过率和吸收率 等 如反射率 透过率和吸收率 等 我们更重视由叶片所组成的我们更重视由叶片所组成的整体性质整体性质 因此需要定义一些 因此需要定义一些植植 被群体特性参数被群体特性参数 它们是对植被冠层结构和光学特征的一种 它们是对植被冠层结构和光学特征的一种 提炼化描述 是对全体叶片分布统计平均的结果提炼化描述 是对全体叶片分布统计平均的结果 包括包括 叶面积密度分布叶面积密度分布 G函数函数和和 函数函数 植被辐射传输方程形式植被辐射传输方程形式 在平面平行 在平面平行 水平均匀 垂直分层水平均匀 垂直分层 假设下 无内部辐 假设下 无内部辐 射源的辐射传输方程的基本形式为 射源的辐射传输方程的基本形式为 d z z I z I z z z I 4 s 式中 式中 I z 为位置为位置z处沿处沿 方向的辐射强度 方向的辐射强度 为辐射方向为辐射方向 的天项角余弦 的天项角余弦 z 为位置为位置z处对处对 方向辐射的消光方向辐射的消光 包包 括散射和吸收括散射和吸收 系数 系数 s z 为位置为位置z处 将处 将 方向辐方向辐 射散射至射散射至 方向的散射系数 方向的散射系数 JI dzk dI cos 参考式 参考式 在植被中 位置在植被中 位置z处的微分消光系数为 处的微分消光系数为 注意到注意到 L L 为叶片散射相函数 已去除了吸收 为叶片散射相函数 已去除了吸收 则植被中位置则植被中位置z处的微分散射系数为 处的微分散射系数为 LL LL L d 2 z g z u z d 于是有 于是有 z G z ud 2 z g z u z LLL 2 L LL L z d z d LLS 于是有 于是有 z z u d 2 z g z u z L L 2 LLL LL LS 代入后得到植被中的辐射传输方程 代入后得到植被中的辐射传输方程 此即用此即用叶面积密度分布 叶面积密度分布 G函数和函数和 函数作为参数的植被辐函数作为参数的植被辐 射传输方程 射传输方程 d z z I 1 z I z G z z I z u 4 L 连续植被的一维辐射传输方程近似解法连续植被的一维辐射传输方程近似解法 K M方程方程 解辐射传输方程的解辐射传输方程的困难困难 大部分来自 大部分来自计算多次散射效应计算多次散射效应 的积分项的积分项 许多实际问题中 我们并不要求获得任意高度 许多实际问题中 我们并不要求获得任意高度 Z 任意方向上的辐射亮度值 而关心的只是任意方向上的辐射亮度值 而关心的只是通过某水平面通过某水平面 的辐射通量密度 的辐射通量密度 E 分别用分别用E E E E 代表向下或向上代表向下或向上 传输的辐射通亮密度 同时保留了向上或向下传输的平传输的辐射通亮密度 同时保留了向上或向下传输的平 行辐射的辐照度行辐射的辐照度F 与与F 这样微分这样微分 积分方程便可简化积分方程便可简化 为一组线性微分方程 为一组线性微分方程 KM方程中 漫散射光通量用通量E 和E 表达 分别表示垂直于平面介质的 向下和向上传播的通量 同样 对太阳直射光通量 用F 表示向下入射通量 用F 表示向上反射通量 漫散射通量的变化用两个参数 和 描述 为吸收系 数 为散射系数 假定 这些系数对于两个通量 E 和E 是相同的 直射光通量的变化用三个参数描述 包括吸收系数K 入射光束在前向和后向 上计入漫散射通量的散射系数s1和s2 K M方程的实质方程的实质 把辐射亮度都转化为辐射通量密度 把辐射亮度都转化为辐射通量密度 从而列出了一组一阶线性微分方程组去代替复杂的微从而列出了一组一阶线性微分方程组去代替复杂的微 分分 积分方程 如果把准直辐射项 积分方程 如果把准直辐射项 F 与与F 除去 除去 则便成为辐射传输方程的二参数的二流近似解法 则便成为辐射传输方程的二参数的二流近似解法 K M方程有两个主要问题方程有两个主要问题 K M方程中的参数是如何确定的 也就是它们与描写方程中的参数是如何确定的 也就是它们与描写 连续植被的几何参数 光学参数等之间的函数关系连续植被的几何参数 光学参数等之间的函数关系 在确定函数后 要寻求满足一定边界条件的在确定函数后 要寻求满足一定边界条件的 解解 K M模式并没有就模式并没有就K M方程在植被冠层辐射问题上提出方程在植被冠层辐射问题上提出 过具体解法 过具体解法 因此 因此 K M方程提出后 不同作者由于在确定参数的方方程提出后 