遙感數(shù)字圖像處理2013dipa05

1、 劉 勇 2021年4月26日1.基本概念2.地表反射率3.植被指數(shù)4.葉面積指數(shù)5.地表溫度6.蒸散發(fā)2022年4月27日2定量遙感定義：定量遙感是利用遙感傳感器所獲取的地表電磁波信息，在先驗(yàn)知識(shí)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持下, 通過(guò)數(shù)學(xué)的或物理的模型將遙感信息與觀測(cè)地表的目標(biāo)參量聯(lián)系起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)定量化反演或推算出某些地學(xué)目標(biāo)參量的目的（李小文，2005）。2022年4月27日3定量遙感遙感信息模型經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型：建立遙感參數(shù)與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的線性回歸方程。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便、適用缺點(diǎn)：參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系缺少物理學(xué)上的可靠依據(jù)。物理模型：基于物理原理，模型參數(shù)的物理意義明確，包括輻射傳輸模型、幾何光學(xué)模型、作

2、物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型等。此類模型通常是非線性的反演模型。具有病態(tài)反演的性質(zhì)，輸入?yún)?shù)多，以光譜反射率作為結(jié)果輸出變量。半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ɑ旌夏Ｐ虷ybrid）：兼具統(tǒng)計(jì)模型和物理模型的優(yōu)點(diǎn)。模型所用參數(shù)具有一定的物理意義，并具有很好地解決應(yīng)用問(wèn)題的能力。2022年4月27日4定量遙感2022年4月27日5環(huán)境定量遙感2022年4月27日6環(huán)境定量遙感2022年4月27日7環(huán)境定量遙感2022年4月27日8環(huán)境定量遙感2022年4月27日9環(huán)境定量遙感基本概念方向反射性鏡面反射朗伯體（Lambertian）：對(duì)于漫反射面，當(dāng)入射照度一定時(shí)，從任何角度觀察反射面，其反射亮度是一個(gè)常數(shù)，這種反射面稱朗伯面。二

3、向反射性分布函數(shù)（BRDF）半球反射率（hemispheric reflectance）行星反照率（planet albedo）表觀反射率（Apparent reflectance ）：地物表面反射能量與近地表太陽(yáng)入射能量的比值。2022年4月27日10環(huán)境定量遙感,iivviivviivvdLRdE 21001-=,iiivvrRd d ，1002-,iiiirrd 2022年4月27日11環(huán)境定量遙感2022年4月27日12 重要意義 地物反射率的光譜特征差異是從遙感影像中識(shí)別地表不同類型地物的基本依據(jù)，也是地表其他各種物理、生物物理參數(shù)反演的依據(jù)2022年4月27日13定量遙感( ,)R

4、M V C R：遙感傳感器實(shí)測(cè)：遙感傳感器實(shí)測(cè)BRF（Bi-directional Reflectance Function）M：輻射傳輸模型：輻射傳輸模型V：植被冠層生物物理和生物化學(xué)變量：植被冠層生物物理和生物化學(xué)變量生物物理變量：葉面積指數(shù)、葉傾角、葉片分布模型生物物理變量：葉面積指數(shù)、葉傾角、葉片分布模型生物化學(xué)變量：葉綠素含量、水分含量生物化學(xué)變量：葉綠素含量、水分含量土壤反射率土壤反射率C：入射太陽(yáng)輻射方位角和高度角、觀測(cè)方位角和高度角，及波長(zhǎng)：入射太陽(yáng)輻射方位角和高度角、觀測(cè)方位角和高度角，及波長(zhǎng)：誤差項(xiàng)：誤差項(xiàng)模型的一般形式 (Combal et al., 2002, Remo

