基于TM的辐射传输模型反演叶面积指数可行性研究

基于PROSAIL辐射传输模型，引入土壤反射指数SRI来简化模型，提出直接从反射率计算SRI的方法；  同时，针对不同的植被状况，采取不同波段组合对模型的参数进行敏感性分析，确定自由参数与反演波段组合，提出一种基于不同植被状况的叶面积指数反演策略； 最后，应用遗传算法对模拟的TM光谱反射数据进行实验。结果表明，对于LAI＜3的植被，反演精度较高； 但是对于LAI＞3的植被，反演精度较低，其原因主要是冠层反射对LAI不再敏感。因此，辐射传输模型反演LAI有一定适用范围，只有在此范围内LAI的反演精度才可靠。     

基于PROSPECT＋SAIL模型的遥感叶面积指数反演

以PROSPECT+SAIL模型为基础，从物理机理角度反演植被叶面积指数(LAI)。首先，通过FLAASH模型进行大气校正，使得图像像元值表达植被冠层反射率； 然后，根据LOPEX 93数据库和JHU光谱数据库选择植物生化参数和光谱数据，以PROSPECT模型模拟出的植物叶片反射率和透射率作为SAIL模型的输入参数，得到植被冠层反射率，将结果与遥感影像的植被冠层反射率对应，回归出植被LAI； 最后，以地面实测数据对遥感反演数据进行验证，并分析了误差的可能来源。     

山地森林叶面积指数(LAI)遥感估算研究进展EI北大核心CSCD

叶面积指数LAI (Leaf Area Index)是表征植被几何结构及生长状态的重要生物物理参数,也是陆表过程模型的重要输入参数,如何获取高精度LAI一直备受关注。近年来,随着遥感数据的不断丰富,LAI遥感估算算法得到了快速发展,全球尺度的LAI产品已被广泛应用于气候与生态环境变化研究。然而,当前主流的LAI遥感产品生成算法基本上基于平坦地表假设而忽略了地形的影响,因此在地形复杂的地区精度较差。这是因为在山地中崎岖的地表不仅会导致严重的辐射失真现象,还会因邻近的地形对地物目标造成遮挡,因此森林多样的冠层结构和山地复杂地形的相互影响给LAI遥感反演带来了较大的不确定性。山地作为一种特殊的地貌,约占全球陆地表面的1/4,在中国占了近2/3,在这些复杂区域中估算LAI考虑地形因素十分必要。在本文中,我们首先系统地总结了现有LAI反演算法和全球遥感产品的分辨率、精度等信息,并讨论了将这些算法和产品应用于崎岖地形LAI反演的主要挑战。然后,针对山地植被场景中存在的地形效应、尺度效应,总结出山地植被冠层LAI反演的策略主要包括地形校正方法和山地辐射传输模型,并讨论了不同策略的优缺点。接着,文章讨论了野外观测的LAI数据在崎岖地形上存在的地形效应和尺度效应,以及这些效应对反演结果验证的影响程度。最后,综合总结和展望表明,遥感观测、山地辐射传输建模、机器学习技术等方面的协调使用将来可以为崎岖地表的LAI精准估算和可靠验证提供了一条有希望的途径。     

基于混合像元分解理论的路域植被等量水厚度遥感反演

为削弱混合像元对植被参数反演的影响，提出了基于混合像元分解理论反演路域植被等量水厚度的方法。利用PRO4SAIL模型正演获得的高光谱窄波段数据，模拟Landsat 8遥感影像宽波段植被冠层光谱数据，并进行等量水厚度的敏感植被指数的筛选；对覆盖研究区域的Landsat 8遥感影像进行线性混合像元分解，获取更加精确的植被冠层光谱反射率；同时，利用支持向量机构建等量水厚度估测模型，实现对路域植被等量水厚度的遥感反演。研究结果表明，利用混合像元分解后得到的植被冠层光谱参与模型反演得到的路域植被等量水厚度更加符合实际情况，为遥感影像反演植被参数提供了有效数据。     

植被生态遥感参数定量反演研究方法进展

植被参数是生态遥感定量反演的热点和难点,也是生态系统研究的基础性参数。本文在广泛阅读国内外公开发表的文献资料基础上,将现有的植被生态遥感参数概括为物理类、生化组分类、能量和功能类3大类,系统梳理了每类参数定量反演的主要模型方法,进行优缺点和适用性分析,对现阶段存在的不足和未来发展趋势进行了探讨。物理类植被生态遥感参数主要介绍了植被覆盖度、生物量、叶面积指数、树高等研究进展,生化组分类植被生态遥感参数主要介绍了植被含水量、叶绿素含量和光合能力等研究进展,能量类植被生态遥感参数介绍了光合有效辐射、植被吸收光合有效辐射等研究进展,功能类植被生态遥感参数主要介绍了植被生产力和碳交换量等研究进展。存在的主要问题包括混合像元分解、病态反演、物理模型应用过程中的误差传递、数据融合的尺度效应和空间变异性、模型耦合的最优方案确定问题。     

