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《陸錶二嚮反射特性遙感建模及反照率反演》可作為大專院校遙感和地理信息係統專業本科生、研究生的教材用書，也可以作為從事遙感科學和技術研究的科技工作者、遙感項目的計劃和管理工作者，以及遙感應用部門工作人員等的工具參考書。

內容簡介

《陸錶二嚮反射特性遙感建模及反照率反演》在遙感定量反演陸錶二嚮反射和反照率最新研究成果基礎上，全麵、係統地介紹陸錶二嚮反射特性遙感建模和反照率反演基本理論，是對目前陸錶二嚮反射和反照率定量遙感研究的係統概括和總結。《陸錶二嚮反射特性遙感建模及反照率反演》首先概要論述與陸錶二嚮反射特性和反照率相關的物理概念和基礎理論，探討和剖析現有陸錶二嚮反射模型及多角度觀測試驗方法。然後分章節著重介紹基於真實結構場景的陸錶二嚮反射特性遙感模擬、基於陸錶二嚮反射特性先驗知識的反照率反演方法、基於多衛星傳感器的陸錶二嚮反射和反照率綜閤反演方法、山區陸錶二嚮反射特性遙感建模和反照率反演方法。最後給齣現有主要的陸錶二嚮反射和反照率遙感産品及真實性檢驗方法。

內頁插圖

目錄

《地球觀測與導航技術叢書》齣版說明
序
前言
第1章緒論1
1.1遙感科學與定量遙感中的方嚮反射特性1
1.2二嚮反射特性研究的意義3
1.3基本術語4
1.4地錶反射特性的數學描述9
1.5多角度遙感觀測16
1.6從遙感信號到地錶二嚮反射18
參考文獻20
第2章陸錶二嚮反射模型及反演方法21
2.1陸錶二嚮反射模型概述21
2.2物理模型——輻射傳輸模型23
2.3物理模型——幾何光學模型30
2.4物理模型——混閤模型35
2.5經驗/半經驗模型37
2.6計算機模擬模型42
2.7二嚮反射模型反演方法44
參考文獻47
第3章陸錶二嚮反射特性遙感觀測技術與試驗53
3.1地錶二嚮反射特性觀測原理及影響因素53
3.2實驗室樣品二嚮反射特性觀測59
3.3野外地麵地錶二嚮反射特性觀測61
3.4野外基於遙感車和遙感塔的地錶二嚮反射特性觀測65
3.5航空遙感地錶二嚮反射特性觀測71
3.6衛星遙感地錶二嚮反射特性觀測76
3.7國內外具有二嚮反射特性觀測的遙感試驗79
參考文獻83
第4章植被冠層二嚮反射特性計算機模擬模型85
4.1模型概述85
4.2基於濛特卡羅方法的植被冠層二嚮反射特性計算機模擬模型85
4.3基於輻射度方法的植被冠層二嚮反射特性計算機模擬模型90
4.4小結124
參考文獻
第5章基於陸錶二嚮反射特性先驗知識的地錶反照率反演方法125
5.1先驗知識在地錶二嚮反射特性和反照率反演中的作用127
5.2全球二嚮反射特徵和反照率先驗知識127
5.3基於二嚮反射先驗知識的地錶反照率遙感反演算法128
5.4基於背景場的地錶反照率産品時空濾波方法153
5.5小結165
參考文獻
第6章多傳感器綜閤反演陸錶二嚮反射特性和反照率168
6.1多傳感器綜閤觀測168
6.2多傳感器綜閤觀測的角度信息量172
6.3多傳感器綜閤反演地錶二嚮反射特性的主要挑戰176
6.4多傳感器綜閤反演地錶二嚮反射特性主要方法180
6.5多傳感器反演地錶BRDF/反照率186
6.6基於多傳感器反射率數據反演全國反照率産品189
6.7小結192
參考文獻193
第7章山區陸錶二嚮反射特性遙感建模與反照率反演195
7.1地形影響遙感像元反射估算的理論基礎195
7.2高分辨率遙感像元山區地錶方嚮反射率估算201
7.3低分辨率遙感像元山區地錶方嚮反射率估算211
7.4山區地錶反照率估算224
7.5山區地錶反照率的空間尺度效應228
7.6小結232
參考文獻233
第8章全球陸錶反照率遙感産品及其真實性檢驗235
8.1全球陸錶反照率遙感産品及一緻性評價235
8.2地錶反照率産品真實性檢驗方法239
8.3反照率遙感産品真實性檢驗試驗249
8.4小結265
參考文獻265
索引268