5、te Sens Env, 1-15)2022年4月27日14環(huán)境定量遙感前向散射垂向散射后向散射2022年4月27日環(huán)境定量遙感15Lgain QCALbiasLMINQCALMINQCALQCALMINQCALMAXLMINLMAXL)(步驟1（輻射定標(biāo)）：根據(jù)遙感影像DN值計(jì)算到達(dá)傳感器的各波段輻射亮度（本講義第3章）QCAL：像元灰度量化值，即DNQCALMAX：像元灰度量化極大值，2N-1QCALMIN：像元灰度量化極小值，02022年4月27日16環(huán)境定量遙感spESUNdLcos2在這里:= 行星反射率或稱表觀反射率，無(wú)量綱= 傳感器獲得的光譜波段輻射亮度= 日地距離，天文單位 =

6、 大氣層頂平均入射太陽(yáng)輻射= 太陽(yáng)天頂角步驟2：各波段表觀反射率計(jì)算（本講義第3章）2022年4月27日環(huán)境定量遙感172022年4月27日18環(huán)境定量遙感步驟3：大氣輻射校正（ENVI FLAASH/QUAC） 一般表達(dá)式2022年4月27日19環(huán)境定量遙感13568922121212134570.4840.3350.3240.5510.3050.3670.00150.33670.27070.70740.29150.52560.00350.07590.77120.3560.1300.3730.0850.0720.0018ASTERAVHRRGOESETMMISAAAAA 2341234571

7、23412340.1260.3430.4510.00370.1600.2910.2430.1160.1120.0810.00150.1120.3880.2660.6680.00190.35120.16290.34150.1651RMODISPOLDERVEGETATIONAAA01niiiAcc2022年4月27日20環(huán)境定量遙感概念：植被指數(shù)是指主要利用多光譜或高光譜遙感數(shù)據(jù)中的紅光波段反射率（0.60.7m）和近紅外波段反射率（0.71.1m）之間的比值、差分，或者線性組合形式計(jì)算得到的參數(shù)，用以增強(qiáng)或提取遙感影像中隱含的植被信息，抑制或消除非植被信息。理論依據(jù)：健康的綠色植物，由于葉片海

8、綿組織內(nèi)部選擇性吸收和反射效應(yīng)，在近紅外波段（0.71.1m）通?？煞瓷?050%的太陽(yáng)輻射能量，而在可見(jiàn)光范圍內(nèi)（0.40.7m）只能反射1020%的能量，因而造成兩個(gè)波段之間光譜參數(shù)上的巨大反差而與其他無(wú)植被或者僅有稀疏植被的地物區(qū)別開(kāi)來(lái)。202022年4月27日21環(huán)境定量遙感 植物葉片輻射傳輸建模植物葉片輻射傳輸建模2022年4月27日環(huán)境定量遙感230 0.2 0.4 0.6 0.8 Spectral reflectances0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 Wavelength(um)裸土裸土Band 2Band 3Band 4

9、Band 5Band 7Band 1Landsat 5 TMLandsat 7 ETM+Band 8 (ETM+ only)2022年4月27日24環(huán)境定量遙感n蓋度：植物葉片對(duì)土壤的遮蔽百分比n葉面積指數(shù)n葉綠素含量n生活型（喬木、灌木、草本；水生、中生、旱生）n植物生理狀況（光合作用效能、生長(zhǎng)階段、健康狀況）n植被季相變化（特別是農(nóng)作物和草原、荒漠植被）n土壤類型、水分、養(yǎng)分供應(yīng)狀況（植物脅迫）n光照條件2022年4月27日25定量遙感玉米玉米春小麥春小麥冬小麥冬小麥時(shí)間時(shí)間時(shí)間出苗5月上旬出苗4月初播種10月初三葉5月中下旬分蘗4月下旬返青3月上旬拔節(jié)6月下旬拔節(jié)5月中旬拔節(jié)4月中旬抽雄

