定量遥感基础
定量遥感基础
定量遥感基础定量遥感的定义是什么物质、分布在什么地方、有多少？定量遥感应用★ 为国民经济持续稳定发展提供动态基础数据和科学决策依据★ 为国家重大自然灾害提供及时准确的监测评估数据及图件★ 持续不断地开展再生资源的监测、预测和评估★ 地质矿产资源调查与大型工程评价★ 天气预报和气候预测★ 海洋监测和海洋开发★ 土地适用性评价、生态评价和工程评价区域生物碳循环数值天气预报全球变化作物受胁状况及估产上述时空多变要素是这五大相关领域迫切需要。
获从而推动这些领域的发定量遥感与各学科之间的关系定量地学描述观测时空尺度数学计算机科学环境保护，全球变化，减灾防灾分形、分维...反演、优化...定量遥感的主要研究内容定量遥感的主要研究内容�1、遥感机理模型的建模研究；�研究遥感像元尺度上，适用的遥感模型，�研究描述新型传感器信号特征与地表参数关系的模型，�研究模型在不同空间尺度上的尺度效应和尺度转换原理与方法定量遥感的主要研究内容�2、地表参数的模型反演与陆地遥感数据的同化研究；�利用遥感数据和地表参数背景知识，提取地表时空多变参数的模型和算法，研究遥感物理模型与相关领域应用结合中模型的连接与模型参数的转换方法，使遥感数据产品能满足应用的需求。
定量遥感的主要研究内容�3、新型传感器的定标技术研究，智能化处理技术与方法研究；时空多变地表参数反演结果的验证方法研究，遥感数据产品的真实性检验研究。
定量遥感面临的主要问题定量遥感面临的主要问题尺度效应问题角度问题病态反演问题不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺度，并不一定是距离越近越好，观测越细微越好。
观察地物需要适当的距离和比例尺，才能有效、完整地观察。
尺度效应问题病态反演问题定量遥感的反演问题，简言之，就是根据观测信息和前向物理模型，求解或推算描述地面实况的应用参数(或目标参数)。
而定量遥感反演的困难，在于应用参数往往不是控制遥感信息的主导因子，或者说是非敏感参数，只能为遥感信息提供弱信号。
定量遥感基础理论
不对称因子g与散射粒子的尺度有关，粒子越大，不对 称因子g就越大
瑞利散射： g=0； 沙尘暴散布射： g>0.8
前向散射：
k
s 4
(1
g)
后向散射：
k
s 4
(1
g)
相函数的近似计算公式
Henyey与Greenstein相函数近似公式：H-G相函数近 似公式
E() E0 () exp e ()L
此即为比尔（Beer)定律，辐射传输和遥感应用的一个基本定 律,也称布格-朗伯定律（Bouguer-Lambert)。
§5.4.7 有关辐射传输的重要物理量
光学厚度
指数中的积分为称介质的光学厚度：
()
z2 z1
e
(,
z)dz
均匀介质的光学厚度可简化为：
概念分析与数理统计结合的方法
即根据经验提出定量概念，然后对量化的概念 进行统计分析——经验模型、统计模型
几乎可以解决所有的地理问题，但须以大量的 实验之上，将定性问题量化，
物理学概念、机理不清，模型适应性差 研究程度也最低。
量纲分析与数理统计结合的方程
即把主要地理因子之间的关系通过量纲分析的 方法求得无量纲因子团，再对因子团进行统计 分析。
§5.4.7 比尔(Beer)定律
辐射在介质中传播时，因与介质相互作用（散射、吸
收）削弱。设强度为E()的光辐射通过厚度为 dz 的 介质后，其强度变化为 E() dE() 则：
dE() E()e (, z)dz
两边积分得：
E() E0 () exp
z2 z1
e
(,
z)dz
若为均匀介质，其厚度为L，则有：
中科院遥地所定量遥感_第一讲_光学遥感基础
1.1 方向性反射光谱的定义与测量
(3) 方向－半球反射率波谱：入射能量照明方式为平行直射光，没有
或可以忽略散射光；波谱测定仪器测定的半球空间的平均反射能量。利用 积分球原理测定的物体反射率波谱就是方向－半球反射率波谱。
Lu (i , i ) 0 E (i , i )
2
Reflectance (%)
2003-07-19
Reflectance (%)
20 15 10 5 0 350 R01-G R01-H R01-Z
20 15 10 5 0
01漫 01-G 01-H 01-Z
850
1350 1850 Wavelength (nm) 2003-07-28
2350
350 40 35 30 25 20 15 10 5 0 350
第一讲 光学遥感概述与基础
第1节 光学遥感与反射率 第2节 典型光学成像系统 第3节 遥感数据资源 第4节 光学遥感瓶颈问题与挑战
