遥感辐射特性研究的现状与展望

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遥感辐射特性研究的现状与展望

2016-10-31 作者: jiping 浏览: 2531 次

摘要: 遥感辐射特性研究主要是研究电磁波在介质中的传输特征和规律,电磁波与大气 圈、水圈、生物圈及岩石圈内典型目标的相互作用和成像机理,遥感信息传输模型,大气辐射影响校正方法以及遥感信息定量反演技术。通过几十年来的研究,特 别是近5年来的研究,在遥感辐射特住研究方面取...

遥感辐射特性研究主要是研究电磁波在介质中的传输特征和规律,电磁波与大气 圈、水圈、生物圈及岩石圈内典型目标的相互作用和成像机理,遥感信息传输模型,大气辐射影响校正方法以及遥感信息定量反演技术。通过几十年来的研究,特 别是近5年来的研究,在遥感辐射特住研究方面取得了很大进展。我所在这一领域的研究也取得了显著成果,并在实际应用中发挥了很大作用。

一、研究现状

1.遥感信息与地物相互作用----地物波谱特性研究

(1)地物波谱特性的观测

自1948年原苏联的克里诺夫出版了有关地物波谱特性研究和书以来,人们开展了大量的地物波谱特性研究。60年代美国为发射地球资源卫星曾全面地开展了地物波谱特性研究。70年代该项研究进入高潮。目前研究的 波段基本覆盖了遥感所使用的波段,测量和研究的对象包括了自然界的植被、土壤、岩石、水体和人工建筑等地物。这些研究对人价:认识遥感成像机理、遥感图 像解译、计算机分类、遥感仪器最佳探狈1波段选择和遥感仪器研制等起到了推动作用。随着遥感应用的深入,遥感信息与地物相互作用的研究有了进一步发 展;特别是成像光谱仪的应用,不仅显示了地物波谱特性研究的重要性,而且也推动了这一领域的研究。因为它可以获得图谱合一的信息,可以直接将地物波谱特性 和遥感图像结合在一起,在图像分析和应用方面都取得了很好的结果。近5年来,我们结合遥感应用项目,用高分辨率光谱辐射计研究了植被光谱的动态 变化、植被光谱与覆盖率及叶面积指数的关系等,为建立遥感农田蒸散模型和作物估产模型提供了基本依据,也为成像光谱仪的应用提供了基础数据。

(2)热红外和微波波谱特性研究

在地物波谱特性研究中,人们发现对热红外和微波波段的研究水平远不如可见光、红外、短波红外波段的研究。随着热红外和微波 遥感仪器的应用,这两个波段范围的地物波谱特性显得越来越重要。例如,热红外波段的地物波谱特性和热红外发射率特性都是目前研究重点;而在微波波段,自70 年代初期开展的介电特性研究开始,进而开展了大量的微波辐射特性、散射特性、穿透特性和极化特性的研究,对人们认识地物在微波波段内的基本特性起了推动作 用。随着这二个波段内新型遥感仪器的使用,对其研究的要求更加迫切、必将推动这一研究的进展。 近年来我们集中研究了岩石、植被、土壤和水体的热红外特性,红外辐射温度的日变化特征等,这项研究为建立土壤水分的热惯量模型和土壤、植被、大气综合信息 流模型奠定了基础。在微波波段开展了x和L波段对土壤和植被散射特性的测量和分 析以及对植被穿透特性的分析等。

(3)地物二向性反射特性的研究

地物的角分布特性研究之所以引起人们的广泛兴趣,是因为在测试研究和理论模型研究中,人们发现在主平面内的地物反射具有更 丰富的信息,尤其是热点。这种研究多数是对植被的研究。但是,地物二向反射特性研究主要是在可见光和近红外波段内。而对热红外波段内的这种特性研究却很少 见。在主动微波遥感中,地物散射特性的测量可以说是地物二向反射特性研究中的特例,它是测量地物在主平面内"热点"的特性。而在以太阳为光源的地物二向反射 特性测量中,严格他说,是测不到真正的"热点"特性,而微波后向散射就是地物的"热点"特性,人们在此方商开展了大量的工作。 在植被二向反射特性研究中,我们集中开展了大量的测量研究,改进了测量方法和技术,为模型的验证提供了可靠的数据。在微波波段研究了植被的后向散射,即 "热点"特性,分析了微波在植被中的传输。