10、7月中旬抽穗6月上旬抽穗5月上旬乳熟8月中旬乳熟7月上旬乳熟5月下旬成熟9月下旬成熟7月中旬成熟6月上旬2022年4月27日26環(huán)境定量遙感1.使用原始影像的紅光波段與近紅外波段DN（Digital Number）值2.優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便易行3.不足：受到多方面輻射衰減效應(yīng)的影響帶有明顯的誤差4.使用經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)的紅光波段與近紅外波段的輻照度或表觀反射率參數(shù)5.優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)輻射定標(biāo)消除了傳感器的輻射效應(yīng)，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便易行6.不足：沒(méi)有消除大氣輻射衰減效應(yīng)、地形及季相變化的影響7.使用經(jīng)過(guò)大氣輻射校正的地表紅光波段與近紅外波段的反射率參數(shù)8.優(yōu)點(diǎn)：很大程度上消除了多方面輻射衰減效應(yīng)的影響9.不足：計(jì)算過(guò)程

11、復(fù)雜，誤差難免2022年4月27日27定量遙感2022年4月27日28環(huán)境定量遙感表達(dá)式：意義：對(duì)于綠色植物葉綠素引起的紅光吸收和葉肉組織引起的近紅外光反射，使其R與NIR有較大的差異，RVI值高。而對(duì)于無(wú)植被的地面包括裸土、人工特征物、水體以及枯死或受脅迫（stressed）植被，因不顯示這種特殊的光譜響應(yīng)，故RVI值低。因此，比值植被指數(shù)能增強(qiáng)植被與背景裸土之間的輻射差異。裸土地區(qū)的比值接近1，而植被分布地區(qū)的比值高于2。RNIRRNIRRVIDNDNRVI或者2022年4月27日29環(huán)境定量遙感比值植被指數(shù)（RVI）是綠色植物的一個(gè)靈敏的指示參數(shù)，它與葉面積指數(shù)（LAI）、葉干生物量（D

12、M）、葉綠素含量相關(guān)性較高，被廣泛用于估算和檢測(cè)綠色植物生物量。在植被高密度覆蓋情況下，它對(duì)植被十分敏感，與生物量的相關(guān)性最好。但當(dāng)植被覆蓋度小于50%時(shí)，它的分辨能力顯著下降。此外，RVI對(duì)大氣狀況很敏感，大氣效應(yīng)大大降低了它對(duì)植被檢測(cè)的靈敏度，尤其是當(dāng)RVI值高時(shí)。因此，最好運(yùn)用經(jīng)大氣校正的數(shù)據(jù)，或?qū)⒓t、近紅外兩波段的灰度值（DN）轉(zhuǎn)換成反射率后再計(jì)算RVI，以消除大氣對(duì)兩波段不同非線性衰減的影響。數(shù)學(xué)公式：RNIRRNIRRNIRRNIRNDVIDNDNDNDNNDVI2022年4月27日環(huán)境定量遙感30脅迫植被健康植被理論取值范圍：1.0 1.02022年4月27日31環(huán)境定量遙感對(duì)于

13、陸地表面主要覆蓋而言，如果根據(jù)地表實(shí)際的反射率來(lái)計(jì)算，則云、雪在可見(jiàn)光波段比近紅外波段有較高的反射率，因而其NDVI值為負(fù)值水體的NDVI接近0巖石、裸土在兩波段有相似的反射作用，因而其NDVI介于0與0.1之間在有植被覆蓋的情況下，NDVI介于0.11.0之間，且隨植被覆蓋度的增大而增加。幾種典型的地面覆蓋類型在大尺度NDVI影像上區(qū)分鮮明，植被得到有效的突出。因此，NDVI特別適用于全球或區(qū)域植被的宏觀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。2022年4月27日32環(huán)境定量遙感nNDVI是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子。NDVI可以與葉面積指數(shù)（LAI）、綠色植物凈第一生產(chǎn)率（NPP）、植被覆蓋度、光合作用等指

