光学遥感中的定量模型

光学遥感中的定量模型第一页，共六十四页，2022年，8月28日光学遥感中的定量模型统计模型物理模型混合模型第二页，共六十四页，2022年，8月28日统计模型基于陆地表面变量和遥感数据的相互关系，优点在于容易建立并且可以有效地概括从局部区域获取的数据；缺点，拓展后的模型一般都是有地域局限性的，不能解释因果关系。第三页，共六十四页，2022年，8月28日物理模型遵循遥感系统的物理规律，优点，可以建立因果关系，如果初始的模型不好，通过加入最新的知识信息就可以知道该在哪部分改进模型，缺点，建立模型的过程漫长而曲折。模型是对现实的抽象，所以一个逼真的模型可能非常复杂，包含大量的变量。第四页，共六十四页，2022年，8月28日混合模型统计模型与物理模型结合的混合模型所有的遥感定量模型都利用：光谱、空间、时间、角度和极化。通过定量模型陆地表面可以用连续变量（如叶面积指数、反射率）和分类变量（如土地覆盖）来描绘。第五页，共六十四页，2022年，8月28日基本概念数字值辐亮度立体角辐照度二向性反射率及反照率地球外的太阳辐照度第六页，共六十四页，2022年，8月28日数字值遥感统计模型总是利用数字值来直接估计地表特征变量。DN传感器接收光谱信号时，能分辨的最小辐射差。在遥感图象上表现为每一像元的辐射量化级(D)。如6bit,7bit,8bit,11bit,……