高光谱遥感影像混合像元分解研究进展

受高光谱成像仪低空间分辨率及复杂地物的影响,高光谱遥感图像存在大量混合像元。为提高地表分类精度以及满足亚像元级目标探测的需求,混合像元分解技术一直是高光谱遥感研究热点之一。本文主要对高光谱混合像元分解技术中的核心问题:端元数目估计、端元提取算法、丰度估计算法进行综述,系统地分析了各种典型算法的原理及优缺点,进一步阐述研究过程中建立高精度遥感混合反演模型与遥感产品业务化中的混合像元分解技术难题,同时针对今后混合像元分解技术发展方向,指出在继续引入新型算法理论方法基础上,结合用户应用需求,推进高光谱混合像元分解算法业务化应用,为高光谱遥感工程化应用提供支持。     

基于神经网络的LAI遥感反演影响因素分析

基于BP神经网络和植被冠层辐射传输模型PROSAIL对LAI进行反演,针对BP神经网络中网络结构设计的关键问题,从网络隐含层层数、隐含层节点数和学习速率等3个方面进行分析与讨论,确定了最佳的BP网络结构,取得了较好的反演结果。     

叶面积指数遥感尺度效应与尺度纠正

由于地表空间异质性的普遍存在,遥感反演模型的非线性必然会导致不同分辨率观测的遥感结果不一致,从而产生遥感产品尺度效应。本文研究了遥感产品尺度效应概念、模拟方法和定量计算模型,并利用锡林浩特草原研究区的实测数据,对尺度效应模型和方法进行了定量计算与验证分析。首先,基于不同升尺度方法与多尺度遥感成像机理之间的机理联系,通过“先反演再平均”与“先平均再反演”之间的差异,可计算“高”分辨率与“低”分辨率之间的遥感产品尺度差异。其次,分别以红光、近红外两波段反射率和归一化植被指数(NDVI)为自变量,对叶面积指数(LAI)非线性遥感模型进行泰勒展开,研究了模型非线性、遥感数据空间异质性对LAI遥感产品尺度差异的影响,发现高阶项可忽略,利用二阶导数项和遥感数据方差项可定量计算遥感产品尺度差异,经过二阶导数项纠正后的尺度差异相对偏差从5.6%分别降低到0.78%和1.45%。最后,分析了LAI遥感产品尺度效应的特征规律,得出以下结论:随着植被覆盖的增大,同等遥感空间异质性的LAI遥感产品尺度差异越大,且红光波段比近红外波段的尺度差异敏感性高近2个数量级;对于绝大部分陆地植被区域,存在“低分辨率低估”尺度效应,且遥感产品尺度差异的主导要素为LAI模型非线性,NDVI变量自身非线性对尺度效应贡献占23.5%;对于湿地类植被与水体混合情形,NDVI变量非线性的贡献为主导贡献,出现“低分辨率高估”尺度效应,必须利用红光、近红外两波段的二阶导数项非线性尺度差异,才能解释这一类型的LAI遥感产品尺度效应。本文建立了具有一定普适意义的遥感产品尺度效应定量模拟与尺度纠正方法,对推动定量遥感的尺度问题研究有一定参考价值。     

SPOT地面场定标与星上定标结果的比较分析

本文研究是在遥感辐射定标场选择的基础。利用６Ｓ大气辐射传输模型进行ＳＰＯＴ遥感数据的定标和地物的光谱反射率反演,即在遥感器飞越辐射定标场上空,在定标场选择若干像元区,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,并利用大气辐射传输模型给出遥感器人瞳处各光谱带的辐射亮度,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。然后,对相应的研究训练区的遥感数据进行大气辐射校正,进而反演训练区内的地物光谱反射率。最后,通过将反演值与实地测量的地物光谱反射率进行对比分析,来估算定标不确定度,并比较说明两种不同方式定标差异及优势和限制。     

山地叶面积指数反演理论、方法与研究进展

叶面积指数LAI（Leaf Area Index）是表征叶片疏密程度和冠层结构特征的重要植被参数，在气候变化、作物生长模型以及碳、水循环研究中发挥着重要作用。遥感是获取区域及全球尺度LAI的一个重要手段，当前LAI产品主要基于遥感数据反演得到，但是多数LAI产品算法并未考虑地形特征的影响，导致山地LAI遥感反演精度不确定性大。提高山地LAI遥感反演精度亟需考虑地形因子对冠层反射率的影响，其中山地冠层反射率模型和遥感数据地形校正是提升山地LAI遥感反演精度的关键。本文围绕山地LAI遥感反演理论与方法，综合分析了国内外山地冠层反射率模型和地形校正模型的研究进展，总结了目前山地LAI遥感反演存在的问题，并讨论了未来研究的发展趋势。     