14、標(biāo)參數(shù)建立較好的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并據(jù)以完成地表植被物理參數(shù)的反演。nNDVI可以部分消除與太陽(yáng)高度角、衛(wèi)星觀測(cè)角、地形、云/陰影和大氣條件有關(guān)的輻照度條件變化（大氣程輻射）等的影響。2022年4月27日環(huán)境定量遙感3311NDVIRVINDVI 對(duì)于具有短波紅外波段的多光譜數(shù)據(jù)（Landsat TM/ETM+，SPOT）2022年4月27日34環(huán)境定量遙感,min,max,min1SWIRSWIRNIRredSWIRSWIRRSR2022年4月27日35環(huán)境定量遙感n數(shù)學(xué)表達(dá)式n式中，L是一個(gè)土壤因子調(diào)整系數(shù)。當(dāng)L為0時(shí)，SAVI就等于NDVI。對(duì)于中等覆蓋的植被區(qū)，L一般接近于0.5。乘積因子（

15、1+L）主要用來(lái)保證最后的SAVI值與NDVI值一樣介于-1和+1之間。n試驗(yàn)證明，土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)SAVI降低了土壤背景的影響，改善了植被指數(shù)與葉面積指數(shù)LAI的線性關(guān)系。當(dāng)L=0.5時(shí)，對(duì)較寬幅度的LAI值，具有降低土壤噪聲的作用。nL系數(shù)的計(jì)算方法（齊家國(guó)關(guān)系式）LLSAVILLDNDNDNDNSAVIRNIRRNIRRNIRRNIR11或者1 2nirrLa NDVI WDVIWDVI 2022年4月27日36環(huán)境定量遙感n 表達(dá)式n 式中，a、b分別為土壤背景亮度變化線的斜率和截距。此參數(shù)由于考慮了裸土的背景參數(shù)，能夠比NDVI對(duì)低覆蓋的植被有更好的指示意義，適用于半干旱地區(qū)的土地利

16、用制圖。n 面向MODIS應(yīng)用()NIRRNIRRaabTSAVIaab2022年4月27日環(huán)境定量遙感37高郁閉度冠層中郁閉度灌層干燥裸土濕潤(rùn)裸土土壤線2022年4月27日39環(huán)境定量遙感2022年4月27日40環(huán)境定量遙感n 校正（Adjusted）TSAVI的植被指數(shù)ATSAVI表達(dá)式n 修改型（Modified）土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)MSAVIn SAVI2)1 ()(2axabRaNIRbaRNIRaATSAVI2/ )( 8) 12() 12(2RNIRNIRNIRMSAVIabRNIRSAVI/22022年4月27日41環(huán)境定量遙感 櫻帽變換后的第二個(gè)分量 對(duì)于Landsat 5 TM

17、而言：0.27281 0.217420.550830.772140.073350.16487GVITMTMTMTMTMTM 2022年4月27日42 概念：把離開(kāi)土壤線的垂直距離作為植物生長(zhǎng)的一個(gè)指標(biāo)。其顯著特點(diǎn)是較好地消除了土壤背景的影響，且對(duì)大氣效應(yīng)的敏感程度也小于其他植被指數(shù)。廣泛應(yīng)用于大面積作物估產(chǎn)。 表達(dá)式1： 式中，S為土壤反射率，V為植被反射率；R為紅色波段，NIR為近紅外波段。PVI表征著在土壤背景上存在的植被的生物量，距離越大，生物量越大 表達(dá)式2： 式中，b為土壤基線與近紅外波段反射率縱軸的截距，為土壤基線與紅光波段反射率橫軸的夾角。 表達(dá)式3： 表達(dá)式4：22NIRNIR

18、RRVSVSPVIsincos)(RbNIRPVI21abaRNIRPVImaxNIRaRbPVINIRb220.35540.14920.35520.1494PVIMSSMSSMSSMSS)1 (21LLCCGEVIblueRNIRRNIR2022年4月27日43環(huán)境定量遙感nG，增益系數(shù)，設(shè)為2.5nL，土壤調(diào)節(jié)因子，經(jīng)驗(yàn)值為1.0；nC1，C2為使用藍(lán)光波段修正紅光波段氣溶膠散射效應(yīng)的比例系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值分別為6.0，7.5n特點(diǎn)：增加了對(duì)高生物量的敏感性2022年4月27日環(huán)境定量遙感442022年4月27日環(huán)境定量遙感45n全球環(huán)境監(jiān)測(cè)指數(shù)GEMIn土壤和大氣阻抗植被指數(shù)SARVIn無(wú)氣溶

