遥感数字图像处理2013dipa05

1、 刘 勇 2021年4月26日1.基本概念2.地表反射率3.植被指数4.叶面积指数5.地表温度6.蒸散发2022年4月27日2定量遥感定义：定量遥感是利用遥感传感器所获取的地表电磁波信息，在先验知识和计算机系统支持下, 通过数学的或物理的模型将遥感信息与观测地表的目标参量联系起来，从而实现定量化反演或推算出某些地学目标参量的目的（李小文，2005）。2022年4月27日3定量遥感遥感信息模型经验统计模型：建立遥感参数与地面观测数据之间的线性回归方程。优点：简便、适用缺点：参数之间的数学关系缺少物理学上的可靠依据。物理模型：基于物理原理，模型参数的物理意义明确，包括辐射传输模型、几何光学模型、作

2、物生长动力学模型等。此类模型通常是非线性的反演模型。具有病态反演的性质，输入参数多，以光谱反射率作为结果输出变量。半经验模型（混合模型Hybrid）：兼具统计模型和物理模型的优点。模型所用参数具有一定的物理意义，并具有很好地解决应用问题的能力。2022年4月27日4定量遥感2022年4月27日5环境定量遥感2022年4月27日6环境定量遥感2022年4月27日7环境定量遥感2022年4月27日8环境定量遥感2022年4月27日9环境定量遥感基本概念方向反射性镜面反射朗伯体（Lambertian）：对于漫反射面，当入射照度一定时，从任何角度观察反射面，其反射亮度是一个常数，这种反射面称朗伯面。二

3、向反射性分布函数（BRDF）半球反射率（hemispheric reflectance）行星反照率（planet albedo）表观反射率（Apparent reflectance ）：地物表面反射能量与近地表太阳入射能量的比值。2022年4月27日10环境定量遥感,iivviivviivvdLRdE 21001-=,iiivvrRd d ，1002-,iiiirrd 2022年4月27日11环境定量遥感2022年4月27日12 重要意义 地物反射率的光谱特征差异是从遥感影像中识别地表不同类型地物的基本依据，也是地表其他各种物理、生物物理参数反演的依据2022年4月27日13定量遥感( ,)R

4、M V C R：遥感传感器实测：遥感传感器实测BRF（Bi-directional Reflectance Function）M：辐射传输模型：辐射传输模型V：植被冠层生物物理和生物化学变量：植被冠层生物物理和生物化学变量生物物理变量：叶面积指数、叶倾角、叶片分布模型生物物理变量：叶面积指数、叶倾角、叶片分布模型生物化学变量：叶绿素含量、水分含量生物化学变量：叶绿素含量、水分含量土壤反射率土壤反射率C：入射太阳辐射方位角和高度角、观测方位角和高度角，及波长：入射太阳辐射方位角和高度角、观测方位角和高度角，及波长：误差项：误差项模型的一般形式 (Combal et al., 2002, Remo

5、te Sens Env, 1-15)2022年4月27日14环境定量遥感前向散射垂向散射后向散射2022年4月27日环境定量遥感15Lgain QCALbiasLMINQCALMINQCALQCALMINQCALMAXLMINLMAXL)(步骤1（辐射定标）：根据遥感影像DN值计算到达传感器的各波段辐射亮度（本讲义第3章）QCAL：像元灰度量化值，即DNQCALMAX：像元灰度量化极大值，2N-1QCALMIN：像元灰度量化极小值，02022年4月27日16环境定量遥感spESUNdLcos2在这里:= 行星反射率或称表观反射率，无量纲= 传感器获得的光谱波段辐射亮度= 日地距离，天文单位 =

6、 大气层顶平均入射太阳辐射= 太阳天顶角步骤2：各波段表观反射率计算（本讲义第3章）2022年4月27日环境定量遥感172022年4月27日18环境定量遥感步骤3：大气辐射校正（ENVI FLAASH/QUAC） 一般表达式2022年4月27日19环境定量遥感13568922121212134570.4840.3350.3240.5510.3050.3670.00150.33670.27070.70740.29150.52560.00350.07590.77120.3560.1300.3730.0850.0720.0018ASTERAVHRRGOESETMMISAAAAA 2341234571