刘良云
2014年4月1日
第一节 光学遥感与反射率
Wave model of electromagnetic Radiation
Q1：电磁波作为横波，与纵波相比，什么信息在遥感中能够发掘？
L( r , r ) (i , i , r ,r ) E (i , i )
dLT ( r , r , ) BRDF( i , i , r , r , ) dE( i , i , )
1.1 方向性反射光谱的定义与测量
(2)半球－方向反射率波谱：入射能量在半球空间内分布，波谱测定仪
L
E
由于测定方式的差异，反射率波谱又可以根据入射能量的照明方式及反射能 量测定方式给定如下4种定义：
定量遥感基础课程设计
定量遥感基础课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解定量遥感的概念、原理及应用领域；2. 掌握遥感数据的基本处理方法，包括图像预处理、图像增强和图像分类；3. 学会运用定量遥感技术进行地表参数反演和生态环境监测。
技能目标：1. 能够运用遥感软件对遥感数据进行基本的操作和处理；2. 培养学生运用定量遥感方法解决实际问题的能力；3. 提高学生的数据分析、图像解译和空间思维能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对定量遥感学科的兴趣，激发学生主动探索科学问题的热情；2. 培养学生严谨、务实的科学态度，提高学生的团队合作意识和沟通能力；3. 增强学生保护生态环境的责任感，使学生认识到定量遥感在资源、环境等领域的重要作用。
课程性质：本课程为自然科学领域的一门基础课程，旨在教授学生定量遥感的基本理论、方法和技术。
学生特点：学生具备一定的地理信息系统（GIS）和遥感基础知识，具有较强的学习能力和实践操作能力。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力和解决问题的能力。
通过本课程的学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关课程的学习和实际应用奠定基础。
二、教学内容1. 定量遥感基本概念与原理- 遥感概述- 定量遥感基本原理- 遥感数据类型与特点2. 遥感数据预处理- 数据获取与导入- 图像校正与配准- 图像增强与滤波处理3. 遥感图像分类与分析- 监督分类与非监督分类- 精度评价与分类后处理- 目标提取与变化检测4. 地表参数反演- 反演原理与方法- 模型建立与参数优化- 应用案例分析5. 生态环境监测- 生态环境遥感监测方法- 指标体系与评价方法- 应用案例分析6. 实践操作与案例分析- 遥感数据处理与分析软件操作- 实际遥感数据案例分析与讨论- 团队合作与成果展示教学内容根据课程目标进行科学性和系统性的组织，涵盖定量遥感基础理论、方法、技术及其应用。
教学大纲明确各部分内容的安排和进度，结合教材相关章节，确保教学内容与课程目标紧密关联。
关于植被定量遥感中的两个基本问题
ρ ′′ 令 x= ρc′′
0.6
′′ ρc ′′ 0.5 ρv
0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
1
2
3 LAI
4
5
6
X与LAI的关系
D.反演策略 数据源：
遥感：高光谱，多角度 由于BRDF在可见光近红外波段据具有极其相似的 空间分布特征（碗边，热点，冷点），所以高光谱 与多角度不能相互弥补以减少未知数。高光谱用于 去噪，680-710nm用于计算X值 先验知识 G，LAD，A（A1，A2）， θi ， θ v ，ϕ
= L1 Lg K g +Lc K c + L z K z + L t K t
L1 ρ = µ0 F0 +E d
1
1 K c + Kt + K g + K z =
Ed µ0 F0 +E d
令 α=
因此，ρ = ρ c ( K c + α K t ) + ρ g K g + α K z
1
m
(
)
c. ρ 的作用是增加反射率，增强碗边效应，因此可以采用适当的近似
北京大学2010年定量遥感精品课程
关于植被定量遥感中的 两个基本问题
俆希孺 教授 2010.6.27
目录
一、关于遥感反演LAI的问题 二、关于混合象元信息分解问题
一、关于遥感反演LAI的问题
I的定义
连续植被
LAI a = LA A1
A1 A2
= LAIT LA ( A1 + A2 )
ρm = ?
