第2章 地面特征的遥感信息表达与模型-2

单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院1土地利用遥感调查2土壤侵蚀遥感调查4几何光学模型3植被覆盖时相变换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（1）工作流程1土地利用遥感调查简单说，包括1.野外调查、2.建立解译标志库；3.影像信息提取；4.成果处理。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（2）外业调查1土地利用遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）解译标志库密云水库1土地利用遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（4）选择信息提取方法•手工勾绘；•自动分类；基于像元的分类面向对象的分类1土地利用遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（5）面向对象分类德国制造面向对象分类软件eCongnition1土地利用遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（6）结果的输出与编辑输出编辑1土地利用遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（7）成果输出1土地利用遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（1）研究方法2土壤侵蚀遥感调查目视判读指标综合影像分类……研究方法定性方法定量方法侵蚀模型多时相DEM核示踪……单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（2）指标综合方法2土壤侵蚀遥感调查“土壤侵蚀分类分级标准SL190-96”单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（2）指标综合方法2土壤侵蚀遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）侵蚀模型2土壤侵蚀遥感调查PCSLKRfA通用土壤流失方程单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）侵蚀模型2土壤侵蚀遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）侵蚀模型——R因子2土壤侵蚀遥感调查•R因子的计算，采用月降雨资料的简易计算公式：Pi为月雨量mm；P为年雨量mm。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）侵蚀模型——K因子2土壤侵蚀遥感调查•K与土壤性质之间的关系式：)3(5.2)2(25.3)12)(10(1.2100414.1cbaMK式中，M表示颗粒分析参数（粉砂+极细砂百分数）乘以（100-粘土百分数）；a表示有机质百分含量；b表示土壤分类中土壤结构级别；c表示土壤剖面参数级别。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）侵蚀模型——K因子2土壤侵蚀遥感调查利用186个土壤剖面资料计算K值，并结合土壤类型图将K值扩展到整个研究区：单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院基于DEM提取坡度坡长，进而计算LS因子，公式如下，（1）坡长因子式中，L为坡长因子，λ为坡长（m），m为坡长指数。（2）坡度因子式中S为坡度因子，θ为坡度。（3）侵蚀模型——LS因子2土壤侵蚀遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）侵蚀模型——LS因子2土壤侵蚀遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院覆盖度%020406080100草地0.450.240.150.090.0430.011灌木0.400.220.140.0850.040.011林地0.100.080.060.020.0040.001C因子的计算采用我国几位研究者建立的植被因子与植被覆盖度的关系（如下表）。对于其他地类，结合蔡崇法等（2000）、王万忠等（1996）、许月卿（2008）等提出的不同土地利用C值并结合当地土地利用及农事活动情况确定C值，水田定为0.1，旱地定为0.22，城镇居民点建设用地为0.0，水域与裸岩为0.0。（3）侵蚀模型——C因子2土壤侵蚀遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）侵蚀模型——C因子2土壤侵蚀遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院坡（°）等高带状耕作草田带状间作水平梯田水平沟等高垄作50.30.10.030.010.15-100.50.10.030.050.1100.60.20.030.10.3参照蔡崇法等（2000）、王万忠等（1996）、许月卿（2008）等提出的P值，自然植被和坡耕地P因子为1，水田为0.01，旱地为0.4，林地为1，灌草地为1，农村居民点为1，果园为0.8，梯田为0.03，水域与裸岩为0.0。（3）侵蚀模型——P因子2土壤侵蚀遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）侵蚀模型——P因子2土壤侵蚀遥感调查单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院3侵蚀模型——计算结果2土壤侵蚀遥感调查研究区平均土壤侵蚀模数为1314.10t/km2∙a单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（1）时相变换的原因获取覆盖密云水库上游的2004年SPOT5影像，时间跨度为5月18—9月9日。植被覆盖计算结果如上图所示。3植被覆盖时相变换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（2）植被覆盖度计算方法3植被覆盖时相变换植被覆盖度被定义为单位面积内的植被绿叶垂直投影面积。它是植物群落覆盖地表状况的一个综合指标，是衡量地表植被状况的一个最重要的指标，也是许多学科的重要参数。采用最常用的像元二分模型计算植被覆盖度，公式如下：单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）不同植被的覆盖度变化规律1）根据土地利用图将植被类型细分为耕地、乔木林、灌木林、草地、其他五类，其中水域的覆盖度肯定为零，所以这里不作考虑。2）将土地利用图重采样为5m的栅格图，并与相应的MODIS数据严格配准；3）利用像元聚合方法将50*50的土地利用聚合成对应的MODIS像元大小，从而计算乔、灌、草、耕地和其他类在对应的MODIS像元中的百分比组成。