一个6-bit的传感器可以记录26级（64）的亮度值，一个8-bit的传感器可以记录28级（256）的亮度值，一个12-bit的传感器可以记录212级（4096）的亮度值第七页，共六十四页，2022年，8月28日辐亮度单位立体角和单位面积上的能量，是指单位立体角单位面积上和在单位波长上的能量。数字值和辐亮度是线性关系，利用转换系数生成光谱辐亮度避免波段宽度不同的影响。确定转换系数的过程叫传感器定标第八页，共六十四页，2022年，8月28日立体角球面面积除以球半径的平方称为立体角辐亮度的方向性可以用立体角来描述，是二维空间角量测的扩展。立体角经常用极坐标下的天顶角和方位角来表示。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dθ=ds/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2π；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dθ=ds/r^2；由此可得，闭合球面的立体角都是4π。第九页，共六十四页，2022年，8月28日立体角太阳高度角（elevationangle）和太阳天顶角（zenithangle），第十页，共六十四页，2022年，8月28日辐照度辐亮度在半球空间上总的立体角积分，经常叫做通量密度简称通量。（单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量）第十一页，共六十四页，2022年，8月28日二向性反射率及反照率从非发光体表面反射的辐射与入射到该表面的总辐射之比。反照率的值介于0(完美的黑体)到1(完全反射)之间。第十二页，共六十四页，2022年，8月28日地球外的太阳辐照强度到达大气上界（TOA）的辐照度依赖于太阳和地球的天文学距离。太阳常数：地球在日地平均距离处与太阳光垂直的大气上界单位面积上在单位时间内所接收的所有波长太阳辐射的总能量。地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数，描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353w／m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上3.4％。第十三页，共六十四页，2022年，8月28日遥感建模系统场景生成场景辐射建模大气辐射传输建模导航建模传感器建模制图和面元划分一个前向建模流程将预测在一定的环境和传感器条件下将得到什么样的遥感数据；一个基于物理反演流程可以从遥感数据中得到陆地表面各种地球物理和生物物理变量。第十四页，共六十四页，2022年，8月28日遥感建模系统第十五页，共六十四页，2022年，8月28日场景生成定量描述陆地表面目标及背景的类型，数目及空间分布之间的关系是对景观理解的定量描述高分辨率模型适用于场景要素比像元大的时候；低分辨率模型刚好相反。低分辨率模型可以看作是连续的混合模型的一种，其比例由场景模型中各元素大小和形状与像元内的相对密度来确定；高分辨率模型和计算机图形学密切相关。分形系统、L系统第十六页，共六十四页，2022年，8月28日场景模型是遥感机理研究的关键场景模型是遥感机理研究的关键组成,通过调查光与遥感像元场景的相互作用,可以帮助人们理解遥感信号产生的机理,并验证遥感物理模型.从植被野外测量、三维结构真实遥感像元场景的参数化描述、场景数据结构、场景生成方法和流程等方面阐释了遥感像元场景模型.植被的野外测量和统计是结构真实场景的基础;场景生成方法为:(1)使用L系统生成结构真实植株,进而生成遥感像元场景;(2)按统计规则直接生成遥感像元场景.试验表明该遥感像元场景模型可以生成符合遥感像元统计规律的三维场景,是准确和便捷地计算光与植被相互作用的可靠基础.第十七页，共六十四页，2022年，8月28日场景的仿真生成方法第十八页，共六十四页，2022年，8月28日基于三维几何模型的地表场景建立在利用三维几何模型建立地表场景过程中目标和背景一般是分别建模的，并且目标和背景的数据库可以预先定义好并存储起来，使用时直接调用，目标几何模型的建立方法：多幅图片提取法，信息处理及模式识别软件生成法，常用的三维建模软件AUTOCAD、3DMAX等；优点是灵活性强，适用面广，可根据需要生成各种模型；缺点是工作量大，需要同时提供足够多的材质数据，对所有三维目标都要建立几何模型。第十九页，共六十四页，2022年，8月28日场景辐射建模几何光学模型，冠层和土壤假定由具有一定形状、大小和光学特性的几何突起以一定的方式分布于背景表面。均匀介质辐射模型，把表面要素（树叶或者土壤微粒）看成是具有给定光学特性的小的吸收和散射微粒，随机地分布在场景内且有一定的方向。混合模型，几何光学模型引入辐射传输理论来计算单个的光照/阴影组分。计算机模拟模型，场景要素的排列和取向由计算机模拟，辐射特性基于辐射度和蒙特卡洛光线追踪决定。第二十页，共六十四页，2022年，8月28日场景辐射建模第二十一页，共六十四页，2022年，8月28日8-bit256greys6-bit64greys4-bit16greys3-bit8greys2-bit4greys1-bit2greys辐射分辨率第二十二页，共六十四页，2022年，8月28日Maximumbrightness=255Maximumbrightness=127辐射亮度范围第二十三页，共六十四页，2022年，8月28日基于辐射传输的冠层模拟JohnNorman第二十四页，共六十四页，2022年，8月28日大气辐射传输建模地球大气对遥感成像有显著影响，结果很大程度上影响了地表的光谱辐射和空间分布。因此，理解大气辐射传输和对遥感图像进行大气效应纠正对于描绘地表特性非常关键。在假定无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题。第二十五页，共六十四页，2022年，8月28日大气辐射传输建模MODTRAN软件作为大气辐射传输计算主要的工具，主要有两种使用方式:第一种方法利用MODTRAN制作查找表，然后利用插值的方法得到输出量，虽然在速度上较快，但精度上难以保证；第二种方法直接使用MODTRAN源代码可以保证计算的精度，但很难使用在不同的编程语言中。第二十六页，共六十四页，2022年，8月28日大气作用场景的仿真生成从地表零气象视距辐射亮度图像到传感器入瞳处的图像之间一定会受到大气吸收和散射作用以及大气湍流等效应的作用，造成图像变形和模糊，影响最终成像质量，要对大气作用进行精确仿真才能获得与实际最佳一致的图像，为评价遥感系统提供依据。目前大气作用仿真有两种方法：一、采用大气辐射传输理论求解大气辐射传输方程，计算大气透过率、大气程辐射、大气下行辐射等逐个像元计算出大气顶层入瞳处（TOA）的辐射亮度图像，参数的计算一般采用LOWTRAN7或MODTRAN4软件。二、将大气作用的效果定义为大气调制传递函数，可将其近似为湍流和气溶胶调制传递函数之积。第二十七页，共六十四页，2022年，8月28日大气辐射传输建模（6S）1986年，法国UniversitédesSciencesetTechnologiesdeLille（里尔科技大学）大气光学实验室Tanré等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信号模拟程序5S（SIMULATIONOFTHESATELLITESIGNALINTHESOLARSPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程并计算卫星入瞳处辐射亮度。1997年，EricVemote对5S进行了改进，发展到6S（SECONDSIMULATIONOFTHESATELLITESIGNALINTHESOLARSPECTRUM）6S吸收了最新的散射计算方法，使太阳光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。第二十八页，共六十四页，2022年，8月28日大气辐射传输建模（6S）（1）太阳、地物与传感器之间的几何关系:用太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角四个变量来描述；（2）大气模式：定义了大气的基本成分以及温湿度廓线，包括7种模式，还可以通过自定义的方式来输入由实测的探空数据，生成局地更为精确、实时的大气模式，此外，还可以改变水汽和臭氧含量的模式；（3）气溶胶模式：定义了全球主要的气溶胶参数，如气溶胶相函数、非对称因子和单次散射反照率等，6S中定义了7种缺省的标准气溶胶模式和一些自定义模式；（4）传感器的光谱特性：定义了传感器的通道的光谱响应函数，6S中自带了大部分主要传感器的可见光近红外波段的通道相应光谱响应函数，如TM，MSS，POLDER和MODIS等；（5）地表反射率：定义了地表的反射率模型，包括均一地表与非均一地表两种情况，在均一地表中又考虑了有无方向性反射问题，在考虑方向性时用了9种不同模型）。第二十九页，共六十四页，2022年，8月28日导航建模计算出卫星在空间中的位置，以便在地球上跟踪它并知道仪器指向什么地方。第三十页，共六十四页，2022年，8月28日传感器建模传感器模型描绘了把地表-大气系统的光谱辐亮度转化到数字值的过程，这个数值就是用户从数据分布中心购买得到的数据。场景光谱辐亮度光谱响应空间响应电子噪声波段量化数字图像第三十一页，共六十四页，2022年，8月28日光谱响应光电器件的光谱特性指相对灵敏度与入射光波长之间的关系，又称光谱响应。第三十二页，共六十四页，2022年，8月28日传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。间隔愈小，分辨率愈高，或：所记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值，越宽，分辨率越低不同光谱分辨率的传感器对同一地物的探测效果有很大区别；如MSS（100-200nm）、AVIRIS（10nm

