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主讲教师：秦其明主讲教师：秦其明北京大学地球与空间科学学院北京大学地球与空间科学学院第八章第八章定量遥感基础定量遥感基础《《遥感概论遥感概论》》课程课程本节主要目录本节主要目录定量遥感基础定量遥感基础遥感信息模型遥感信息模型定量遥感主要研究内容定量遥感主要研究内容定量遥感基础定量遥感基础利用遥感器获取的地表地物的电磁波信息，在计算利用遥感器获取的地表地物的电磁波信息，在计算机系统支持下，通过数学的或物理的模型将遥感信机系统支持下，通过数学的或物理的模型将遥感信息与观测地表目标参量联系起来，定量地反演或推息与观测地表目标参量联系起来，定量地反演或推算出某些地学、生物学及大气等目标参量，是当前算出某些地学、生物学及大气等目标参量，是当前遥感发展的前沿。定量遥感分为：遥感发展的前沿。定量遥感分为：--可见光、近红外波段的定量遥感可见光、近红外波段的定量遥感－－热红外波段的定量遥感热红外波段的定量遥感－－微波遥感的对地观测微波遥感的对地观测可见光、近红外波段定量遥感基础可见光、近红外波段定量遥感基础遥感的基本过程可以看作是电磁波与大气相互作用过程以及电磁波与地表的相互作用过程的叠加。–电磁波与大气相互作用形成大气效应。大气效应是电磁辐射在太阳-目标物-传感器系统的传输过程中受到大气分子、水气、气溶胶和尘粒等散射、吸收和折射等影响–地表非朗伯体特性，大多数情况下的地面物质都不是均一的朗伯体，朗伯体的假设给计算带来很大的误差，用地表的二向反射率分布函数（BRDF）来描述地表的非朗伯体特性可见光、近红外波段定量遥感基础可见光、近红外波段定量遥感基础测定地表温度和比测定地表温度和比辐射率辐射率传感器所测量的量传感器所测量的量是辐射能是辐射能热红外波段的定量遥感基础热红外波段的定量遥感基础地表温度、比辐射率大气吸收、散射和发射大气热红外波段的定量遥感基础热红外波段的定量遥感基础在热学中，温度是物质分子热运动平均动能的量度，描述了物质内部分子热运动的剧烈程度。正是由于物质内部微观粒子的运动导致了物质向外发射电磁波，即热辐射热红外波段遥感测量的正是地表物质的热辐射。地球环境的代表性温度为300K，它对应的接近10μm，正接近热红外大气窗口区对于非黑体而言，由于其辐射亮度受自身比辐射率的影响，所以比辐射率是联系亮温与真实温度的桥梁微波遥感的对地观测基础微波遥感的对地观测基础合成孔径雷达二维成像过程是通过安装在运动平合成孔径雷达二维成像过程是通过安装在运动平台上的雷达天线不断地发射脉冲信号台上的雷达天线不断地发射脉冲信号,,接受它们在接受它们在地面的回波信号地面的回波信号,,经信号的成像处理形成二维经信号的成像处理形成二维SARSAR影像影像,,影像中的每一像素的幅度只与目标的后向散影像中的每一像素的幅度只与目标的后向散射系数有关射系数有关随着应用的需要，不仅希望得到随着应用的需要，不仅希望得到SARSAR照射场景的二照射场景的二维信息，而且希望能得到该区域的高度信息维信息，而且希望能得到该区域的高度信息获取地表形态垂直变化的遥感测量传感器主要有获取地表形态垂直变化的遥感测量传感器主要有干涉雷达，即干涉测量合成孔径雷达干涉雷达，即干涉测量合成孔径雷达定量遥感主要研究内容定量遥感主要研究内容遥感器定标遥感器定标大气纠正大气纠正定量遥感模型定量遥感模型尺度效应与混合像元分解尺度效应与混合像元分解多角度遥感多角度遥感遥感器定标遥感器定标遥感器定标是指建立遥感器每个探测元件所输出信遥感器定标是指建立遥感器每个探测元件所输出信号的数值量化值与该探测器对应像元内的实际地物号的数值量化值与该探测器对应像元内的实际地物辐射亮度值之间的定量关系辐射亮度值之间的定量关系由于卫星运行时所获取的遥感信息受到诸多因素影由于卫星运行时所获取的遥感信息受到诸多因素影响，如遥感器系统的畸变、大气传播的干扰、地形响，如遥感器系统的畸变、大气传播的干扰、