普遍适用
滤除背景
波段选择
′′ ρg ′′ ρc
第五章 定量遥感
遥感：高新技术驱动的对地观测的一场
革命
观测时空 尺度 计算机科学
生态学 化学 物理学 定律、定理 尺 度 效 应
定量地学描述 遥感科学 定量遥感
分形、分维... 反演、优化...
数学
国民经济持续发展，社会需求， 环境保护，全球变化，减灾防灾
基础科学、应用基础科学
尺度效应：
不同分辨率遥感图像之间关系： 观点1：简单平均，没什么好研究的 观点2：不是简单平均。取决于地表状况，目标（地 学）参数 的 性质——我们的观点。
第五章 定量遥感
主要内容
5.1 定量遥感的基础 5.2 定量遥感的研究内容 5.3 辐射校正 5.4 大气校正 5.5 定量遥感的建模 5.6 定量遥感反演
5.1 定量遥感的基础
5.1.1 定量遥感的分类
5.2 定量遥感研究的主要内容
辐射定标 大气校正
定量遥感模型与反演
混合像元问题 尺度问题 多角度遥感
2）尺度问题与遥感科学
二十多年前，美国地学界爆发了一场“路 线斗争”。当时的 美国地理学会会长著文批
评一批较年青的地理学家以计算机和遥感 为技术手段，打着科学的旗号，篡改地理 学作为一种描述性艺术的实质。以加洲大学
圣巴巴拉分校（ UCSB ）为首的一批地理学家， 如Simonett，Estes，Strahler，Dozier等数十人联 名著文反驳，一时非常热闹。
5.2.1 定量遥感中的尺度问题
1） 地学中的尺度问题
全球变化的研究面向一系列重大全球性环境问题，提出了大 量的关系到地球可居住性的重要科学问题，因而所涉及的范 围极其广泛，具有高度综合和交叉学科研究的特点。叶笃正 先生曾指出，“全球环境是一个不可分割的整体，
定量遥感考试讲解
1 定量遥感的定义定量遥感是利用遥感器获取的地表地物的电磁波信息，在先验知识和计算机系统的支持下，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，定量地反演或推算出某些地学、生物学及大气等目标参量的技术。
2 定性遥感与定量遥感对比A 定性遥感的主要目的是地物分类，遥感制图等；而定量遥感的目的是准确获取目标地物的参量。
B定性遥感多采用图像增强、彩色合成等技术，利用监督分类、非监督分类等技术进行影像的判读等；定量遥感则更多的是利用建模与反演技术进行参数的获取。
C定性遥感对辐射定标、大气校正的精度要求不高；而这两个过程的精度是影响定量遥感的主要因素。
3 定量遥感研究内容A 辐射定标：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辐射亮度值之间的定量关系。
B 大气校正：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。
C 定量遥感模型及反演：遥感模型是从抽取遥感专题信息的应用需要出发，对遥感信息形成过程进行模拟、统计、抽象或简化，最后用文字、数学公式或者其他的符号系统表达出来。
分物理模型、统计模型和半经验模型.D 混合像元问题E 尺度问题：四个尺度:制图尺度或地图尺度地理尺度分辨率运行尺度尺度效应（名词解释考）：当空间数据经聚合而改变其单元面积的大小、形状和方向时，分析结果也随之变化的现象。
在定量遥感中，不同像元大小会产生不同的分析结果。
F 多角度遥感: 是指从两个以上的观测方向对下垫面进行观测，从不同的视角获取地表物信息. 可获得更为详细可靠的地表三维空间信息，可以提高地表目标物的解译精度和参数反演的准确度；4 定量遥感面临的主要问题.1 方向性问题：二向性反射是自然界中物体对电磁波反射的基本宏观现象．即反射不仅具有方向性，这种方向性还依赖于入射的方向。
.2 尺度效应与尺度转换问题：尺度转换：是指将某一尺度上所获得的信息和知识扩展到其他尺度上的过程互易原理失效的条件:(判断)在像元尺度上，空间均匀的入照产生空间不均匀的反射，且明暗两区之间串线不对称，则互易原理在像元尺度上失效。
定量遥感分析方法-赵英时
二、定量遥感的基本概念 -- 续
如：反推植被参数 C = g (R、a、b、d、e) + ε。 为了求出{C}，往往需要对系统参数{ a、b、d、e } 假设为 或可测或已知，或对于复杂过程进行分解简化 --- 如通过辐射 纠正、大气校正分别解决{e}、{b}的影响，而大气校正又与 {c } 、{d } 相关。
Washington, D.C.