(4)地物波谱与地表特征关系的研究

地物波谱与地表环境特征间关系的研究是将 遥感应用于资源调查和环境监测的纽带。在近年来的地物波谱特性研究中,人们十分注意这方面的研究。而在地物波谱特性与地表和环境特征间关系的研究中,又以 微波研究最为活跃。譬如,在研究微波遥感监测土壤水分中,人们不仅研究微波辐射亮温或发射率、后向散射系数与土壤水分的关系,而且还广泛地开展了土壤质 地、地形、地表粗糙度、植被对微波特性的影响和穿透特性等,以及消除这些影响的方法,从而使地物波谱特性研究更深入一步。我们在微波遥感土壤水分研究中,不仅研究了土壤水分与散射系数的关系,而且也研究了土壤粗糙度、土壤质地、植被等对散射特性的影响。例如我们在研究土壤水分与后向散射关系中发现,土壤质地对后向散射影响的研究还不够深入,我们选择了23种土壤质地(包括土壤质地分类中的10种类型,可以概括目前所有土壤质地特征),利用实验和物理模型,计算了9个频率的各种土壤质地的介电常数和后向散射系数,分析了不同土壤质地在不同波段中对后向散射的影响,评价了消除其影响的方法和结果。

2.遥感信息在介质中的传输及真模型

(1)遥感信息在大气中的传输

它始终是人们关注的焦点和研究中的难题,主要的难 点是大气参量的随机性,大气参量难于测定或存在着较大的误差。重点要解决气溶胶的估算、水汽和吸收气体成分的探测和反演。在热红外波段,例如NOAA一AVHRR 第4,5通道数据的大气校正,一般采用两种方法:一是分离窗技术,认为地表温度是第4通道的亮温与第5通道亮温差的线性结合,不同大气状况其系数不同。这种方 法对反演地表辐射温度特别是海面温度起到了一定作用。二是利用与AVHRR数据同时获得的大气垂直探测数据TOVS资料而获得的有关的大气参数,利用大气辐射传输 方程,进行大气订正和地表温度反演。我们在研究大气辐射传输基础上,应用气溶胶模型和TOVS资料,对NOAA一AVHRR数据进行大气影响订正,发展了相应的软件并 已应用到黄淮海平原旱灾的遥感监测中。

(2)遥感信息在土壤中的传输

遥感信息在可见一短波红外波段的传输主要以反射 的形式进行,所以它表征的只是表面特性。例如土壤的颜色、质地、颗粒大小、粗糙度、表层水分等,其传输模型也应考虑其方向特性。在热红外波段,其传输模型 主要是基于能量平衡原理而建立的能量传输模型。这类模型中最典型的是热惯量模型。通过地表热通量方程及地表能量平衡边界条件,而获得地表热惯量与遥感信息 的关系,从而用遥感数据估算热惯量。在微波波段中,被动微波的信息也是通过能量传输的形式。在土壤水分监测中,通过微波亮温或发射率建立统计模型。其物理 模型是考虑了地表的菲涅尔反射系数、地表粗糙度等而建立的,从而可估算地表的亮温和发射率。

主动微波遥感,其传输体现在后向散射;一般将土壤看作面散射, 在有穿透时,可考虑其体散射。在监测土壤水分中比较简单的方法是建立实验模型,但不具普遍性,因此发展物理模型是必要的。目前已发展了一些关于土壤的物理模型,比较有用的模型有3种:几何光学模型、物理光学模型和微扰法。在土壤的能量传输模型研究中,近年来我 们在表观热惯量模型研究的基础上,又发展了真实热惯量模型。通过热传输方程的傅立叶求解,获得了热惯量与遥感信息的关系,从而可以利用遥感图像直接计算土 壤的热惯量。我们利用这个模型,成功地使用NOAA-AVHRR图像计算了土壤的热惯量,进而计算土壤水分,并应用到黄淮海平原旱灾的遥感监测中。在微波波 段我们研究了土壤的三个物理模型,并结合土壤水分的监测,建立了土壤水分和后向散射的关系。现正在研究土壤微波亮温或发射率与土壤水分的实验和物理模型。