）传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，才能取得好效果感测人体选择8-12m,探测森林火灾应选择3-5m波谱分辨率第三十三页，共六十四页，2022年，8月28日光谱响应第三十四页，共六十四页，2022年，8月28日空间响应调制传递函数，把经过系统的调制度M与未经系统的调制度M之比，定义为调制传递函数MTF从物理意义看，MTF实质是各个空间频率的正弦波图象经过系统后调制损失的百分比。第三十五页，共六十四页，2022年，8月28日美国IKONOS系统焦距：

10m

F数：f/14.3覆盖宽度：

13Km轨道高度：

681Km

（1997年~）第三十六页，共六十四页，2022年，8月28日光学传递函数是全面评价光学系统第三十七页，共六十四页，2022年，8月28日典型的MTF值曲线形状A、B、C三条曲线代表三种光学素质完全不一样的摄影镜头。其中A、B两只镜头代表常见、分辨率和反差都不一样的典型照相机镜头，镜头A是反差高而分辨率低；镜头B则正好相反，分辨率高而反差低。而镜头C则是一只十分罕见的，反差和分辨率都极高的优质摄影镜头。第三十八页，共六十四页，2022年，8月28日制图和面元划分图像生成的一个重要过程就是在特定的地图投影中把这些测量值按照规则的二维阵列进行划分。正向面元划分，利用每次测量的位置来查找输出面元的位置；逆向矫正，利用输出面元的位置来查找每次测量的位置。第三十九页，共六十四页，2022年，8月28日遥感建模系统-小结第四十页，共六十四页，2022年，8月28日应用模型分析应用模型概述模型建立方法第四十一页，共六十四页，2022年，8月28日应用模型概述