Landsat/TM（30m）＋ KVR-1000 （2m）
IRSA CAS
新疆 吐鲁番地区 火焰山
CBERS-1多光谱数据（20m）与 SPOT全色数据（10m）高通滤波融合结果
遥感所
TM 543 (RGB)
1997.9.18
Radarsat / SAR
1997.9.6
观测角度对表面温度的影响
1. 方向性与多角度遥感 – 续 （2）多角度遥感 多角度遥感 实现了对地面目标的多方向观察，可以获 得多角度数据。通过反射与发射辐射的方向性BRDF模型
（如 RT 模型、GO 模型、Ambrals 模型及物体热辐射方向性模 型等）的研究和应用。我们可以从多角度遥感数据中，反
* 参考教材：赵英时等，遥感应用分析原理与方法（第二版），科学出版社，2013
一、遥感面临的问题
EOS 2000G / 天
需要 认识
？
海量遥感数据
利用率仅达 5%左右
改善遥感 监控作物生长需要 LAI、 数据源 Cab 、Ws、Wv等；但 目前遥感所能提供的 供需矛盾 VI 、CWSI 等难以满 发展数据 ？ 足农学、生态学模型的 处理方法 需求。
2013 全国遥感研究生暑期班
定量遥感分析方法
赵英时
中国科学院大学
2013 年 7 月 17日
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定量遥感传统的研究方法的及新的学术思想
国外研究现状 遥感信息 产生机理 辐射传输理论 新的学术思想 几何光学
尺度变换、 尺度效应 尺度变换、 尺度效应 点—面信息转换 和尺度纠正 反演 应用 最小二乘法 第三公设” 受“第三公设 第三公设 的局限 病态反演 以应用需求为 驱动力
定量遥感的反演问题是一个病态反演问题 病态反演就要求知识库的支撑： 病态反演就要求知识库的支撑： 中国典型地物结构波谱库 数字地形模型库 地表覆盖类型库
遥感定量化的推动作用
遥感定量化推动遥感仪器研究向更高精度、 更高稳定性方向发展。 仪器的精度、灵敏度、动态范围、内部校准、 稳定度等要能满足定量的要求。
简言之， 定量遥感的反演问题 ， 简言之 ， 根据观测信息和前向物理模型， 就是根据观测信息和前向物理模型， 求解或推算描述地面实况的应用参 或目标参数)。 数(或目标参数 。 或目标参数 而定量遥感反演的困难，在于应 用参数往往不是控制遥感信息的主 或者说是非敏感参数， 导因子 ， 或者说是非敏感参数 ， 只能为遥 感信息提供弱信号。 感信息提供弱信号。
目前国际上对地遥感反演的主流仍坚持沿 用高斯的 最小二乘法 ， 坚持“ 定量遥感反演 坚持“ 的必要条件是独立观测的个数大于未知数的个 简称“ 。 数”(简称“第三公设”)。 简称 地表是一个复杂的开放的巨系统，未知的 地表是一个复杂的开放的巨系统， 参数几乎是无穷的，而遥感数据总是有限的， 参数几乎是无穷的，而遥感数据总是有限的， 接受第三公设，采用最小二乘法， 接受第三公设，采用最小二乘法，其结果是只 能估计最敏感的少量几个参数， 能估计最敏感的少量几个参数，而这几个参数 往往不包括应用所需的时空多变要素.