19、膠植被指數(shù)(AFVI, Aerosol Free )22(1 0.25 )(0.125)12() 1.50.50.5rrnirrnirrnirrGEMI2()(1)()2.5()167.5/nirrbnirrbrbrbrnirrbnirrbbLSARVILSARVI 2.12.12.11.61.61.60.50.50.660.66NIRNIRNIRNIRAFVIAFVI 定義：?jiǎn)挝幻娣e地表上方植物冠層葉片單面面積的總和（或：葉片單面總面積與其地面投影面積之比） 無(wú)量綱 對(duì)于針葉、棱形葉，則按葉表面積的1/2計(jì)算 LAI定義的數(shù)學(xué)表達(dá)式 (Knyazikhin et al., 1998) 意義：

20、葉面積指數(shù)是利用遙感技術(shù)檢測(cè)植被長(zhǎng)勢(shì)和估算農(nóng)作物產(chǎn)量、產(chǎn)草量的關(guān)鍵參數(shù)。2022年4月27日46定量遙感1( )Lss VLAIur drXY 數(shù)據(jù)獲取方法 地表直接測(cè)量 直接收割法 光學(xué)儀器間接測(cè)量法（基于植被冠層輻射傳輸模型） 遙感間接估算，利用葉面積指數(shù)與植被指數(shù)的定量關(guān)系 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系 基于輻射傳輸模型的查找表 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法2022年4月27日47定量遙感常用儀器LAI-2000及其工作原理基于輻射傳輸模型的農(nóng)作物信息遙感反演基于輻射傳輸模型的農(nóng)作物信息遙感反演Radiative transfert modelsPROSPRCT-SAIL-SMACN, Cab, Cw, Cdm, Cs

21、LAI, ALA, Hot,vCovert t550, Patm,CH20, CO3Leaf opticalpropertiesPROSPECTCanopyreflectanceSAILAtmosphereRadiative transferSMAC()tGeometry o, s, BackgroundreflectanceData baseRs()Soil type, BsRTOC()RTOA( )fAPARfCover（引自劉良云ppt，中科院遙感與數(shù)字地球研究所，2012）植被冠層輻射傳輸模型植被冠層輻射傳輸模型PROSAIL Le：有效葉面積指數(shù) ：木質(zhì)部占總面積的百分比 e：針葉占

22、投影面的百分比 e：植物的聚集度指數(shù)2022年4月27日50環(huán)境定量遙感(1)eeeLLAI2022年4月27日環(huán)境定量遙感51VIGround LAIModelr2SourceSRAllometrySR = 1.23 + 0.614 LAI0.82Running et al. 1986SRAllometrySR = 1.92 SR0.5830.91Peterson et al. 1986NDVIAllometryLAI = 1431 + 32.25 NDVI0.86Curran et al. 1992NDVIcAllometryNDVIc = 0.70 exp (0.70 LAI)0.64N

23、emani et al. 1993SRCeptometerSR = 3.1196 + 4.5857 log (LAI)0.97Spanner et al. 1994SRLAI-2000/TRACSR = 2.781 + 0.843 LAI0.53Chen and Cihlar 1996NDVIAllometryNDVI = 0.607 + 0.0377 LAI0.72Fassnacht et al. 1997NDVIAllometryNDVI = 0.5724 + 0.0989 LAI 0.0114 LAI2 + 0.0004 LAI30.74Turner et al. 1999RSRLAI-

24、2000/TRACRSR = + LAIa0.55Brown et al. 2000RSRLAI-2000/TRACRSR = 1.0743 LAI + 1.28430.63Chen et al. 2002CIAllometryLAI = 4.19 1.68 CI0.72Berterretche et al. 2005NDVILAI-2000LAI = exp (NDVI)a0.77Soudani et al. 2006 基于輻射傳輸原理 反演過(guò)程 輸出結(jié)果：光譜反射率 輸入變量： 葉片生物物理、生物化學(xué)（葉綠素、水分含量） 植被冠層LAI、葉傾角 土壤及其水分含量 大氣輻射衰減效應(yīng) 衛(wèi)星及傳