不同作者由于在确定参数的方 式与确定具体边界条件上的差别 便建立了式与确定具体边界条件上的差别 便建立了K M方程为方程为 基础的不同模型基础的不同模型 Suit模型 模型 SAIL模型模型 连续植被的一维辐射传输方程近似解法连续植被的一维辐射传输方程近似解法 Suit模型模型 基本思想基本思想 把冠层 把冠层 元素 叶子 花 元素 叶子 花 穗等 均投影到水穗等 均投影到水 平与垂直面上 用平与垂直面上 用 它们的投影面积去它们的投影面积去 替代任意取向的叶替代任意取向的叶 子对光的散射 吸子对光的散射 吸 收和投射作用 并收和投射作用 并 确定叶子的反射 确定叶子的反射 散射具有漫反射性散射具有漫反射性 质 质 o o s s s s kEwFvEuE dz dE cEaEbE dz dE EcbEaE dz dE KE dz dE 2 VH 2 1 1 VH s VH tan 2 2 s VH tan 2 2 s VH tan 2 o VH tan 2 o VH tan 2 2 s VH tan 2 2 cos sin cos sin tantan 2 1 so VH a b c c k K u v w 1 S 2 S 21 SSK 投影面积叶子在水平面上的平均 h 均投影面积 叶子在垂直面上的平 v 投影的个体数 单位面积内叶子水平 h n 投影的个体数 单位面积内叶子垂直 v n 叶子的半球反射率 2 1 22 VH S H LAI vvhh nVnH 连续植被的冠层高度H 95 0 084一个修正系数 取决于平均叶倾角的S arctan HVALA 密度观测方向上的辐射通量 o E 量密度由上而下传输的辐射通 s E 光学厚度 SAIL模型模型 SAIL模型与模型与Suit模型的最大不同之处 以接近现实的任模型的最大不同之处 以接近现实的任 意取向的叶子代替意取向的叶子代替Suit模型的水平投影与垂直投影 模型的水平投影与垂直投影 讨论讨论SAIL模型的重点在于如何导出辐射传输方程中各系模型的重点在于如何导出辐射传输方程中各系 数与植被几何参数之间的函数关系数与植被几何参数之间的函数关系 os o s s s s kEuEvEwE dx dE aEEES dx dE EaESE dx dE KE dx dE SAIL模型的总体思路 将植被冠层分层处理 描述冠层 结构另一个基本参数 模型从分析层中叶片倾角的分布 对层中反射 透过特征的影响 建立层间叶层的辐射传输与 层间 叶片特征参数 LAI L LAD f 之间的关系 hLAIL冠层厚度 叶面积指数 l l aL cos 2 2 1 2 l L ll Lk 2 cos 2 2 sintansincos 2 2 lssls L b c c k K u v w ll Lk 2 cos 2 2 sintansincos 2 2 loolo L ll Lk 2 cos 2 2 ll Lk 2 cos 2 2 l a l l S l S l k l K l u l v l w a cotcotarccos lss cotcotarccos loo 入射光线与叶子相切 当 入射光线落在叶子反面 当 入射光线落在叶子正面 为临界角 当 os os oss 如何导出辐射传输方程中各系数与植被几何参数如何导出辐射传输方程中各系数与植被几何参数 间的函数关系 间的函数关系 单叶片对辐射的拦截计算单叶片对辐射的拦截计算 叶族对辐射的拦截计算叶族对辐射的拦截计算 消光系数的消光系数的计算计算 散射系数的散射系数的计算计算 3 3 植被冠层反射模型植被冠层反射模型 几何光学模型几何光学模型 树冠光照面树冠光照面 背景树冠的光照面和阴影面背景树冠的光照面和阴影面 背景和树冠的阴影面背景和树冠的阴影面 几何光学几何光学 GO 模型把几何光学理论与模型引入到植被的模型把几何光学理论与模型引入到植被的 BRDF中中 GO模型主要考虑地物的宏观几何结构模型主要考虑地物的宏观几何结构 把地物目标假定为把地物目标假定为 具有已知几何形状和光学性质具有已知几何形状和光学性质 按一定方式排列的几何体按一定方式排列的几何体 GO模型首先要解决的是植被几何结构和空间分布模型化模型首先要解决的是植被几何结构和空间分布模型化 如几何机构可以用结构参数如几何机构可以用结构参数 株密度株密度 树冠大小树冠大小 高度等高度等 来来 表示 