(3)遥感信息在岩石中的传输

遥感信息在岩石中的传输与土壤相似。我们开展了岩石在不同压力下能量场变化的研究。这是遥感应用于地震预报的基础试验。选取26种岩性的34块岩石样品在5oot岩石压力机上进行单轴加压直至样品破裂实验。使用应变仪、位移计、声发射仪测量岩石样品的力学性质,使用遥感 的便携式地面瞬态光谱仪、可见光至短波红外光谱仪、红外光谱辐射计、红外辐射温度计和热像仪,测试了在0.4-15um波长区内岩石样品在不同压力下的光谱辐射 特性。其结果表明:

1)随着岩石载荷增加,红外辐射能量增高。这种增高的量级已被目前红外探测技术所探测到,为用红外遥感技术观测地球表面应力场提供了基 本依据。

2)在3-15um波长域,随岩石载荷增加,其红外光谱辐射强度的幅值变化 较大,红外辐射能量较高,为观测地球表面大面积应力场的分布、变化及其过程提 供了初步可选用的波段。

3)岩石加载时红外辐射能量变化规律的初步结果和岩石 破裂前兆的发现,为地震监测和短、临震预报提供了一种新的观测和研究方法。

4)岩石破裂时可见光和红外光谱测量和热图像等可观测到光脉冲和热辐射的持续时间,记录了岩石破裂时热效应用的全过程,为研究岩石破裂机理提供了基础信 息。初步实验证实,遥感技术能够作为一种崭新的地震前兆观测方法和手段用于地 震预报。该成果还可用于矿爆、岩爆等的监测和预报,以及工程方面的应力变化监测和研究。

(4)遥感信息在植被中的传输

遥感信息在植被中的传输是相当复杂的,它包括反 射、多次散射与透射。在可见光一近红外及热红外波段,其传输模型可称为二向性反射模型。目前已发展了4种类型的模型: 几何等模型、辐射模型、混合模型和计 算机模拟模型。但是在热红外波段的研究不够。而在微波波段,比较有名的模型是美国密执安大学的乌拉比等人发展的Mimics模型。我们目前正在研究植被在 微波波段的传输。作为第一阶段,正在研究微波信息在农作物中的传输。

(5)遥感信息在水体中的传输

这主要指可见光在水体中的传输,包括界面的反 射、折射,水中悬浮物(浮游生物或叶绿素、泥沙及其它物质)的多次散射及后向散射。但目前用于遥感监测的仍是实验模型,物理模型还在研究中。

3.遥感信息定量化

遥感信息定量化有两重含义,其一是遥感信息在电磁波的不同波段内给出地表物质定量的物理量;其二是在这些定量遥感信息中,通过实验的或物理的模型将遥感信 息与地学参量联系起来,定量地反演或推算某些地学和生物学参量,统称为地球物理量。遥感信息定量化研究包括下列几个方面。

(1)遥感数据的定标

这是遥感信息定量化关键的一步,是在遥感信息获取中、在仪器设计和运行中均要考虑的重要问题。一般在发射前仪器要严格进行定标,将仪 器的输出转换为辐射值,有的在仪器内装内定标系统。例如NOAA一AVHRR数据,1,2通道是在发射前进行定标;3,4,5通道有内定标系统。但是由于仪器在 空间中的老化、污染和性能变化,必须随时进行定标和校准。通常设立定标试验场,选择典型的均匀稳定目标,用高精度仪器在地面进行同步测量,从而对仪器进 行定标。如法国的SPOT图像定标精度已达97%。ERS一1和JERS一1的SAR的 绝对校准也分别建立了校准试验场,提供绝对校准的星载SAR数据。

(2)大气影响

订正大气的随机和非均匀分布,决定了光学遥感信息定标还不够, 因为试验可能很多,必须进行大气影响订正。如前所述,目前已引起人们的广泛重视。

(3)二向反射订正

由于地物的双向反射特性,对于大视场角的遥感仪器获得的遥 感资料,必须对可见光和近红外波段进行二向反射订正。其方法一般采用地物二向反射的模拟模型,或用不同轨道同一地区图像,找出其与观测角的关系。

(4)发射率订正

要定量反演地表的真实温度,发射率的订正是相当重要的。例如发射率0.01的误差,会引起地表温度0.7"K的误差。但是地表发射率相当复杂,难 于测量。目前正朝着这个方向努力。

(5)仪器老化订正

仪器在空间运行,由于老化、灵敏度减弱,原来给的定标系数 已不再适用。例如NOAA-AVHRR仪器在可见光和近红外波段仪器的增益平均每年衰减5%左右,国外已经给出NOAA-AVHRR仪器老化订正的经验公式.

