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。     

发展几何光学遥感建模理论，推动定量遥感科学前行——深切缅怀李小文院士

李小文长期致力于遥感基础研究,是植被几何光学遥感建模的先驱。他创建了Li-Strahler几何光学模型,论文入选"国际光学工程学会(SPIE)"里程碑系列文集。以李小文为首席科学家,带领国内外科学团队,在植被二向性反射建模、热红外遥感辐射方向性建模、遥感信息尺度效应、定量遥感综合实验与真实性检验方面做出了卓越成就。本文总结了李小文的主要学术思想,对定量遥感相关研究进展进行了总结和回顾,对遥感科学及相关领域具有重要的借鉴和参考意义。     

高光谱热红外星上辐亮度图像模拟及初步应用

基于卫星数据的热红外图像模拟可以为热红外大气校正、地表温度和发射率反演和前期验证提供数据支撑,同时也可以为热红外传感器的波段设置和优化提供参考。热红外图像模拟是进行热红外定量遥感研究的有效手段。本研究利用Terra星上搭载的ASTER（Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer）遥感数据所反演得到的地表温度和发射率产品,基于高光谱辐射传输模型,模拟8—14 μm（714—1250 cm^-1）,波谱分辨率为0.25 cm^-1的星上TOA（Top of Atmosphere）高光谱热红外成像模拟数据。在此基础上,结合高光谱热红外图像数据的特点,实现了温度和发射率分离算法,以及对比了不同的基于图像的大气校正算法。结果显示,本文提出的热红外图像模拟方法可行,能够为评价不同的大气校正、温度和发射率分离算法提供有效的数据支撑。     

光学遥感三维计算机模拟模型的研究进展与应用

三维计算机模拟模型是遥感辐射传输机理研究的重要内容,在复杂地表正向模拟和遥感反演中扮演着重要角色。经过最近20年的发展,三维计算机建模研究取得了显著进展,在地表辐射传输过程分析、模型和算法的验证及遥感反演等方面应用广泛。为了更加充分理解三维计算机模拟模型的发展和模型间的差异,及探讨如何将其更好的应用于生活、生产,本文对三维计算机模拟模型在光学遥感的研究进行了综述。本文从模型的原理、应用和发展趋势3个方面展开了论述。首先,简要介绍了光线追踪方法和辐射度方法的原理及现有的模型;然后,对三维计算机模拟模型在遥感的主要应用进行了总结;最后,对模型未来的发展趋势展开了讨论,从运行效率、模拟精度和功能集成等方面存在的问题和需求出发,分析了三维计算机模拟模型发展和遥感应用的趋势。随着复杂地表遥感建模研究的深入,计算机技术的发展和多源遥感数据特别是高时空分辨率数据的应用,三维计算机模拟模型将在遥感理论研究和应用发挥更加重要的作用。     

城市区域几何效应的辐射校正及其温度遥感反演

开展适用于城市地区热红外遥感图像几何效应的辐射校正物理模型研究,对提升城区下垫面温度反演精度具有重要作用。本文利用天空视域系数SVF（Sky View Factor,V）量化城区下垫面几何特征,并考虑几何特征对地物目标辐射传输的影响机理。将遥感传感器入瞳处的辐射亮度分解为地物目标发射辐射、地物目标反射辐射以及大气上行路径辐射3部分,并分析了各部分辐射在“城区—大气”界面的辐射传输过程,构建适用于城市下垫面的热辐射传输UTRT（Urban Thermal Radiation Transfer）模型,可应用于城区热红外遥感图像的几何效应辐射校正。基于Landsat 8 TIRS（Thermal Infrared Sensor）数据,将UTRT模型应用于北京市典型城区地表温度的反演,并对UTRT模型和不考虑下垫面几何特征反演结果进行对比分析,结果显示：（1）研究区内UTRT模型反演结果数值上整体低于不考虑下垫面几何特征的反演结果,差值范围为0—1.57 K,均值为0.44 K;（2）通过对不同地表覆被类型的分析对比,模型结果差值较大的区域为建筑和裸地,其空间分布明显受V值的影响,在一定范围内,V值越大反演结果数值越低;（3）对UTRT模型天空视域系数和环境温度两个参数进行敏感性分析,在地表发射率较小的场景中V参数敏感性较强,由于环境温度与目标地物温度较为接近,其参数的敏感性较低。结论为：UTRT模型可为城市下垫面遥感图像几何效应的辐射校正提供解决方案,对比不考虑下垫面几何特征的模型,前者可以更好地应用于城区地表温度遥感反演。该研究对推进城市高分辨率热红外定量遥感具有发展潜力和应用前景。     