25、感器運(yùn)行參數(shù) 病態(tài)反演2022年4月27日52環(huán)境定量遙感名稱名稱版版本本空間分空間分辨率辨率時(shí)間時(shí)間分辨分辨率率算法算法參數(shù)參數(shù)化方化方法法聚集度表達(dá)聚集度表達(dá)季節(jié)季節(jié)平滑平滑性性參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)植物尺度冠層尺度景觀尺度CYCLOPESV3.11/11210天(2000-2007)1D RTM （人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)） 全球NoNoYesNoBaret et al., 2007ECOCLIMAP1/1201月NDVI-LAI經(jīng)驗(yàn)關(guān)系植被類型YesYesNoNoMasson et al., 2003GLOBCARBONV11/11.21月(1998-2003)模型獲取VI-LAI關(guān)系植被類型YesYe

26、sNoYesDeng et al., 2006MODISC41km8天（2000至今）主算法：3D RTM查找表；備份算法：LAI-NDVI經(jīng)驗(yàn)關(guān)系植被類型YesYesYesNoKnyazikhin et al., 1998CCRS1km10天(1998至今)VI-LAI經(jīng)驗(yàn)關(guān)系植被類型YesYes達(dá)到1haYesFernandes et al., 2003GLASS1km8天(2000-2010)查找表（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）全球YesYesYesXiao et al., 20092022年4月27日53環(huán)境定量遙感 光合有效輻射（Photosynthetic Active Radiation，PA

27、R）：綠色植物進(jìn)行光合作用時(shí)所能利用的太陽(yáng)輻射波段，一般為0.40.76um。也就是太陽(yáng)輻射的可見(jiàn)光部分，約占太陽(yáng)總輻射的4750%。光合有效輻射隨著時(shí)間、地點(diǎn)、大氣條件等發(fā)生變化。 植物葉片實(shí)際吸收的光合有效輻射（Absorbed Photosynthetic Active Radiation，APAR） 光合有效吸收輻射百分比：（FAPAR/FPAR，F(xiàn)raction ）2022年4月27日54環(huán)境定量遙感minmaxmin0.5min,0.95APARSOL FPARSRSRFPARSRSR其中，SOL為到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射總量 fAPAR：入射冠層PAR和射出冠層PAR之差 PARi：入

28、射PAR PARcr：從冠層反射出去的PAR s：土壤在PAR波段的反照率 : 太陽(yáng)高度角 G：太陽(yáng)天頂角與葉片法向方向的夾角，假定符合泊松分布2022年4月27日55環(huán)境定量遙感2220.733(1expsincos ( )sin ( )1.774(1.182)icrtrsiitrPARPARPARPARfAPARPARG LAIPARxGxx植被凈第一生產(chǎn)率（Net Primary Productivity, NPP）CASA模型 (Carnegie Ames Stanford Approach，Potter & Field, 1993)2022年4月27日56環(huán)境定量遙感NPPAPAR植被光能利用率溫度的概念熱力學(xué)溫度：分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的平均狀態(tài)，由熱力學(xué)定律加以描述氣溫與地溫：由溫度計(jì)實(shí)測(cè)熱力學(xué)溫度。距地面不同高度的大氣和不同深度的地下，其溫度存在顯著差異，并構(gòu)成溫度垂直結(jié)構(gòu)輻射溫度：物體發(fā)射輻射的表觀溫度，依據(jù)Stephen-Boltzmann定律，黑體輻亮度與表面溫度的四次方成正比。又稱亮度溫度陸面溫度（Land Surface Temperature，LST）：根據(jù)輻射溫度理論，利用熱紅外波段的遙感數(shù)據(jù)反演計(jì)算獲得的地表亮度溫度，又稱表皮溫度（skin temperature）2022年4月27日57環(huán)境定量遙感