其次要解决的是利用几何光学理论来计算植被的方向反表示 其次要解决的是利用几何光学理论来计算植被的方向反 射函数射函数 GO模型适用于森林等不连续植被冠层及粗糙地表等模型适用于森林等不连续植被冠层及粗糙地表等RT模型模型 难以适用的地物的反射情况难以适用的地物的反射情况 以森林为典型代表的离散植被 在以太阳直射光为主的照射以森林为典型代表的离散植被 在以太阳直射光为主的照射 下必然产生光照面和阴影面 如果忽略总分量之间的多次散下必然产生光照面和阴影面 如果忽略总分量之间的多次散 射 则传感器所测得的辐射亮度由下列四部分组成 俗称四射 则传感器所测得的辐射亮度由下列四部分组成 俗称四 分量 分量 Ls KgLg KcLc KtLt KzLz 其中其中 Ls 传感器所接收到的辐射亮度传感器所接收到的辐射亮度 Lg 背景光照面所产生的亮度背景光照面所产生的亮度 Lc 树冠光照面所产生的亮度树冠光照面所产生的亮度 Lt 树冠阴影面所产生的亮度树冠阴影面所产生的亮度 Lz 背景阴影面所产生的亮度背景阴影面所产生的亮度 Kg Kc Kt和和Kz分别为四分量在可视条件下的分别为四分量在可视条件下的面积比面积比 垂直视条件下的几何光学模型垂直视条件下的几何光学模型 以以Li Strahler的的GOMS模型为例模型为例 稀疏条件下 无阴影重叠 圆锥体稀疏条件下 无阴影重叠 圆锥体 浓密条件下 有阴影重叠 圆锥体浓密条件下 有阴影重叠 圆锥体 例 通过几何光学模型和遥感数据求取林木覆盖度参数m 设像元内有设像元内有n个树冠 其个树冠 其平均半径平均半径R 林木覆盖度 平均郁密度 林木覆盖度 平均郁密度 m n i i r n R 1 22 1 Ar A nR m i 2 2 设森林个体为圆锥体设森林个体为圆锥体 其地面半径其地面半径 r r 及高度及高度 h h 可以变可以变 但圆锥体但圆锥体 顶角顶角 不变不变 太阳以天太阳以天 顶角顶角 投向目标投向目标 稀疏条件下 无阴影重叠 圆锥体稀疏条件下 无阴影重叠 圆锥体 掌握植被辐射传输方程的基本表达式及各变量的物理含义 掌握植被辐射传输方程的基本表达式及各变量的物理含义 理解描述叶片几何结构参数的物理量的含义及基本表达 理解描述叶片几何结构参数的物理量的含义及基本表达 熟悉植被辐射传输方程近似求解方法熟悉植被辐射传输方程近似求解方法KMKM SUITSUIT SAILSAIL的联的联 系和区别 基本表达式 系和区别 基本表达式 了解了解SAILSAIL模型各系数的植被参数化的基本思路 模型各系数的植被参数化的基本思路 了解植被辐射传输模型和几何光学模型的适用对象 了解植被辐射传输模型和几何光学模型的适用对象 掌握几何光学的四分量模型 掌握几何光学的四分量模型 理解垂直视条件 稀疏理解垂直视条件 稀疏条件下 无阴影重叠条件下 无阴影重叠 植被几何光 植被几何光 学模型应用原理 学模型应用原理 统计方法统计方法 Statistical methods 物理方法物理方法 Physical methods 混合方法混合方法 Hybrid methods 第四章第四章 遥感遥感地表参数反演方法地表参数反演方法 理解物理反演方法和混合反演方法的基本原理理解物理反演方法和混合反演方法的基本原理 了解遥感反演存在的主要问题了解遥感反演存在的主要问题 统计方法统计方法 Statistical methods 0 n i i i yaVI c yabVI ln yab VIc Vegetation indices VI have been used to predict various land surface biophysical variables y 最好用经过大气校正的地表反射率作为计算植被指数的变量最好用经过大气校正的地表反射率作为计算植被指数的变量 Lookup Table Methods One solution to overcoming the huge demand of computational time of the traditional optimization inversion method is the lookup table method Myneni et al 1999 混合方法混合方法 Hybrid methods A hybrid inversion algorithm is a combination of p