7、23412340.1260.3430.4510.00370.1600.2910.2430.1160.1120.0810.00150.1120.3880.2660.6680.00190.35120.16290.34150.1651RMODISPOLDERVEGETATIONAAA01niiiAcc2022年4月27日20环境定量遥感概念：植被指数是指主要利用多光谱或高光谱遥感数据中的红光波段反射率（0.60.7m）和近红外波段反射率（0.71.1m）之间的比值、差分，或者线性组合形式计算得到的参数，用以增强或提取遥感影像中隐含的植被信息，抑制或消除非植被信息。理论依据：健康的绿色植物，由于叶片海

8、绵组织内部选择性吸收和反射效应，在近红外波段（0.71.1m）通常可反射4050%的太阳辐射能量，而在可见光范围内（0.40.7m）只能反射1020%的能量，因而造成两个波段之间光谱参数上的巨大反差而与其他无植被或者仅有稀疏植被的地物区别开来。202022年4月27日21环境定量遥感 植物叶片辐射传输建模植物叶片辐射传输建模2022年4月27日环境定量遥感230 0.2 0.4 0.6 0.8 Spectral reflectances0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 Wavelength(um)裸土裸土Band 2Band 3Band 4

9、Band 5Band 7Band 1Landsat 5 TMLandsat 7 ETM+Band 8 (ETM+ only)2022年4月27日24环境定量遥感n盖度：植物叶片对土壤的遮蔽百分比n叶面积指数n叶绿素含量n生活型（乔木、灌木、草本；水生、中生、旱生）n植物生理状况（光合作用效能、生长阶段、健康状况）n植被季相变化（特别是农作物和草原、荒漠植被）n土壤类型、水分、养分供应状况（植物胁迫）n光照条件2022年4月27日25定量遥感玉米玉米春小麦春小麦冬小麦冬小麦时间时间时间出苗5月上旬出苗4月初播种10月初三叶5月中下旬分蘖4月下旬返青3月上旬拔节6月下旬拔节5月中旬拔节4月中旬抽雄

10、7月中旬抽穗6月上旬抽穗5月上旬乳熟8月中旬乳熟7月上旬乳熟5月下旬成熟9月下旬成熟7月中旬成熟6月上旬2022年4月27日26环境定量遥感1.使用原始影像的红光波段与近红外波段DN（Digital Number）值2.优点：简便易行3.不足：受到多方面辐射衰减效应的影响带有明显的误差4.使用经过辐射定标的红光波段与近红外波段的辐照度或表观反射率参数5.优点：通过辐射定标消除了传感器的辐射效应，计算相对简便易行6.不足：没有消除大气辐射衰减效应、地形及季相变化的影响7.使用经过大气辐射校正的地表红光波段与近红外波段的反射率参数8.优点：很大程度上消除了多方面辐射衰减效应的影响9.不足：计算过程

11、复杂，误差难免2022年4月27日27定量遥感2022年4月27日28环境定量遥感表达式：意义：对于绿色植物叶绿素引起的红光吸收和叶肉组织引起的近红外光反射，使其R与NIR有较大的差异，RVI值高。而对于无植被的地面包括裸土、人工特征物、水体以及枯死或受胁迫（stressed）植被，因不显示这种特殊的光谱响应，故RVI值低。因此，比值植被指数能增强植被与背景裸土之间的辐射差异。裸土地区的比值接近1，而植被分布地区的比值高于2。RNIRRNIRRVIDNDNRVI或者2022年4月27日29环境定量遥感比值植被指数（RVI）是绿色植物的一个灵敏的指示参数，它与叶面积指数（LAI）、叶干生物量（D