联合热红外与微波的作物辐射方向性模型研究

热红外遥感提供地表表层辐射信息为主,被动微波遥感可更好地提供植被和土壤背景垂直结构的辐射信息。结合热红外与被动微波遥感的优势协同反演植被和土壤组分温度是提高组分温度反演精度的一种思路。本文在对热红外辐射传输模型和微波辐射模型进行比较的基础上,构建均匀作物的统一场景,将统一场景的参数分为直接参数和间接参数。基于统一场景,修改微波辐射模型的场景结构及叶倾角分布,并增加组分温度参数以计算辐射亮温,最终构建热红外与微波辐射联合模拟模型(UEasmmes模型)。针对均匀玉米作物,利用UEasmmes模型进行联合模拟,分析了组分温度、组分发射率、叶面积指数LAI及叶倾角分布LAD对热红外与微波的方向性亮温DBT的敏感性响应差异。分析结果表明:协同热红外与被动微波遥感反演植被和土壤组分温度是可行的,但对于如何克服组分发射率、LAI及LAD对植被有效发射率的影响而导致的微波辐射亮温变化以及实现热红外表皮温度与微波等效温度之间的转化仍是需要深入研究和探讨的问题。     

2019年中国陆表定量遥感发展综述

为了更好地了解中国定量遥感的发展态势和加强同行之间的信息交流,根据中国学者2019年发表的SCI检索论文和部分中文论文,对陆表定量遥感的核心进展进行了总结,涉及数据预处理（云及其阴影识别,大气与地形校正）、陆表辐射传输建模、不同变量的反演方法、产品生产评价与精度验证,以及相关应用等内容。陆表变量产品较多,本文概要介绍了反射率、下行太阳辐射、反照率、地表温度、长波辐射、总净辐射、荧光遥感、植被生化参数、叶面积指数、光合有效辐射比、植被覆盖度、森林高度、森林生物量、植被生产力、土壤水分、雪水当量、雪盖、蒸散发、地表与地下水量等最新进展,也一并介绍了2019年与定量遥感相关的科研项目、学术交流会与暑假培训班等内容。     

福建省近海区域海面表层温度的卫星遥感应用研究

分析了海洋热红外辐射的传输特性,建立了海温定量反演计算的统计回归模型,介绍了福建省近海区域海温产品生成业务化软件系统及其应用情况。     

对于定量热红外遥感的一些思考

作者根据在热红外遥感工作中的长期实践经验,介绍了热红外遥感的现状,特别指出了定量反演地表温度的难点---地物比辐射率的测定和区域范围内的比辐射率估算。文中提出了定量热红外遥感研究中常见的一些问题。最后,讨论了定量热红外遥感的未来发展趋势和目前现实工作的对策,旨在抛砖引玉,以求得热红外定量遥感的发展。     

3维场景植被冠层多波段模拟研究进展

植被冠层辐射散射信号中蕴含了丰富的植被信息,通过构建植被冠层辐射散射模型,可以实现植被结构等生物物理参数的遥感定量反演。迄今为止,可见光/近红外、热红外、微波波段均已发展了大量的模型,这些模型在参数反演方面各具优势,但不同波段的模型又有其自身的局限性。跨波段的联合模拟可以实现模型间的优势互补,进而提高地表参数的反演精度,近年来已有学者专注于可见光/近红外与热红外模型,热红外与微波模型,主被动微波模型,以及可见光/近红外与微波模型的联合模拟和协同反演,但多是两两联合,且主要是基于经验模型或解析模型。基于3维场景的植被冠层辐射散射特性模拟模型可以细致刻画不同组分的结构和空间分布特征,对于由植被结构引起的多次散射和组分比例变化的考虑具有优势。本文主要介绍了3维模拟模型在可见光/近红外、热红外和微波波段,以及跨波段联合模拟方面的研究进展,从模型机理、场景统一、以及组分理化参数的统一的角度,探讨了构建多波段3维模拟系统的可行性,展望了多波段3维模拟模型的发展趋势。     

业务化MODIS BRDF模型对冰雪BRDF/反照率的反演能力评估

全球MODIS冰雪反照率产品在定量遥感中有着广泛应用,但由于该产品的业务化算法是建立在表征植被—土壤系统基础上的罗斯表层(RT)李氏稀疏互易核(LSR)的二向性反射分布函数(BRDF)模型(简称为RTLSR),因此该模型对冰雪的二向性反射及反照率的反演能力有待评估。本文基于地球反射极化和方向测量仪(POLDER)的多角度冰雪反射率数据,综合评估了RTLSR模型在表征冰雪二向反射及反演反照率等方面的能力。为量化评估结果,本研究基于渐进辐射传输(ART)模型,从POLDER冰雪数据中筛选出高质量数据,使用ART模型拟合的高质量结果作为参考,比较结果表明:(1)在表征冰雪方向性散射方面,RTLSR模型整体拟合精度较低。在1020 nm波段,其均方根误差(RMSE)最大可达到0.0498,相较于ART模型的拟合结果偏高了约53.70%;(2)在反演冰雪反照率方面,RTLSR模型与ART模型反演结果也存在差别,其决定系数为0.529,均方根误差为0.0333,偏差为-0.0274,基于RTLSR模型的反演结果低估了ART模型的反演结果。为了使核驱动模型能更准确地表征冰雪BRDF特征和反演反照率,该模型需要针对冰雪散射特点进行进一步的发展。     