一、模型1.模型的概念2.模型的抽象过程3.建模步骤二、应用模型作用三、应用模型分类1．按应用模型结构分类2．按应用模型空间特性分类3．应用模型开发特点分类4．按应用模型内容及所解决问题分类5．按模型空间过程模拟方法分类第四十二页，共六十四页，2022年，8月28日

1.模型概念模型是把一个域（源域）的组成部分表现在另一个域（目标域）中的一种结构（据陈述彭教授）。源域中被表现的部分可以是实体、关系、过程或其它让人感兴趣的现象。建模的目的是把源域简单化和抽象化。源域的内容转到目的域后，在目标域中进行分析和处理。而一个模型是否有用，就要看它模拟源域的效果和它在两个域间转换的难易程度。一、模型

第四十三页，共六十四页，2022年，8月28日2.建模的抽象过程

这里，以供电线网的模型分析来表示建模过程。图中左侧的椭圆代表将被建模的源域，假设源域是供电线网的一部分，对该供电线网进行分析，一个恰当的模型可能就是数学中的网络结构分析，并由此得到目标域；建模函数则要把源域中的要素和目标域中的要素联系起来。可以在目标域中进行网络变换与分析，分析结果再回到源域（供电网）中进行实际分析。建模函数m作用在源域D上。源域中的变量t转换到目标域后成了m(t)；在目标域的转换结果则通过建模函数的反变换inv(m)再回到D中进行解释。如果模型精确地反映了源域D中的变量t的转换。那么这个建模过程就是有效的。这个建模过程可表示为如下的等式：inv(m)om(t)om=t其中：o表示函数的组织，上式可进一步简化为：m(t)om=mot该结构关系是制图学的数学理论基础所涉及到的内容。

源域目标域建模函数Dmm（D）tm（t）Inv（m）一、模型

第四十四页，共六十四页，2022年，8月28日3.建模步骤

应用域的各种现象就是域模型（Domainmodel）所要模拟表现的主题，应用域模型由领域专家来构造。概念计算模型（Conceptualcomputationalmodel）需要考虑计算环境，此时实体——关系（E-R）和对象的模型方法将起作用。逻辑计算模型(Logicalcomputationalmodel)不仅需要考虑通用的计算任务，而且还要考虑特殊实例情况的分析。如果关系数据库用来存储供电网的非空间数据，那么概念模型中的对象（或实体）将以关系组合形式存储在关系表中。信息系统的设计者负责建立这样的模型。物理计算模型(Physicalcomputationalmodel)由系统开发者构建，它使上述模型在特定的计算机系统和平台上得到实现。

应用域应用域模型概念计算模型逻辑计算模型物理计算模型一、模型

第四十五页，共六十四页，2022年，8月28日二、应用模型作用1．应用模型是联系RS应用与常规专业研究的纽带2．应用模型是综合利用RS应用中大量数据的工具3．应用模型是RS应用解决各种实际问题的武器4．应用模型是RS应用系统向更高技术水平发展的基础5．利于信息交流第四十六页，共六十四页，2022年，8月28日三、应用模型分类1．按应用模型结构分类2．按应用模型空间特性分类3．应用模型开发特点分类4．按应用模型内容及所解决问题分类5．按模型空间过程模拟方法分类第四十七页，共六十四页，2022年，8月28日1．按应用模型结构分类

（1）数学模型（又称理论模型）数学模型是应用数学的语言和工具，对部分现实世界的信息（现象、数据）加以翻译、归纳的产物，反映了遥感过程本质的物理规律，它源于现实，又高于现实。数学模型经过演绎、推导，给出数学上的分析、预报、决策或控制，再经过解释回到现实世界。最后，这些分析、预报、决策或控制必须经受实际的检验，完成实践—理论—实践这一循环。三、应用模型分类