不同分辨率影像反演植被覆盖度的参数确定与尺度效应分析

选择新疆古尔通班古特沙漠南缘的石河子地区作为研究区,针对统计回归模型需要大量实测数据,而像元二分模型(dimidiate pixel model,DPM)参数难以确定的缺点,提出了利用统计回归的结果反推像元二分模型参数来建立研究区遥感反演植被覆盖度的方法。运用该方法研究了利用TM和MODIS遥感影像数据分别反演植被覆盖度的参数化方案;同时,还研究了采用不同遥感数据源和不同反演模型时研究区植被覆盖度信息提取中存在的尺度效应。     

南方典型植被遥感丰度信息提取

针对遥感影像在南方丘陵地区典型植被丰度信息提取中存在的大量混合像元问题，为进一步提高线性解混精度，通过计算像元EVI值，构建了Landsat 8时间序列影像南方典型植被（端元）和混合像元的EVI时间序列曲线，分析了不同生育期内各种地物类型的植被指数变化曲线，发现不同地物在植被指数时间序列中具有各自独立的波动规律。选取多个端元及其EVI时间序列曲线，利用光谱匹配方法对匹配EVI时间序列曲线和多个端元进行了匹配，达到利用不同端元组合进行光谱解混的目的。试验结果表明，与传统方法相比，阔叶林解混精度有明显提高，针叶林解混精度也有所提高。该研究成果可以为南方丘陵地区植被环境的研究提供有力支撑。     

基于叶片-冠层-大气耦合的植物星上光谱特性模拟分析

将植物叶片光谱模型PROSPECT、植被冠层光谱模型SAIL与大气辐射传输模型6S进行耦合,模拟不同参数条件下植被星上光谱信息在400～ 900 nm谱段的变化,并分析从地表植物叶片光谱、冠层光谱到卫星入瞳处光谱的过程中,植物叶片的叶肉结构参数、叶绿素含量、干重、叶片含水量和植物冠层的叶面积指数(LAI)、太阳天顶角、气溶胶光学厚度、地表邻近效应以及混合像元等参数对植物光谱的影响.研究结果表明,由大气引起的误差要远大于由植物本身的各种生化参数引起的误差;在叶片尺度上引起反射率发生变化的主要因素是叶绿素含量和叶肉结构参数,含水量的影响非常小,可以忽略;在冠层尺度上引起光谱发生变化的因素主要有LAI和叶片倾角.     

植被遥感辐射传输建模中的异质性研究进展

遥感辐射传输建模是在研究电磁波与地物相互作用机理的基础上,建立遥感观测信号与地物属性、地物结构和观测几何等参量之间定量关系的模型,是理解遥感观测信号和反演地表参量的理论基础。近年来空间异质性问题引起了定量遥感领域的高度关注,高分辨率卫星及激光雷达等数据的日益丰富给研究空间异质性提供了有力支撑。在异质性植被场景遥感辐射传输建模过程中,像元内部的组分比例、3维结构、空间格局以及端元边界处的阴影效应与散射过程等方面是需要重点考虑的因素。本文在总结非均质地表空间异质性描述的基础上,分别总结了植被二向性反射与热红外辐射方向性建模研究的发展历程,以及非均质地表植被遥感建模研究的最新进展,并指出了地表遥感建模中研究异质性问题的发展方向。     

植被冠层光谱和叶片光谱的尺度转换

叶片光谱是估算植被生化参数的重要依据。然而,遥感影像获取的光谱为像元及冠层光谱,因此,在进行植被生化参数的遥感定量估算时,需将冠层光谱转化到叶片尺度。根据几何光学模型原理,推导出植被冠层光谱和叶片光谱的尺度转换函数,将冠层光谱转换到叶片尺度。首先,采用叶片光谱模拟模型PROSPECT模拟出叶片水平的光谱;其次,在几何光学模型4-scale模型中,通过改变叶片光谱和叶面积指数（leaf area index,LAI）,模拟出不同叶片特征下的冠层光谱。最后,通过LAI建立两个查找表,一个是传感器观测到树冠光照面和背景光照面概率的查找表,另一个是多次散射因子M的查找表,从而实现冠层光谱和叶片光谱的转化。结果表明,利用4-scale模型能实现冠层光谱与叶片光谱的尺度转换,此方法有很好的适用性。     