热红外遥感器温度灵敏度提升手段简析

热红外遥感器主要使用遥感手段感应地物热红外辐射信息,可用于识别地物和反演地表温度参数。由于热红外遥感器在夜间的工作工作能力优于可见光,且环境适应性好,已广泛应用于资源调查、生态环境监测、灾害评估以及军事目标探测识别等领域。随着工程应用及科学研究的不断深入,提升热红外遥感器的探测灵敏度需求日益迫切。热红外遥感器的温度灵敏度与遥感器自身收集目标能量的能力和遥感器系统噪声特性相关。其中,遥感器系统噪声由光子噪声（景物辐射和遥感器本体背景辐射共同到达焦平面处的光子的波动）、探测器组件噪声、电路噪声共同组成。在成像谱段、积分时间、探测器及视频电路参数固定的条件下,光学系统降温能够减小其自身背景辐射,降低光子噪声,提升系统的温度灵敏度。本文通过仿真分析量化了光学系统辐射与光路设计、光学系统工作温度以及探测器冷屏设置的关系,并以某热红外遥感器为例验证了光学系统温度对热红外遥感器温度灵敏度的影响。文中的仿真分析方法和验证情况对于热红外遥感器的设计研制有参考意义。     

基于IDL的ETM＋大气校正与反射率反演

卫星遥感数据的大气辐射校正是定量遥感的基础。目前大气辐射校正方法的局限性已经严重影响了定量遥感科学的发展。本文详细阐述了黑暗像元原理及其算法、模型参数的确定及处理流程,利用IDL语言完成成都地区ETM＋卫星遥感数据大气辐射纠正,同时实现了地表反射率反演。     

利用遗传算法优化神经网络实现混合像元组分参数的反演

采用热红外多波段遥感数据反演陆面温度(LST),由于波段间信息高度相关,以及难以直接反演混合像元组分温度,使得LST的反演精度和应用价值都受到很大的限制.在建立非同温混合像元热辐射方向性模型基础上指出,热红外多角度遥感提供了反演组分温度的可能性,但是,由于该模型是采用蒙特卡洛方法模拟而建立起来的数值概念模型,采用一般反演方法很难同时提取所有参数信息.为了有效获取各参数信息,使用神经网络模型.由于待反演参数中,组分温度、土壤比辐射率和叶面积指数(LAI)都是多角度辐射亮度的非线性函数,然而,使用经典的误差后传(BP)算法容易陷入局部最优解区域;虽然遗传算法(GA)可以搜索到全局最优解,但在微机上实现算法速度太慢,因此,采用GA训练神经网络,得到网络权重,然后再以GA训练得到的权重作为BP算法的初始权重,继续训练神经网络,直到获得满意结果.这样既可以发挥BP算法快速寻优的特点,又能得到网络权重的最优组合.数值模拟的结果表明,基于非同温混合像元热辐射方向性模型,采用GA优化的神经网络模型反演多维参数效果比较理想.     

辐射传输模型模拟与深度学习结合的高分一号卫星植被光合有效辐射吸收比例产品反演算法

植被光合有效辐射吸收比例FPAR (Fraction of absorbed Photosynthetically Active Radiation)是碳循环光能利用率模型中的关键参数之一。高分系列卫星的发射，为反演定量遥感产品提供了高时空分辨率的卫星遥感数据，基于高分数据的植被光合有效辐射吸收比例产品能够为生态系统碳循环的分析评估提供更加精细、精度更高的输入参数产品。本文发展了一种基于深度学习的光合有效辐射吸收比例反演方法。该方法利用SAIL(Scattering by Arbitrarily Inclined Leaves)模型模拟多种太阳入射角度、观测角度、大气条件下的植被冠层光合有效辐射吸收比例及冠层反射率，形成海量输入—输出模拟数据集，具有鲁棒性及更好的普适性；基于深度信念网络对数据集进行训练，得到高分一号（GF-1）卫星光合有效辐射吸收比例遥感反演模型。利用中国科学院怀来遥感综合试验站及黑河流域地表过程综合观测网FPAR地面站点连续观测数据对玉米作物、芦苇草地等下垫面反演的FPAR进行了对比验证，RMSE分别为0.15和0.17。本方法以辐射传输模型模拟的多维大气及地表输入...     