地形影响等都会造成遥感器采集到的辐射能量与目标地影响等都会造成遥感器采集到的辐射能量与目标地物实际的辐射能量之间存在较大偏差物实际的辐射能量之间存在较大偏差遥感器定标是遥感数据定量化处理中的最基本环节，遥感器定标是遥感数据定量化处理中的最基本环节，遥感器的定标精度直接影响到遥感数据的可靠性和遥感器的定标精度直接影响到遥感数据的可靠性和精度精度––遥感器实验室定标遥感器实验室定标––遥感器星上内定标遥感器星上内定标––遥感器场地外定标遥感器场地外定标遥感器实验室定标遥感器实验室定标是指对比分析与研究空中遥感器接收到的电磁波能量信是指对比分析与研究空中遥感器接收到的电磁波能量信号与地物光谱仪接收到的电磁波能量信号的定量关系，号与地物光谱仪接收到的电磁波能量信号的定量关系，以及电磁波能量信号与地物的物理特性的关系，以便对以及电磁波能量信号与地物的物理特性的关系，以便对获取的空中遥感器信号进行纠正。获取的空中遥感器信号进行纠正。遥感器实验室定标主要包括光谱定标与辐射定标两大部遥感器实验室定标主要包括光谱定标与辐射定标两大部分。分。－光谱定标是测量遥感器随入射辐射波长变化的响应。－光谱定标是测量遥感器随入射辐射波长变化的响应。－辐射定标用以确定遥感器入瞳处的准确辐射数值。－辐射定标用以确定遥感器入瞳处的准确辐射数值。遥感器星上遥感器星上内内定标定标卫星发射后，探测探测器元件老化或者工作卫星发射后，探测探测器元件老化或者工作温度变化都会影响到遥感器的响应，因此需温度变化都会影响到遥感器的响应，因此需要遥感器星上内定标。要遥感器星上内定标。星上内定标主要是绝对辐射定标，在可见光星上内定标主要是绝对辐射定标，在可见光和反射红外区采用电光源（灯定标）和太阳和反射红外区采用电光源（灯定标）和太阳光（太阳定标）作为高温的标准辐射源，在光（太阳定标）作为高温的标准辐射源，在热红外区采用卫星上的标准黑体（黑体定标）热红外区采用卫星上的标准黑体（黑体定标）作为高温的标准辐射源，以宇宙空间作为低作为高温的标准辐射源，以宇宙空间作为低温标准辐射源。温标准辐射源。遥感器场地外定标遥感器场地外定标是在遥感器飞越辐射定标场上空时，在定标是在遥感器飞越辐射定标场上空时，在定标扬选择若干像元区，测量遥感器对应的各波扬选择若干像元区，测量遥感器对应的各波段地物的光谱反射率和大气光谱参量，并利段地物的光谱反射率和大气光谱参量，并利用大气辐射传输模型给出遥感器入瞳处各光用大气辐射传输模型给出遥感器入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后确定它与遥感器对应谱带的辐射亮度，最后确定它与遥感器对应输出的数字量化的数量关系，求解定标系数，输出的数字量化的数量关系，求解定标系数，并进行误差分析。并进行误差分析。通过地面辐射场地外定标对于提高辐射定标通过地面辐射场地外定标对于提高辐射定标精度具有重要意义，这因为场地外定标方法精度具有重要意义，这因为场地外定标方法可以实现全孔径、全视场、全动态范围的定可以实现全孔径、全视场、全动态范围的定标，并考虑到大气传输和环境的影响。标，并考虑到大气传输和环境的影响。该定标方法可以实现在遥感器运行状态下与该定标方法可以实现在遥感器运行状态下与获取地面图像完全相同条件下的绝对订正。获取地面图像完全相同条件下的绝对订正。大气校正大气校正––大气校正是消除遥感图像在大气传输中所引起大气校正是消除遥感图像在大气传输中所引起质量退化的一种图像处理方法。对于一个已经质量退化的一种图像处理方法。