尺度效应的叶面积指数产品真实性检验方法

真实性检验是评价遥感反演产品质量和验证遥感应用产品是否准确、真实地反映实际情况的重要途径。叶面积指数(LAI)是表征陆地植被结构和长势的关键参数,全面准确评价和验证LAI产品是产品用于陆面过程模型的前提。本文以MODIS LAI与GLASS LAI产品为研究对象,在尺度效应和尺度转换的基础上,建立了针对非均匀像元的低分辨率LAI产品真实性检验方法。在考虑空间异质性和植被长势差异的情况下,借助中分辨率的遥感影像,分别利用1 km像元平均叶面积指数和反演表观叶面积指数实现了对LAI算法和产品的真实性检验。为了比较作物长势差异和地表非均匀度对产品的影响,本文选择有代表性的河南鹤壁和甘肃张掖两个地区进行两种LAI产品真实性检验研究。研究结果表明,GLASS LAI和MODIS LAI产品均存在明显的低估现象。这并不是产品算法的问题,而是由于地表异质性和非均匀度的影响。在异质性更显著的张掖盈科灌区,低估现象更明显。GLASS LAI产品是多种LAI产品的融合,它的平均LAI比MODIS更接近真实情况,但是LAI的动态范围比MODIS窄。     

陆地观测卫星图像模拟技术研究

卫星图像模拟是在卫星发射之前,采用计算机模拟方法模拟图像的波段特征、空间几何特征、辐射特征、星历数据和格式编排的一项技术。为研究陆地卫星图像模拟技术,回顾了我国过去6 a自主开发卫星遥感图像模拟系统的发展过程,介绍了图像模拟系统设计及关键技术的实现情况。目前该系统具备的模拟波段包括可见光、近红外到热红外波段,模拟的空间分辨率在300~3 m。在模拟过程中,采用遥感辐射传输模型实现光谱特征模拟;采用PROSPECT+SAIL模型模拟植被覆盖区的光谱,采用波谱库数据模拟非植被区的光谱;基于对大气辐射传输过程的线性分解,建立了大气辐射传输过程查找表(LUT),在保证一定模拟精度的前提下显著提高了模拟计算的速度;采用考虑地形起伏的高精度几何定位模型,逐像元计算出卫星观测视线与地球表层的交点,实现了几何信息的精确模拟;最后,采用卫星发射后的观测数据和实验场测量数据验证了该技术的模拟精度。     

FAN模型的双种群差分进化光谱解混算法

双线性混合模型是近年来非线性光谱解混的研究重点之一,其克服了线性混合模型无法描述地物多重散射作用的缺陷,能够更精确地还原真实的地物光谱混合过程。然而,限于模型的复杂性,目前在缺乏准确的端元先验知识的条件下进行双线性光谱解混仍是一项具有挑战性的任务。差分进化算法(DE)是一种具有良好全局搜索能力的群智能优化算法,其优化求解过程无需进行复杂的数学推导,为双线性光谱解混问题提供了一种有效的解决途径。为此,本文以FAN双线性混合模型为例,提出了一种双种群机制的差分进化算法(记为DEFAN),实现非监督双线性光谱解混。DE-FAN算法通过建立端元与丰度两个种群的交替进化机制寻找最优解,同时在迭代中引入自适应重构策略增强种群多样性,降低算法陷入局部最优解的风险,最终实现端元与丰度的同时估计。通过模拟图像及真实图像的解混实验进行算法检验,证明DE-FAN算法较之传统非线性解混算法具有更高的解混精度及解混效率。     

光谱解混误差分析下的端元数目估计算法

确定端元数目是混合像元分解中端元提取的前提.目前端元数目主要还是通过判读人员根据经验或者估计最优子空间的方法来确定,这些方法都没有从提高混合像元分解精度的角度出发进行端元数目估计.在分析漏选、多选端元时光谱解混误差的基础上,提出了一种基于光谱解混误差的端元数目估计算法,该算法在估计端元数目的同时可以实现端元提取.实验结果表明,该方法在低信噪比情况下仍能正确地估计端元数目,并且可以正确地提取端元.     

利用MODIS图像反演海岸与海岛的地物光谱反射率

提出一种利用MODIS图像,用查找表反演海岸与海岛地物光谱反射率的方法。该方法首先借助AHMAD辐射传输模型,由MODIS图像的水体像元反演出气溶胶的光学特性;在所选影像为晴空无云条件下,假设一定范围内的海岛与海岸上空的大气和水体上空的大气一样,借助6S辐射传输模型计算基于地物光谱反射率的查找表,然后由MODIS图像的陆地像元的反射率和几何条件加上反演的气溶胶光学厚度,用插值法可求得地物光谱反射率。还给出了厦门地区实际卫星图像的反演结果,并就反演误差进行了分析。