Landsat卫星热红外数据地表温度遥感反演研究进展

作为驱动地表与大气之间能量交换的关键物理量,地表温度在众多领域中都发挥着重要作用,包括气候变化、环境监测、蒸散发估算以及地热异常勘探等。Landsat热红外数据因其时间连续性和高空间分辨率等特点被广泛应用于地表温度反演中。本文详细地介绍了Landsat热红外传感器及其可用的数据与产品的现状,梳理了2001年—2020年20年间基于Landsat热红外数据的地表温度遥感反演与应用的相关文献发表及互引情况,系统地综述了基于Landsat热红外数据的地表温度反演算法,包括基于辐射传输方程的算法、单窗算法、普适性单通道算法、实用单通道算法和分裂窗算法等。在此基础上,进一步介绍了每种算法的参数化方案,包括地表比辐射率和大气参数的估算方法。最后针对Landsat热红外数据地表温度遥感反演提出了未来可能的发展趋势与研究方向。     

基于6S模型的环境星CCD数据大气校正

应用6S辐射传输模型建立查找表,对环境与减灾小卫星CCD数据进行大气校正。结果表明:校正后的图像更加清晰,对比度增强;与实测光谱对比,处理后的环境星数据可以更真实地反映地物反射特征,消除了NDVI信号在大气传输过程中的衰减效应,更好地复原了地表植被覆盖的真实状况。通过讨论,提出对于HJ-1-A的CCD数据,可以考虑通过同星搭载的高光谱传感器进行气溶胶光学厚度反演;对于HJ-1-B的CCD数据,可以采用对比方法反演气溶胶光学厚度,进而作为模型的输入来提高大气校正精度,以及考虑地表二向性反射现象来提高大气校正精度。     

中国陆地区域陆表温度业务化遥感反演算法及产品运行系统

地表温度反演的裂窗算法已成功应用于NOAA系列卫星热红外遥感数据。目前，裂窗算法中应用较为广泛的一种是Becker等人于1990年提出的局地裂窗算法，主要是通过辐射传输模型模拟不同地表条件和大气状况下，地表温度和发射率对红外辐射亮温的影响，从而发展出一个利用AVHRR4，5通道亮温数据反演地表温度的线性模型。在晴空无云和地表比辐射率能精确估算的情况下，Becker算法反演地表温度的精度在1K以内。Becker算法用Lowtran程序模拟计算地表辐射量，且模型中参数主要针对NOAA-9传感器特性得到。本文在Becker算法的基础上，针对NOAA-16／17传感器热红外通道光谱响应函数特性，利用最新的、计算光谱分辨率更高的MODTRAN程序模拟不同大气状况下，不同地表温度和发射率对NOAAAVHRR4，5通道辐射亮温响应特性的影响，改进Becker算法中模型参数，使之能适用于NOAA-16／17热红外数据。同时，本文利用植被指数NDVI，在中国陆地区域lkm分辨率最新地表分类数据的基础上，得到模型中需要的地表比辐射率参数，将改进的模型应用于1km分辨率NOAA17数据，得到了旬合成中国陆地区域范围地表温度，通过地面气象台站实测数据对比验证．取得了较好的结果。     

基于气象遥感Priestly-Taylor模型的蒸散发估算——以天津市蓟州区为例

基于Landsat-8数据,采用遥感Priestly-Taylor模型分别估算蓟州区的净辐射通量以及归一化植被指数,进一步计算蓟州区日蒸散发量.区域蒸散发的遥感反演主要解决以下两个问题:一是遥感地表温度的反演;二是估算各类遥感模型所需的地表参数(叶面积指数、NDVI、地表阻抗等),结合物理模型或者半经验公式估算区域蒸散...     

高分数据辅助下的热红外遥感影像几何校正

随着热红外遥感技术的不断发展,热红外遥感影像在地表温度反演、森林火灾监测、矿物探测等方面应用广泛,而在这些应用中,热红外影像的几何校正是重要的基础性技术。利用高分二号卫星空间分辨率高的优势,通过研究分析异构载荷的成像差异与关联,提出了一种模拟影像与特征匹配相结合的方法。该方法立足高分辨率光学影像,以地面辐射基础数据为条件,首先从热红外辐射角度进行影像模拟形成过渡影像,并将其用于辅助热红外影像几何校正;然后利用尺度不变特征变换(scale invariant feature transform, SIFT)算子实现特征点的检测,从而获取同名点,提高热红外影像的几何校正精度。