12、M）、叶绿素含量相关性较高，被广泛用于估算和检测绿色植物生物量。在植被高密度覆盖情况下，它对植被十分敏感，与生物量的相关性最好。但当植被覆盖度小于50%时，它的分辨能力显著下降。此外，RVI对大气状况很敏感，大气效应大大降低了它对植被检测的灵敏度，尤其是当RVI值高时。因此，最好运用经大气校正的数据，或将红、近红外两波段的灰度值（DN）转换成反射率后再计算RVI，以消除大气对两波段不同非线性衰减的影响。数学公式：RNIRRNIRRNIRRNIRNDVIDNDNDNDNNDVI2022年4月27日环境定量遥感30胁迫植被健康植被理论取值范围：1.0 1.02022年4月27日31环境定量遥感对于

13、陆地表面主要覆盖而言，如果根据地表实际的反射率来计算，则云、雪在可见光波段比近红外波段有较高的反射率，因而其NDVI值为负值水体的NDVI接近0岩石、裸土在两波段有相似的反射作用，因而其NDVI介于0与0.1之间在有植被覆盖的情况下，NDVI介于0.11.0之间，且随植被覆盖度的增大而增加。几种典型的地面覆盖类型在大尺度NDVI影像上区分鲜明，植被得到有效的突出。因此，NDVI特别适用于全球或区域植被的宏观动态监测。2022年4月27日32环境定量遥感nNDVI是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子。NDVI可以与叶面积指数（LAI）、绿色植物净第一生产率（NPP）、植被覆盖度、光合作用等指

14、标参数建立较好的数学关系式，并据以完成地表植被物理参数的反演。nNDVI可以部分消除与太阳高度角、卫星观测角、地形、云/阴影和大气条件有关的辐照度条件变化（大气程辐射）等的影响。2022年4月27日环境定量遥感3311NDVIRVINDVI 对于具有短波红外波段的多光谱数据（Landsat TM/ETM+，SPOT）2022年4月27日34环境定量遥感,min,max,min1SWIRSWIRNIRredSWIRSWIRRSR2022年4月27日35环境定量遥感n数学表达式n式中，L是一个土壤因子调整系数。当L为0时，SAVI就等于NDVI。对于中等覆盖的植被区，L一般接近于0.5。乘积因子（

15、1+L）主要用来保证最后的SAVI值与NDVI值一样介于-1和+1之间。n试验证明，土壤调节植被指数SAVI降低了土壤背景的影响，改善了植被指数与叶面积指数LAI的线性关系。当L=0.5时，对较宽幅度的LAI值，具有降低土壤噪声的作用。nL系数的计算方法（齐家国关系式）LLSAVILLDNDNDNDNSAVIRNIRRNIRRNIRRNIR11或者1 2nirrLa NDVI WDVIWDVI 2022年4月27日36环境定量遥感n 表达式n 式中，a、b分别为土壤背景亮度变化线的斜率和截距。此参数由于考虑了裸土的背景参数，能够比NDVI对低覆盖的植被有更好的指示意义，适用于半干旱地区的土地利

16、用制图。n 面向MODIS应用()NIRRNIRRaabTSAVIaab2022年4月27日环境定量遥感37高郁闭度冠层中郁闭度灌层干燥裸土湿润裸土土壤线2022年4月27日39环境定量遥感2022年4月27日40环境定量遥感n 校正（Adjusted）TSAVI的植被指数ATSAVI表达式n 修改型（Modified）土壤调节植被指数MSAVIn SAVI2)1 ()(2axabRaNIRbaRNIRaATSAVI2/ )( 8) 12() 12(2RNIRNIRNIRMSAVIabRNIRSAVI/22022年4月27日41环境定量遥感 樱帽变换后的第二个分量 对于Landsat 5 TM