对于一个已经经过绝对辐射标定的遥感图像，还必须经过大经过绝对辐射标定的遥感图像，还必须经过大气校正才可以得到地表目标的正确信息气校正才可以得到地表目标的正确信息––由于遥感器在空中获取地表信息过程中，受到由于遥感器在空中获取地表信息过程中，受到大气分子、气溶胶和云粒子等大气成份的吸收大气分子、气溶胶和云粒子等大气成份的吸收与散射的影响，以及大气中水汽和气溶胶含量与散射的影响，以及大气中水汽和气溶胶含量具有很大的时空变化特性，其结果是目标反射具有很大的时空变化特性，其结果是目标反射辐射能量被衰减，空间分布被改变，部分和目辐射能量被衰减，空间分布被改变，部分和目标物无关的大气散射辐射进入遥感器视场标物无关的大气散射辐射进入遥感器视场大气校正方法大气校正方法实验方法实验方法––直方图调整法（直方图调整法（HistogramMatchingHistogramMatching））––黑暗目标法黑暗目标法((DarkObjectMethod)DarkObjectMethod)––固定目标法（固定目标法（InvariantObjectInvariantObject））––对比减少法（对比减少法（ContrastReductionContrastReduction））––查找表法查找表法LUT(LookUpTable)LUT(LookUpTable)理论方法理论方法––LOWTRANLOWTRAN（（LowResolutionTransmissionLowResolutionTransmission））––MODTARNMODTARN（（ModerateResolutionTransmissionModerateResolutionTransmission））––SHARCSHARC（（StandardHighAltitudeRadiationCodeStandardHighAltitudeRadiationCode））––ATCORATCOR（（ASpatiallyASpatially--AdaptiveFastAtmosphericAdaptiveFastAtmosphericCorrectionCorrection））––6S(SecondSimulationofSatelliteSignalinthe6S(SecondSimulationofSatelliteSignalintheSolarSpectrum)SolarSpectrum)大气校正实验方法大气校正实验方法––直方图调整（直方图调整（HistogramMatchingHistogramMatching））假设清楚目标和模糊目标反射率直方图是一样的，在假设清楚目标和模糊目标反射率直方图是一样的，在图像中找到清楚的目标，用清楚目标的反射率直方图像中找到清楚的目标，用清楚目标的反射率直方图来调整模糊目标的反射率直方图。常用的图像处图来调整模糊目标的反射率直方图。常用的图像处理软理软PCIPCI，，EARDASEARDAS等使用了此方法。等使用了此方法。优点：简单、实用。优点：简单、实用。缺点：缺点：11）对于由具有不同反射特征的目标物组成的）对于由具有不同反射特征的目标物组成的混合像元，以上假设是不成立的；混合像元，以上假设是不成立的；22）气溶胶空间）气溶胶空间分布变化大时，此方法校正结果不正确。分布变化大时，此方法校正结果不正确。大气校正实验方法大气校正实验方法––黑暗目标法黑暗目标法((DarkObjectMethod)DarkObjectMethod)若图像中存在浓密植被或水体，它们在可见光（浓密若图像中存在浓密植被或水体，它们在可见光（浓密植被）和红外（水体）具有低反射，根据其在此特植被）和红外（水体）具有低反射，根据其在此特征波段的反射率和其他波段反射率之间的相关关系，征波段的反射率和其他波段反射率之间的相关关系，进行大气校正。比如，在进行大气校正。比如，在ETMETM＋＋/TM7/TM7波段（波段（2.12.1umum））左右水体反射率应该为零，但由于大气效应往往是左右水体反射率应该为零，但由于大气效应往往是非零，确定此差距，用来可以移除其他波段像元中非零，确定此差距，用来可以移除其他波段像元中的大气干扰。的大气干扰。优点：此方法方便，目前在中分辨率成像光谱仪优点：此方法方便，目前在中分辨率成像光谱仪MODISMODIS、、MERISMERIS等数据处理中广泛使用。等数据处理中广泛使用。缺点：图像中没有大范