(6)地形订正

若反演地表的辐射能量,地形因子必须考虑。 GIS技术的发展,DTM模型的应用,使得地形影响订正成为可能。

(7)遥感物理量的反演

遥感提供的最终数据,才是定量计算所要用的物理量。必须根据上述环节,最后反演成人们所需要的参量。例如,可见光一近红外一短波红 外的反射率,热红外的地表温度,微波的辐射温度和发射率,雷达后向散射系数等。随着遥感由定性向定量化的发展,我们十分重视遥感信息定量化研究。配合我 国发射的地球资源卫星仪器的模拟飞行,开展了仪器的定标研究;结合机载成像光谱仪的应用,也开展了外定标测量和太阳辐射及气溶胶反演研究。在应用NOAA一 AVHRR数据过程中,对冬小麦田进行了二向性反射订正测量和订正研究,并发展了AVHRR图像大气影响订正。在上述研究基础上,将AVHRR数据定量反演成为各种应用模型所用的数据,已成功地定量计算了地表净辐射、农田蒸散、作物缺 水指数和土壤水分等。

二、遥感辐射特性研究的前沿

1.遥感信息在植被中的传输

遥感信息在植被中的传输虽然复杂、难度大,但它有广阔的应用前景而成为当前的前沿研究课题。例如,当前比较热门的植被二向性反射分布函数(BRDF)模型的研 究目的,不仅是建立一些精确的描述辐射与植被相互作用过程的数学模型,更重要的是如何依据这些模型和多角度的遥感资料,反演出许多领域中都很有价值的植被 结构参数和生物量,有效地进行植被生长模拟、动态监测和类型区分。与此相对应的是植被的雷达后向散射模型的建立。这些模型考虑的参 量很多,目前还未达到实用的阶段。通过深入地研究遥感信息在植被中的传输,必 将使这些模型由繁到简,更具实用性。

2.遥感信息定量化

遥感信息定量化是遥感发展的需要和必然结果。GIS的实现和发展也需要遥感信息的定量化,全球变化研究更需要遥感信息定量化。因为遥感信息定量化研究在遥感 发展中具有牵一发而动全局的作用,因而是当前遥感发展的前沿。它具有许多生长点,可以带动许多学科和应用领域的发展。这是由于遥感信息定量化涉及到遥感仪 器的设计和制造、大气探测和大气参量的反演、大气影响订正方法和技术、对地定位和几何校准方法与技术、计算机图像处理、地面辐射和几何校准实验场的设置以 及各种遥感应用模型和方法、地球物理量的反演和推算等多种学科及领域,每一个 环节都是相当重要的,都有它的理论、亢法和技术,只有这些领域的相应发展,才 能最终解决遥感信息定量化的问题,才能为遥感在各个领域的应用提供可靠的、高精度的定量化数据和实用的模型与方法。在遥感信息定量化研究中,主要难点是大 气参量的反演、大气影响订正、地物目标二向性和发射率订正等,这些都是今后遥感信息定量化研究的重点。

3.遥感槽息模型

遥感信息模型是遥感应用深入发展的关键,也是遥感信息定量化的重要组成部分。应用遥感信息模型,可计算和反演对实际应用非常有价值的地球物理参量。在过去 几年中,尽管人们发展了许多遥感信息模型,如绿度指数模型、作物估产模型、农田蒸散估算模型、土壤水分监测模型、干旱指数模型、归一化 温度指数模型、矿物指数模型、雷达后向散射模型等等,但远远满足不了当前遥感应用的需要;因此发展新的遥感信息模型仍然是当前遥感辐射特性和遥感信 息定量化研究的前沿。

三、遥感辐射特性研究展望

1.遥感仪器上的攻关

遥感仪器发展趋势是光谱分辨率和几何分辨率越来越高,光谱覆盖宽度越来越宽, 即研制高灵敏度、高稳定度和大的动态范围的传感器。

(1)成像光谱仪和成像雷达的发展

成像光谱仪的发展正是充分利用遥感辐射特性的标志,它将光谱分辨率提高到20nm, 10nm,甚至几个纳米的数量级,更好地利用地物的光谱特性达到识别物体特性的目的。而成像雷达的应用,将遥感应用的 探测波段推向微波波段,不仅使其具有全天候、全天时的探测能力,而且可以获得地物的后向散射特性、极化特性和遥感信息的穿透特性,即在介质中的传输特性。 这二种仪器的发展,必将推动遥感辐射特性的研究。