17、而言：0.27281 0.217420.550830.772140.073350.16487GVITMTMTMTMTMTM 2022年4月27日42 概念：把离开土壤线的垂直距离作为植物生长的一个指标。其显著特点是较好地消除了土壤背景的影响，且对大气效应的敏感程度也小于其他植被指数。广泛应用于大面积作物估产。 表达式1： 式中，S为土壤反射率，V为植被反射率；R为红色波段，NIR为近红外波段。PVI表征着在土壤背景上存在的植被的生物量，距离越大，生物量越大 表达式2： 式中，b为土壤基线与近红外波段反射率纵轴的截距，为土壤基线与红光波段反射率横轴的夹角。 表达式3： 表达式4：22NIRNIR

18、RRVSVSPVIsincos)(RbNIRPVI21abaRNIRPVImaxNIRaRbPVINIRb220.35540.14920.35520.1494PVIMSSMSSMSSMSS)1 (21LLCCGEVIblueRNIRRNIR2022年4月27日43环境定量遥感nG，增益系数，设为2.5nL，土壤调节因子，经验值为1.0；nC1，C2为使用蓝光波段修正红光波段气溶胶散射效应的比例系数，经验值分别为6.0，7.5n特点：增加了对高生物量的敏感性2022年4月27日环境定量遥感442022年4月27日环境定量遥感45n全球环境监测指数GEMIn土壤和大气阻抗植被指数SARVIn无气溶

19、胶植被指数(AFVI, Aerosol Free )22(1 0.25 )(0.125)12() 1.50.50.5rrnirrnirrnirrGEMI2()(1)()2.5()167.5/nirrbnirrbrbrbrnirrbnirrbbLSARVILSARVI 2.12.12.11.61.61.60.50.50.660.66NIRNIRNIRNIRAFVIAFVI 定义：单位面积地表上方植物冠层叶片单面面积的总和（或：叶片单面总面积与其地面投影面积之比） 无量纲 对于针叶、棱形叶，则按叶表面积的1/2计算 LAI定义的数学表达式 (Knyazikhin et al., 1998) 意义：

20、叶面积指数是利用遥感技术检测植被长势和估算农作物产量、产草量的关键参数。2022年4月27日46定量遥感1( )Lss VLAIur drXY 数据获取方法 地表直接测量 直接收割法 光学仪器间接测量法（基于植被冠层辐射传输模型） 遥感间接估算，利用叶面积指数与植被指数的定量关系 经验关系 基于辐射传输模型的查找表 人工神经网络算法2022年4月27日47定量遥感常用仪器LAI-2000及其工作原理基于辐射传输模型的农作物信息遥感反演基于辐射传输模型的农作物信息遥感反演Radiative transfert modelsPROSPRCT-SAIL-SMACN, Cab, Cw, Cdm, Cs

21、LAI, ALA, Hot,vCovert t550, Patm,CH20, CO3Leaf opticalpropertiesPROSPECTCanopyreflectanceSAILAtmosphereRadiative transferSMAC()tGeometry o, s, BackgroundreflectanceData baseRs()Soil type, BsRTOC()RTOA( )fAPARfCover（引自刘良云ppt，中科院遥感与数字地球研究所，2012）植被冠层辐射传输模型植被冠层辐射传输模型PROSAIL Le：有效叶面积指数 ：木质部占总面积的百分比 e：针叶占

22、投影面的百分比 e：植物的聚集度指数2022年4月27日50环境定量遥感(1)eeeLLAI2022年4月27日环境定量遥感51VIGround LAIModelr2SourceSRAllometrySR = 1.23 + 0.614 LAI0.82Running et al. 1986SRAllometrySR = 1.92 SR0.5830.91Peterson et al. 1986NDVIAllometryLAI = 1431 + 32.25 NDVI0.86Curran et al. 1992NDVIcAllometryNDVIc = 0.70 exp (0.70 LAI)0.64N

23、emani et al. 1993SRCeptometerSR = 3.1196 + 4.5857 log (LAI)0.97Spanner et al. 1994SRLAI-2000/TRACSR = 2.781 + 0.843 LAI0.53Chen and Cihlar 1996NDVIAllometryNDVI = 0.607 + 0.0377 LAI0.72Fassnacht et al. 1997NDVIAllometryNDVI = 0.5724 + 0.0989 LAI 0.0114 LAI2 + 0.0004 LAI30.74Turner et al. 1999RSRLAI-