定量遥感基础
是什么物质、分布在什么地方、有多少？ 是什么物质、分布在什么地方、有多少？
定量遥感应用
★ 为国民经济持续稳定发展提供动态基础数据
和科学决策依据
★ 为国家重大自然灾害提供及时准确的监测评
估数据及图件
★ ★ ★ ★ ★
持续不断地开展再生资源的监测、预测和评估 的监测、 地质矿产资源调查与大型工程评价
天气预报和气候预测 海洋监测和海洋开发
土地适用性评感应用
反照率 地表温度 叶面积指数 叶绿素含量 土壤水分含量 地表蒸发 强烈需求 有力推动
干旱地区缺水状况 区域生物碳循环 数值天气预报 全球变化 作物受胁状况及估产
上述时空多变要素是这五大相关领域迫切需要。获 取上述要素的时空定量分布，从而推动这些领域的发 展。
推动了大气探测遥感技术的发展； 要求精确获取电磁波辐射信息在大气中 传输特性，气溶胶、水汽的测量。
推动了各类应用模型的发展 为了更好的应用定量遥感信息，许多应用模 型相继出现，如全球系统模型、作物估产 模型、土壤水分监测模型、干旱指数模型、 归一化温度指数模型、森林积蓄量估算模 型等。
推动了基于场地的绝对辐射定标的发展； 推动了计算机处理技术的发展； 各类图像处理和雷达软件的开发。
定量遥感本质上是欠定问题 ， 必须综
合考虑未知参数的敏感性与不确定性， 合考虑未知参数的敏感性与不确定性 ， 尽量把遥 感获取的宝贵信息分配给时空多变要素， 感获取的宝贵信息分配给时空多变要素 ， 而不是 反复反演相对稳定、 相对已知的敏感因素、 反复反演相对稳定 、 相对已知的敏感因素 、 在低 水平上重复。 水平上重复。
最小二乘法是解决超定问题的基本方法
遥感获取信息的瞬时性、 ， 遥感获取信息的瞬时性 、 有限性和地表遥感模 型的复杂性， 型的复杂性 ， 使我们不能把解决超定问题的成熟 办法当作教条。 办法当作教条 。 所以我们对传统的遥感反演理论 提出了挑战， 的 第三公设 提出了挑战 ， 并且已有一些创造性 的解法。 的解法。
1、遥感机理模型的建模研究； 遥感机理模型的建模研究；
研究遥感像元尺度上，适用的遥感模型， 研究遥感像元尺度上，适用的遥感模型， 研究描述新型传感器信号特征与地表参数关系的 模型， 模型， 研究模型在不同空间尺度上的尺度效应和尺度转 换原理与方法
定量遥感的主要研究内容
2、地表参数的模型反演与陆地遥感数据的 同化研究； 同化研究； 利用遥感数据和地表参数背景知识， 利用遥感数据和地表参数背景知识，提取 地表时空多变参数的模型和算法， 地表时空多变参数的模型和算法，研究遥 感物理模型与相关领域应用结合中模型的 连接与模型参数的转换方法， 连接与模型参数的转换方法，使遥感数据 产品能满足应用的需求。 产品能满足应用的需求。
定量遥感的主要研究内容
3、新型传感器的定标技术研究，智能化处 新型传感器的定标技术研究， 理技术与方法研究； 理技术与方法研究；时空多变地表参数反 演结果的验证方法研究， 演结果的验证方法研究，遥感数据产品的 真实性检验研究。 真实性检验研究。
定量遥感面临的主要问题
尺度效应问题 角度问题 病态反演问题
尺度效应问题
不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺 并不一定是距离越近越好， 观测越细微越好。 度 ， 并不一定是距离越近越好 ， 观测越细微越好 。 才能有效、 观察地物需要适当的 距离 和 比例尺 ， 才能有效 、 完整地观察。 完整地观察。
角度问题
草 色 遥 看 近 却 无
病态反演问题
遥感应用对遥感信息定量化的指标要求
定量遥感在多学科交叉中的定位
传感器、 高新技术(传感器、平台设计制造) 观测时空 尺度 生态学 化学 物理学 定律、 定律、定理 尺度效应
定量地学描述
分形、分维...
计算机科学
定量遥感
反演、优化...
数学
环境保护，全球变化， 环境保护，全球变化，减灾防灾
定量遥感的主要研究内容