(2)大气探测仪器精度的提高

遥感仪器接收来自地表的信息,要经过大气的散 射、吸收和透射,其辐射信息发生了畸变;要恢复遥感信息的本来面目,必须研究遥感信息在大气中的传输特性。这就要求对大气进行探测,比如气溶胶的测量、水 汽的探测和有关吸收气体的测定等。在探测方面的发展趋势是提高大气探测仪器的 精度,如CO2激光探测仪对云中水滴的探测、气溶胶的探测技术。

(3)遥感仪器的内外定标

遥感仪器的内外定标偎高仪器的定标精度,是充分利用遥感信息辐射特性的重要途径。其发展的特点是提高内定标精度,采用内外定标相结合的方法提高遥感 信息定量化的水平。例如航空和航天的合成孔径雷达图像的校准通常就采用这种方 式。内部校准包括几种校准环节,每个环节尽量提高精度。外部校准使用已 知散射特性的目标,如三面和二面角反射器、被动接收器。双频连续波发生器及脉冲传发器等,以提高仪器的定标精度。

2.方法上的努力

(1)发展大气参数反演和大气影响订正方法

这是遥感辐射信息定量的重要一环。为此,发展各种大气参数反演方法,提高反演精度,提供精确的大气参数成为当前 在方法研究方面的一个趋势。而在方法上发展最突出的方面是大气影响订正方法。通过遥感获取气溶胶信息对大气散射影响进行订正,利用分离窗技术反演 海面温度均取得了新的进展。大气影响订正仍然是遥感的难题,随着研究的深入,必将在方法上有重大进展。这些方法从遥感出发,针对遥感仪器各波段获得的信息 尽可能多地提取有关大气的信息,以便对大气的散射、程辐射度、吸收等进行订正。

(2)加强地物发射率

加强地物发射率的研究再现地表真实温度时发射率是重要参量。目前在陆面 温度反演中已越来越受到人们的重视,在方法上也取得了一定进展。一种方法是利用光谱比值方法确定发射率,另一种是利用两个温度方法测定发射率。有的利用分离窗技术结合已知地表发射率而修正温度系数,也取得对陆面温度较高的订正精度。也有利用多波段热红外信息采用模式法、热对数剩余法、乙 剩余法、加权比值法等提取发射率。陆面温度反演(包括发射率的研究)仍然是遥 感辐射特性研究的重要内容。

(3)遥感辐射信息特征的提取

这是利用遥感辐射信息开展应用的重要内容,发展提取遥感辐射特征的方法,是当前遥感发展的又一趋势。对成像光谱仪和成像雷达 图像已发展了许多方法。在图像处理中除常规方法外,还发展了神经元网络法、小波理论方法、遥感信息模型法等。一些图像处理软件已可以对雷达图像进行模拟, 如多极化雷达图像综合分析、天线图型校正、纹理分析、斑点噪声滤波等。

3.新型模型的建立

(1)统计模型统计模型

也称为实验模型,由于比较简单,仍然是今后发展的模型之一。这种模型一般用于生物量的估算和农作物估产、微波的土壤水分计算等。由 于所用参数的时空变化,因而不具普遍性,使其受到限制。目前有向半经验半理论 模型发展的趋势。

(2)物理模型

这是建立在物理、数学基础上的模型,其原理清晰,更具普遍性,但比较复杂。虽然目前还未广泛应用,但都是今后遥感信息模型的发展方向。较成 功的是二向反射分布函数模型、微波的散射模型和我们发展的归一化温度指数模型,它是完全建立在物理基础上而发展的全新模型,已显示出强大的生命力。

(3)综合模型

综合模型将遥感信息和其它信息有机地结合起来,更具有实用价 值,因而将是今后发展的重点。例如总循环生物模型,它包括陆地表面和大 气相互作用,这个模型可作为全球变化研究的基本工具,具有很强的生物物理特征、地球植被对辐射截获的影响特征、低层大气和陆地表面间进行的动量交换、把 截获的能量分成为显热和潜热通量的特征(蒸散的生物物理控制)等。遥感在把小尺度上发生的过程综合到大尺度上去描述地表景观和大气相互作用中起着中心的作 用。它可以定量地提供模型中的辐射收支、表面粗糙度、表面阻力和土壤水分、植 被类型和覆盖比例、不同物候期的生长状况等。

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