24、2000/TRACRSR = + LAIa0.55Brown et al. 2000RSRLAI-2000/TRACRSR = 1.0743 LAI + 1.28430.63Chen et al. 2002CIAllometryLAI = 4.19 1.68 CI0.72Berterretche et al. 2005NDVILAI-2000LAI = exp (NDVI)a0.77Soudani et al. 2006 基于辐射传输原理 反演过程 输出结果：光谱反射率 输入变量： 叶片生物物理、生物化学（叶绿素、水分含量） 植被冠层LAI、叶倾角 土壤及其水分含量 大气辐射衰减效应 卫星及传

25、感器运行参数 病态反演2022年4月27日52环境定量遥感名称名称版版本本空间分空间分辨率辨率时间时间分辨分辨率率算法算法参数参数化方化方法法聚集度表达聚集度表达季节季节平滑平滑性性参考文献参考文献植物尺度冠层尺度景观尺度CYCLOPESV3.11/11210天(2000-2007)1D RTM （人工神经网络） 全球NoNoYesNoBaret et al., 2007ECOCLIMAP1/1201月NDVI-LAI经验关系植被类型YesYesNoNoMasson et al., 2003GLOBCARBONV11/11.21月(1998-2003)模型获取VI-LAI关系植被类型YesYe

26、sNoYesDeng et al., 2006MODISC41km8天（2000至今）主算法：3D RTM查找表；备份算法：LAI-NDVI经验关系植被类型YesYesYesNoKnyazikhin et al., 1998CCRS1km10天(1998至今)VI-LAI经验关系植被类型YesYes达到1haYesFernandes et al., 2003GLASS1km8天(2000-2010)查找表（人工神经网络）全球YesYesYesXiao et al., 20092022年4月27日53环境定量遥感 光合有效辐射（Photosynthetic Active Radiation，PA

27、R）：绿色植物进行光合作用时所能利用的太阳辐射波段，一般为0.40.76um。也就是太阳辐射的可见光部分，约占太阳总辐射的4750%。光合有效辐射随着时间、地点、大气条件等发生变化。 植物叶片实际吸收的光合有效辐射（Absorbed Photosynthetic Active Radiation，APAR） 光合有效吸收辐射百分比：（FAPAR/FPAR，Fraction ）2022年4月27日54环境定量遥感minmaxmin0.5min,0.95APARSOL FPARSRSRFPARSRSR其中，SOL为到达地面的太阳辐射总量 fAPAR：入射冠层PAR和射出冠层PAR之差 PARi：入

28、射PAR PARcr：从冠层反射出去的PAR s：土壤在PAR波段的反照率 : 太阳高度角 G：太阳天顶角与叶片法向方向的夹角，假定符合泊松分布2022年4月27日55环境定量遥感2220.733(1expsincos ( )sin ( )1.774(1.182)icrtrsiitrPARPARPARPARfAPARPARG LAIPARxGxx植被净第一生产率（Net Primary Productivity, NPP）CASA模型 (Carnegie Ames Stanford Approach，Potter & Field, 1993)2022年4月27日56环境定量遥感NPPAPAR植被光能利用率温度的概念热力学温度：分子运动动能的平均状态，由热力学定律加以描述气温与地温：由温度计实测热力学温度。距地面不同高度的大气和不同深度的地下，其温度存在显著差异，并构成温度垂直结构辐射温度：物体发射辐射的表观温度，依据Stephen-Boltzmann定律，黑体辐亮度与表面温度的四次方成正比。又称亮度温度陆面温度（Land Surface Temperature，LST）：根据辐射温度理论，利用热红外波段的遥感数据反演计算获得的地表亮度温度，又称表皮温度（skin temperature）2022年4月27日57环境定量遥感