现实世界的信息数学模型现实世界的分析、预报、决策或控制数学的分析、预报、决策或控制翻译、归纳推断检验演绎解释现实世界与数学模型的关系第四十八页，共六十四页，2022年，8月28日1．按应用模型结构分类（2）统计模型（包括一些经验模型）统计模型是通过数理统计方法，用大量观测实验得到的数据，用定量方法建立模型，模拟过程的规律，这类方程简单实用，在遥感系统应用模型中占有相当比例，如回归方程，聚类分析等等。（3）概念模型（又称逻辑模型）概念模型是由实践中总结归纳提炼得到的文字性描述，形成知识库，通过专家系统推理机来求解问题。其中最简单的情况可直接用文字加逻辑运算符组成的逻辑表达式来描述。三、应用模型分类第四十九页，共六十四页，2022年，8月28日2．按应用模型空间特性分类

系统中应用模型可根据模型的空间特性分为两大类，即空间模型和非空间模型，图中是用于解决社会经济领域中一些问题的应用模型分类。（1）非空间模型非空间模型是把系统中属性数据作为显式数据源，空间数据作为隐式数据源，对系统中的各种属性数据进行运算来分析区域中的社会、经济、生态及资源等问题，并进行评价、预测、规划等。（2）空间模型空间模型同时使用属性数据和遥感数据组成模型，需要对系统中的空间和属性两种数据进行运算。因此从理论上和方法上同空间数据结构有关联。三、应用模型分类投入产出模型应用模型空间模型非空间模型经济控制论模型系统动力学模型计量经济学模型空间检索模型图形运算模型空间扩散模型网络分析模型统计识别模型第五十页，共六十四页，2022年，8月28日3．应用模型开发特点分类

按模型开发特点应用模型可分为系统提供模型和二次开发模型。（1）系统提供模型系统提供的模型是遥感系统商品为用户提供的应用模型，它们是由系统设计者在分析遥感的特点及应用后，为用户提供的通用性模型，如逻辑检索模型，MNF模型等遥感建模模型。三、应用模型分类第五十一页，共六十四页，2022年，8月28日（2）二次开发模型二次开发模型是用户自行开发的分析模型。随着遥感应用面日益拓宽，系统设计者不可能为用户提供各种专业应用模型，作为一个有生命力的遥感软件，通常为用户提供二次开发接口，使用户可根据自己专业特点，开发用户模型，解决专业部题。①内部模型通过遥感系统提供的工具（如宏语言）开发的应用模型，这种模型能充分利用遥感系统本身具有的资源。②外部模型通过直接或间接调用遥感系统中空间数据库来建立的用户模型，其中采用直接调用方式开发的模型可同遥感系统共享数据库。而采用间接调用方式开发的模型只能通过中间文件同空间数据库相联系。三、应用模型分类

3．应用模型开发特点分类第五十二页，共六十四页，2022年，8月28日4．按应用模型内容及所解决问题分类

应用模型依据模型内容及所解决问题，又可分为基础模型—构成基础模型库；专业模型—构成专业模型库。（1）基础模型基础模型是指那些对各种部门专业都具有普遍意义的，通用性较强，应用面较广的模型，如采用数理统计方法，对实验数据进行回归拟合而产生的统计模型；结合专家知识，结合逻辑方法建立模糊数学模型等。（2）专业模型专业模型是在对系统所描述的具体对象与过程进行大量专业研究的基础上，总结出来的客观规律的抽象或模拟，是将系统数据重新组织，得出与目标有关的更为有序的新的数据集合的有关规则和公式。这种模型是应用型遥感系统进行生产和科研的重要手段，已受到人们日益广泛的关注和重视。由于各种应用系统的服务对象，解决问题以及它们的复杂程度有很大差异，不同的理论观点，不同的体系可以产生不同的专业模型。三、应用模型分类第五十三页，共六十四页，2022年，8月28日5．按模型空间过程模拟方法分类

按模型空间过程模拟方法，地学空间过程模拟模型基本上可分为动力学过程模拟模型和随机过程模拟模型两种类型。（1）动力学过程模拟模型过程研究的动力学方法假设系统运动的物理规律已知。根据过程物理规律，可以建立过程模拟的数学模型，即动力学过程模拟模型。这些模型常常是在系统运动初始条件与边界条件约速的一组偏微分方程组。（2）随机过程模拟模型过程研究的随机过程方法一般用于事先并不知道过程运动规律的那些过程，如土地利用变化等。为此，研究必须首先在不同的过程时间断面上进行状态观测，获得多时相的过程断面数据，然后，利用统计学与随机过程理论建立随机过程模型。三、应用模型分类第五十四页，共六十四页，2022年，8月28日模型建立方法

