定量遥感

定量遥感是遥感应用深入发展的重要标志, 也是遥感发展的必然。本文综合论述了中国学院遥感应用研究所在定量遥感领域的最新进展和成果, 包括遥感辐射定标、遥感数据大气影响订正和气溶胶反演、遥感数据定量反演、遥感信息模型、定量遥感应用、定量遥感的科学问题和发展趋势等。     

CBERS-02卫星CCD图像的大气订正

用基于遥感器辐射定标参数和大气辐射传输模型计算的方法对CBERS-02卫星CCD图像进行了大气订正，较好地消除了CCD遥感图像中非目标地物的成像信息。为了消除目标邻近像元的影响，假定目标是处在某一特定反射率的大尺度参考背景下，然后再将反射率修正到实际背景中，通过这种方法获得的大气订正图像的细节部分更加清晰，对比度增强，大大改善了CCD图像的质量。     

BRDF大气影响订正环的收敛性研究

定量遥感要求对星载或机载遥感数据进行大气影响订正。精确的大气订正则需要知道下垫面的方向性反射（或辐射）特征,而这正是定量遥感所要知道的。这就形成了一个死循环。为了解开这个死结,ＭＯＤＩＳ可见／近红外产品采用了考虑地表ＢＲＤＦ的迭代订正。然而迭代订正的收敛性是有待研究的问题。胡宝新等用大量的模拟来表明该算法的收敛性,但模拟很难耗尽各式各样的可能情况。本文旨在从理论上研究该订正环的收敛性并阐明收敛的条件。     

大气程辐射遥感图像与城市大气污染监测研究

作为对地探测的遥感技术所获取的遥感图像包含了地面和大气信息,并且主要是地面信息.利用地面反射率分布图像将遥感数字图像中弱的大气信息与强的地面目标信息分离,生成仅仅包含大气信息的大气程辐射遥感图像.利用多(高)光谱遥感数字图像中不同波段的大气程辐射遥感图像可以不受地面干扰地对城市大气污染的类型和程度(气溶胶粒径和含量)进行遥感监测.在大气污染地面观测数据(可吸入颗粒物PM10浓度)的支持下,利用MODIS多光谱遥感数字图像生成的对应多光谱大气程辐射遥感数字图像,以上海市为例进行了城市大气污染遥感监测的原理方法研究.     

TERRA/MODIS热红外通道陆地晴空大气可降水分裂窗反演

大气水汽在遥感反演地表温度中起到关键作用,精确的大气水含量对于提升反演精度有着重要意义,而热红外方法是夜晚获得区域大气水汽含量的唯一方法。本研究采用热红外方法中的改良分裂窗算法,首先,使用TIGR大气廓线与MODIS波谱响应函数通过MODTRAN辐射传输模式进行模拟,将大气廓线的水汽含量与大气透过率进行回归;然后,根据MODIS数据产品特点,使用2015年夏季MODIS数据观测角小于20°的范围进行反演;最后,将白天反演水汽分别与全球GPS地基大气水汽观测网络和MODIS近红外水汽产品进行比较,均方根误差分别为5.5 g/cm2和6.4 g/cm2,显示了高度的区域一致性。由于MODIS观测角度较大,本研究未对其他角度进行反演,若对其余角度的MODIS数据进行反演,可根据余弦角度变化,针对不同角度范围进行模拟与回归。     

BRDF模型参数分阶段鲁棒性反演方法

遥感BRDF物理模型均建立于一定的假设或基于某些理想状况，其模拟的数据与观测数据之间多少会存在一些差异（误差）。利用BRDF模型反演地表参数时，如果不加选择地使用所有观测数据，势必会影响模型参数反演的准确度。遥感反演时一般都采用代价函数进行参数拟合。经典的最小二乘（LS）拟合代价函数对正态分布误差具有一定的抗干扰性，但是当观测数据含有异常值时却会导致反演结果的不稳定。最小中值平方（LMS）方法具有鲁棒性特点，反演时若将其作为代价函数，则可以有效地检测出观测数据中含有的异常值，从而可以使模型反演准确度提高。本文以遥感BRDF物理模型——SAIL模型为例，使用模拟数据与真实地面观测数据，构建LMS与LS两种代价函数，分阶段地进行地表参数的反演方法研究。结果显示，针对具有一定误差或模型不能完全表示的观测数据，本文采用的分阶段方法可以对模型参数鲁棒地反演。     

用蒙特-卡罗方法计算大气点扩散函数

大气效应的纠正是一个仍未被彻底解决的定量遥感问题,随着遥感器空间分辨率的不断提高,各种斜视星勒遥感不断涌现,寻找交叉辐射项的修正方法日显迫切,该文应用蒙特－卡罗（Ｍ－Ｃ）方法求得不同大气条件下的点扩散函数图形,结果显示：（１）大气状况对点扩散函数的形状、目标像元的贡献率有不可忽略的影响;（２）一次散射的假定将导致背景像元的贡献率,其绝对误差最大可达７％,其相对误差最大可达４０％;（３）斜视条件下与     