3植被覆盖时相变换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（3）不同植被的覆盖度变化规律像元聚合方法3植被覆盖时相变换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4.3不同植被的覆盖度变化规律像元聚合结果，得到对应MODIS像元内不同植被覆盖的组成百分比3植被覆盖时相变换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院植被类型耕地乔木灌木草地其他纯像元129844607562843943不同植被纯像元个数统计根据聚合的结果，统计组成百分比为100%的像元，如下表所示。统计研究区内不同植被的纯像元，得到研究区内不同植被覆盖度的变化规律，如下图所示。3植被覆盖时相变换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4.3不同植被的覆盖度变化规律不同植被覆盖度变化规律3植被覆盖时相变换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院（4）时相变换思路假如一个MODIS像元覆盖几种植被类型X、Y与Z，它们本身的植被覆盖度分别为x、y与z，分别占有MODIS像元的面积百分比为α、β与γ，如图所示。那么这个MODIS像元的植被覆盖度FC可以表示成下式：MODIS像元内植被覆盖类型比例示意图3植被覆盖时相变换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院假设植被覆盖X、Y与Z的覆盖度比例关系为则：上式中，FC为MODIS的覆盖度，已计算得到；α、β与γ为不同植被占MODIS像元百分比，即为土地利用图的聚合结果；k、m和l可以从不同植被覆盖度的变化规律中利用均值的比例代替。3植被覆盖时相变换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院3植被覆盖时相变换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院理论上，xm1、ym1与zm1应该分别与植被X、Y与Z在SPOT影像上所对应的像元的均值相等，但由于尺度等原因一般不会相等，但MODIS像元内不同植被的覆盖度与SPOT影像所对应的植被覆盖度在两个时相T1与T2上的比值应该近似相等，即：那么我们想要的时相T2的SPOT覆盖度应分别为：3植被覆盖时相变换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院根据以前的推导，上述三个式子中各变量可以计算如下：3植被覆盖时相变换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院3植被覆盖时相变换（5）时相变换结果变换结果显示，边界差异明显减小单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型（1）模型应用目的本模型用于对森林地区冠层反射率的求算。所谓冠层反射率，指植被上界出射辐射与入射辐射的比值。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型（2）模型假设条件模型有2个主要假设：•稀疏分布：森林中树木分布非常稀疏，相互之间没有遮挡，树木阴影没有重叠；•椭球树冠：树冠形状为椭球。它有固定几何形状，而且数学表达简单。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型（3）模型思路利用坐标转换可以进一步将椭球转换为球型，使数学表达更为简单。x(φ=0)z(θ=0)太阳(θi,φi)坡向(θs,φs)传感器(θv,φv)brh假设树冠是一个垂直半径为b，水平半径为r的椭球，球心位于一个坡度为θs、方位为φs的坡面上方h。椭球向球型的坐标转换单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型首先我们定义一个新的高度坐标：在新的坐标空间里，原来的直线仍为直线，椭球变成了球，而几个变量分别变为：入射方向天顶角：观察方向天顶角：坡度角：球心高度：纵轴方向压缩单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型坐标系旋转然后再旋转坐标系，使坡面的法向成为新坐标系的z’’轴，即x轴旋转φs’，z’轴旋转θs’。在新的坐标空间里，入射方向与观测方向的天顶角和方位角、球心高度等都会发生变化，具体的公式更加复杂，可以自行推导。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型坐标系变换结果经过这样z方向的线形拉伸和坐标系向坡面方向旋转，斜坡上的椭球植株（林木）的几何光学问题就完全等效于水平地面上的球型植株问题。因此，在下述推导中，我们均会采用水平球型的几何分布假设，而不失各种椭球假设的一般性。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型（3）模型思路平面球星植株四分量对稀疏森林成像时，遥感象元反射率由四部分组成，即光直接照射的树冠、树冠阴影面、直接照射的地面（背景）、阴影遮蔽的地面。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型（3）模型思路平面球星植株四分量类似混合象元，象元（冠层）的反射率为：R=KCRC+KTRT+KGRG+KZRZKC、KT、KG、KZ分别为几何光学模型中的四个分量，即光照树冠、阴影树冠、光照背景、阴影背景在象元中所占面积比例，RC、RT、RG、RZ则分别为上述四个分量的反射率：单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型（3）模型思路平面球星植株四分量几何光学模型的基础就是四分量模型，上式是其基本模型，所有后续模型都建立在上式的基础上。其关键在于根据假设条件，求取KC、KT、KG、KZ的表达式，条件不同，面积比例K的表达式也不同。单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型垂直下视条件下的1棵树的光照树冠面积aC许多传感器，如Landsat、SPOT均可以近似看作垂直下视（nadirview)。如左图，假设太阳以θi角入射半径为r的球型树冠，则图中以粗线表示的光照树冠面积为：θiACr单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型垂直下视条件下的1棵树的阴影树冠面积aT和阴影背景面积aZ如左图，假设太阳以θi角入射半径为r的球型树冠，则阴影背景面积即是以粗线表示的面积在水平面上的投影：aZ=πr2/cosθi=πr2secθi阴影树冠面积为：单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型垂直下视条件下1个象元中四分量的面积假设1个象元内有n棵树，则四分量的面积分别为：若象元面积为A，则光照背景面积为：单击此处编辑母版标题样式河南大学环境与规划学院4几何光学模型为了反演方便，将遥感成像的森林进行参数化，引入统计数据，即林区单位面积内树木的平均个数λ，以及树冠平均半径R。因而存在：此时，1个象元中四分量的面积分别为：统计量的引入单击此处编辑母版标题样式河