一、模型化一般方法二、逻辑原理三、数据统计方法四、空间分析函数五、应用模型重用

第五十五页，共六十四页，2022年，8月28日五、应用模型重用1．源代码方式重用2．函数库方式重用3．独立可执行程序方式重用4．内嵌可执行程序方式重用5．DDE或OLE方式重用6．模型库方式重用7．组件模型重用第五十六页，共六十四页，2022年，8月28日1．源代码方式重用

在重用源代码形式的模型时，必须利用RS系统的二次开发语言或其他编程语言，将已开发好的专业模型的源代码进行改写重用，使其从语言到数据结构与RS系统完全兼容，成为RS系统的整体一部分。这种重用方式非常多见，并且将一直存在，它可以保证RS系统与模型在数据结构、数据处理等方面的一致性。但这种方式只能算是最低级的重用方式，其缺点非常明显：一是RS开发者必须下很大功夫读懂模型的源代码，二是在改写重用过程中常常会出错。五、应用模型重用第五十七页，共六十四页，2022年，8月28日2．函数库方式重用

对于以库函数的形式保存在函数库中的应用模型，RS开发者可以通过调用库函数的方式进行模型重用。函数库包括静态连接库和动态连接库两种，二者的区别在于，动态连接不是在连接生成可执行文件时把库函数链入应用程序，而是在程序运行中需要的时候才连接。函数库方式的优点是：RS系统与应用模型能实现高度无缝的集成；函数库一般都有清晰的接口，RS开发者不必费力去研究源代码，使用方便，而且函数库经过编译，不会发生因开发者错误地改动源代码，而使模型运行结果不正确的情况。函数库方式的缺点在于：库函数无法与RS数据有效结合，因而不能用于复杂模型与RS的集成；由于开发者不能对库函数进行修改，降低了重用的灵活性；函数库的可扩充性差；此外，静态函数的使用还在一定程度上受限于语言，必须依赖于其开发语言。五、应用模型重用第五十八页，共六十四页，2022年，8月28日3．独立可执行程序方式重用

现有应用模型中，以可执行程序方式存在者居多。这种模型的重用方式之一是，RS系统与应用分析模型均以可执行应用程序的方式独立存在，二者的内部、外部结构均不变，相互之间可以切换。二者之间的数据交换通过对共同的统一格式的中间数据文件（如ASCII码文件或通用数据库文件等）的操作实现，RS系统进一步将中间数据转换为空间数据，以实现RS本身的空间数据操作功能。这种重用方式的优点在于简便，所需编程工作极少。缺点在于：一是系统效率较低，且使用不很方便；二是界面往往不一致，视觉效果不好。五、应用模型重用第五十九页，共六十四页，2022年，8月28日4．内嵌可执行程序方式重用

这种重用方式本质上与独立可执行程序方式一样，以RS系统命令驱动应用模型程序，RS系统与模型之间的集成通过对共同数据文件的读写操作实现，RS系统则进一步通过进行中间数据与空间数据的转换来实现空间数据的RS操作功能。与独立可执行程序重用方式不同的是，尽管RS系统与模型可能是由不同的编程语言实现的，但是集成系统有基本统一的界面，具有一个无缝集成的操作环境。内嵌可执行程序重用方式的优点在于：符合模块化开发原则，便于开发工作的组织管理，并且系统的运行性能比独立可执行程序方式好；具有基本统一的界面环境，便于操作。这种重用方式的缺点在于必须理解模型运行的全部过程并对复杂的模型要进行正确合理的结构分解，以实现模型与RS系统本身之间的数据相互转换及模型对RS功能的调用，在分解原模型时可能产生错误，此外，如果需要同时集成多个模型，要进行模型的组合很困难。五、应用模型重用第