高分辨率机载遥感数据的交叉辐射影响及其校正

地表的复杂性在可见光/近红外波段体现在由非均匀造成的交叉辐射影响和非朗伯双向反射特性两个方面,为此利用MODTRAN4和大气点扩散函数的解析近似分析了低空机载测量中影响交叉辐射的各种因素。结果显示,对于机载测量,大气交叉辐射影响随测量条件不同而改变,需要实时计算。为此,将改进的大气点扩散函数的解析近似算法结合MODTRAN4辐射传输模型,设计了校正大气交叉辐射影响的算法。对AMTIS图像的处理结果显示,该算法提高了地表反射比的计算精度。     

6S辐射传输模型在校正哈尔滨市遥感图像中的应用

由于遥感器在空中获取地表信息过程中,受到大气成分吸收与散射的影响,测量值发生辐射失真。本文通过分析大气成分对辐射传输的影响,探讨遥感图像处理中大气校正的方法。     

基于ASTER数据反演我国南方山地陆表温度

 以贵州省黎平县山地植被覆盖区为例，基于ASTER遥感数据进行15 m分辨率的归一化植被指数制图和地表发射率制图，在利用 MODTRAN 4大气辐射传输模型进行大气订正的基础上，基于普朗克辐射方程的推导反演陆表温度，取得了较为理想的结果。     

大气中性点区域偏振效应的地—气参量研究

随着中国多颗偏振遥感器搭载发射,偏振遥感成为对地观测领域一个新的增长点以及研究热点。由于大气散射具有较强的偏振效应,大气与地表偏振信号的分离是偏振对地进行有效观测和应用的一个现实问题与难点问题。本文利用晴空中有规律的偏振分布以及大气偏振中性点的性质,对利用大气中性点的偏振效应进行地表—大气偏振信息分离的可行性进行了论证。通过对大气中性点在辐射传输过程性质的计算,得出Babinet大气中性点区域的偏振效应以及基于Babinet中性点区域进行偏振对地观测的基本方法,研究重点阐述了从航空遥感和航天遥感两个层面对如何将大气中性点应用于遥感观测进行了讨论。结果表明:(1)Babinet中性点相比于其他两个中性点,更适合于偏振遥感对地观测中地—气偏振参量分离;(2)航空遥感搭载偏振传感器在Babinet中性点区域进行地表探测可以消除大气偏振,突出地物偏振信息,有效进行地—气偏振参量分离;(3)在太阳同步轨道的卫星遥感影像上能够有效识别偏振中性点区域;研究成果有效分离高分辨率偏振遥感地物反演中的大气偏振耦合效应,实现地表偏振反射信息最大化,对于偏振遥感的大气校正以及定量化水平的提升具有实践意义。     

卫星遥感大气订正的参数化模式及其模拟应用

发展了一个用于卫星大气订正的参数化模式,包括一个新的程辐射亮度模式和一个参数化的朗伯地表一大气辐射耦合引起的亮度增量模式.应用最小二乘法,程辐射亮度被参数化为大气总光学厚度、一次散射反照率、太阳天顶角、视天顶角、方位角、大气不对称因子的函数.应用这一参数化的亮度模式进行大气订正应用的数值模拟,即进行卫星遥感地表光谱反照率的模拟试验.数值检验结果表明对于865 nm,670nm,550nm和412nm 4个MODIS通道,在0°-70°的太阳天顶角、0°-60°视观测角以及0.05-0.8的地表反照率条件下,参数化的向上辐射亮度的标准差小于4%,由该参数化亮度模式引起的地表反照率解的标准差小于0.03.     

热红外遥感中大气下行辐射效应的一种近似计算与误差估计

在热红外遥感中,大气下行辐射效应很难处理,原因是地表双向反射分布函数很难精确描述。因此常见的处理方法是在如下２ 个假设前提下对该项作做简化计算： 一是假设地表反射为朗伯体特性,二是大气下行辐射在半球空间内取常数。该文提出了一种在地表为非朗伯体、大气下行辐射为非各向同性等一般条件下近似计算大气下行辐射效应的方法。通过数值模拟表明：（１） 所采用的方法可以在放弃２ 个假设的前提下,更精确地计算热红外大气下行辐射效应的数值,计算精度比２ 个假设前提下的计算方法至少提高２０ ．５３ ％ ;（２） 该方法所带来的误差是大气模式、遥感器视角和通道的函数。其中,通道４ 的相对误差比通道５大,同一通道中模式５ 的相对误差最大,但最大可能相对误差不到８ ％ ,且随扫描角的增大而减小;（３） 大气下行辐射效应项占总辐射亮度值之比例在±３０°视角范围内一般不超过４ ％ 。     

高光谱热红外遥感：现状与展望

高光谱热红外数据中蕴含着丰富的长波光谱信息,可以更精细的揭示地气耦合过程导致的辐射变化,反映热红外谱段特有的地物诊断特征,同时高光谱特性也可以为热红外关键特征参数的病态反演问题提供更合理的假设和约束条件,具有重要的研究价值和应用前景。高光谱热红外遥感技术自诞生起,在吸纳多光谱热红外遥感技术的基础上迅速发展,成为热红外遥感领域的重要研究方向和突破点。然而,当前高光谱热红外遥感存在着可用数据不足,处理方法传统,反演精度有限,应用难以有效实施等问题。为进一步明晰高光谱热红外遥感的研究进展和现存挑战,本文在高光谱热红外相关文献深入分析的基础上,梳理了高光谱热红外研究的发展脉络和热点,介绍了现有国内外主要的高光谱热红外传感器,分析了高光谱大气效应校正、地表温度和发射率分离以及地气关键特征参数一体化反演的现状和问题,总结了相关典型行业应用,展望了高光谱热红外的发展方向,以期为未来高光谱热红外研究工作的开展提供借鉴和帮助。     

植被冠层立体结构与叶片倾角的偏振光效应

植被偏振特性研究对于植被监测与组分定量反演具有极其重要的作用。植被冠层的反射辐射具有偏振特性,这种特性与入射辐射和植被冠层结构相关。本文分析了偏振对光子—叶片—冠层之间细微相互作用及其变化的有效探测能力,并利用研究型扫描式偏振辐射仪RSP(Research Scanning Polarimeter)数据系统对比分析了偏振对不同叶倾角分布的估测。通过上述研究得出以下结论:(1)偏振观测能够对光线在冠层立体结构中的透射反射再出射过程给出精细刻画,若不用偏振手段对这一过程进行甄别并去除,则直接测算的植被散射系数会产生高达140%的误差;(2)利用偏振手段可以为高精度大倾角、多时相遥感观测提供可能,以此可改变目前光学遥感小角度、垂直观测的较严格约束;(3)偏振辐射呈现出随波长的稳定特性(相关系数0.96),使得利用偏振手段可以更好地研究冠层结构;(4)不同叶倾角分布对入射辐射存在不同的偏振反射,为利用多角度偏振信息进行遥感植被精细分类提供了新的途径。本文详细描述冠层结构和植被偏振特性的相互作用,通过对冠层立体结构与叶倾角的研究,刻画了植被定量遥感的方向性信息与高精度实现,为高分辨率遥感定量化的有效信息挖掘提供了新手段。     

遥感多维空间数据场特征的角度分析与应用

科学计算的可视化是空间数据场的可视化。标题、矢量、张量是线性电磁系统中定义多维数据的基本参数。从瞬变电磁系统的因果律出发，可以将遥感传感器对电磁波的响应看作是地表电磁场量的映射，像元是记录电磁场量的一种方式。由于电磁场量的线性关联，多波段遥感数字图像可以表示为多维空间数据场量。在多维向量空间中可以对数据场量进行度量、分解和构造向量角度函数。遥感多维空间数据场有效弱信息提取方法则是基于多维空间数据场角度分析展开的。     

航天高光谱遥感器CHRIS的水体图像大气校正

CHRIS(Compact High Resolution Imaging Spectrometer)是欧空局于2001年10月发射的PROBA-1卫星上搭载的探索性高光谱遥感器,它具备高空间分辨率、多角度观测、高光谱成像等特点,为水质遥感监测提供不可多得的数据源。基于卫星遥感图像定量监测水质,一个关键步骤就是进行精确的大气校正,提取水面反射率。相比陆地遥感图像,水面反射率是弱信号,对大气校正的要求更高。6S(Second Simulation of SatelliteSignal in the Solar Spectrum)和MODTRAN(MOderate resolution TRANsmittance code)是两种常用的大气辐射传输模型。本文选取基于6S的REMS(Remote Sensing Environmental Monitoring System)和基于MODT-RAN的ACORN(Atmospheric CORrection Now)两种大气校正软件,对太湖梅梁湾的三景不同成像角度CHRIS图像进行大气校正,将大气校正后的图像水体反射率与地面同步实测水体反射率进行比较分析。结果表明,经过大气校正的CHRIS图像得到的水面反射率与实测反射率波形十分地接近,在全部波长范围内的相关系数达到90%。分析实测的水体反射率角度特征,发现图像的角度特征更明显。三个观测角度下反射率之间的各差值都呈现出在绿光波段较大,在红光和近红外波段偏小的特点,这和实测结果相符。ACORN校正后的图像的角度特征更好地与实测结果吻合。     

多源数据协同定量遥感产品生产系统的领域模型

大数据技术中的一个难点是如何统筹多源异构的数据。在多源数据协同定量遥感产品生产系统中,不同传感器数据的协同使用为生产系统的各个环节都带来了许多的问题,例如异构数据文件的统一表示和调度,繁杂生产流程的统一抽象等。领域驱动设计是一种应对软件核心复杂性的设计方式。领域驱动是指在设计过程中经过不断的迭代,逐渐提炼出一套灵活优雅的领域模型。领域模型专注于分析问题领域本身,发掘重要的业务领域概念,并建立业务领域概念之间的关系。本文在不断实践的基础上提出了一组较成熟的领域模型,该模型用一种统一的方式解决了多源数据协同生产系统中各方面的问题,并显著地降低了系统集成的难度和工作量,且为新数据源的加入预留了灵活性。