精彩書摘

第1章緒論
二嚮反射，是指地物錶麵的反射不僅與太陽入射方嚮相關，還與傳感器觀測的方嚮相關。人們通過測量發現瞭自然界錶麵這種反射現象，並提齣瞭多角度遙感的概念，推動瞭定量遙感研究的快速發展。地錶二嚮反射作為描述自然界地錶反射電磁波特性的重要物理量，是遙感可提取的地錶屬性信息之一，其建模與反演是光學遙感科學研究的基礎。
作為全書的理論基礎，本章介紹與遙感相關的基本物理量、二嚮反射的定義和多角度遙感的概念。全書若不做特彆說明，地錶二嚮反射是指自然界地錶在可見光近紅外波段%的二嚮反射，在這一譜段內，地物錶麵主要反射來自太陽輻射的電磁波。
1.1遙感科學與定量遙感中的方嚮反射特性
20世紀60年代早期，美國海軍研究辦公室一份未正式齣版的論文上最早齣現瞭。遙感。一詞1962年，第一屆環境遙感大會（美國密歇根州）上。遙感。術語正式被國際科技界使用，標誌著遙感的誕生。遙感，廣義上理解是指通過非物理或近距離的接觸，由傳感器測量獲取目標特性信息的過程。而狹義的遙感可錶述為從遠距離、高空以至外層空間平颱上，利用可見光、紅外、微波等探測器，通過攝影或掃描、信息感應、傳輸和處理，從而識彆地錶物質的性質和運動狀態的技術和科學。
依據此定義，最初的遙感可以追溯到1608-年，漢斯(李波爾賽發明瞭第一架望遠鏡，為觀測遠距離目標開創瞭先河，但還不能將觀測到的事物記錄下來，可稱為無記錄的地麵遙感(1608-1838)。1826'年法國約瑟夫 尼塞福爾 涅普斯在法國勃艮第拍攝瞭第一張照片（圖1.1），該照片被認為是遙感圖像的雛形，為有影像記錄的遙感齣現奠定瞭基礎。1839年，路易 達蓋爾發錶瞭他和涅普斯拍攝的照片，標誌著有記錄的地麵遙感的開始（1839-1857年)。隨著探空技術的發展，氣球、飛機和衛星相繼齣現，遙感進入瞭最重要的航空遙感（1858~1857）和航天遙感1957年至今兩個發展階段。觀測的地物波段範圍從可見光擴展至近紅外、紅外及微波波段)傳感器的成像從攝影掃描的單波段成像發展到多光譜、高光譜傳感器成像)遙感的信息提取技術從目視解譯到對數字圖像處理、自動分類或人機交互判讀，再到利用遙感探測的電磁輻射定量提取地球錶麵多種信息。越來越多的研究錶明，遙感研究實現從定性到定量的過渡，需要多學科交叉，加強遙感基礎研究工作（李小文，2005）
20世紀80年代初，美國國傢航空航天局發起瞭遙感科學計劃。所謂遙感科學，是指利用傳感器遠距離測量地物的電磁輻射，采用數學統計或物理模型反演的方式從數據中提取有價值信息的科學研究。因此，廣義上遙感科學是獲取、處理和解釋電磁波能量和物質相互作用的科學。陳述彭先生認為遙感科學是一門綜閤性的科學，它藉助物理學的基礎、數學的方法、計算機的手段，以及地學、生物學的分析，解決對地觀測的科學理論和實際問題。隨著地球係統科學的提齣，遙感科學的重心轉嚮瞭以促進地球係統科學發展為目標，以定量遙感為主要標誌，注重多學科交叉綜閤，從整體上觀測研究地球。
研究地錶物體與電磁輻射之間相互作用的物理機理，建立遙感觀測的電磁輻射信號與地錶參數之間的函數關係，是定量遙感研究的基礎，稱其為遙感建模。從遙感觀測的電磁輻射信息中求解齣應用所需的地錶和大氣屬性參數，稱為遙感反演。建模與反演是定量遙感科學問題的兩個方麵，是定量遙感研究的主要內容和支持遙感發展的基礎理論，是遙感作為一門科學的標誌(宮鵬，2009；柳欽火，2009)。
電磁波與地物錶麵的相互作用，錶現為任何物質都會反射、吸收和透射電磁波，不同性質和不同結構的物質對不同頻率電磁波的反射、吸收和透射能力各不相同。反射作為自然界中物體對電磁波作用的一種基本現象，可以錶示為光譜特徵、空間特徵、時間特徵、角度特徵和偏振特徵的函數
R是遙感觀測的地錶反射率，是波長、空間位置、時間、觀測幾何。和偏振狀態的函數。遙感初期，人們所關注的信息主要是空間特徵，即依據像元間的灰度差異進行空間特徵的處理與分析，達到識彆地物的目的。隨著多+高光譜成像技術的發展，人們很快從遙感數據中意識到光譜特徵和時間特徵的重要性，從光譜譜段信息和時間序列信息中分辨和提取地物信息，提升瞭遙感的應用能力。
遙感觀測的地物錶麵反射還具有方嚮性特徵，可以描述為地物錶麵對太陽輻射的反射和散射能力的半球空間分布。這種分布不僅與太陽和傳感器的角度有關，還與地物錶麵的粗糙度有密切聯係。根據電磁波與目標物相互作用的性質差彆，一般可將物體分成鏡麵反射體、漫反射體和方嚮反射體（圖1.2）。
鏡麵反射體，常見於玻璃和平靜水體的錶麵，這種情況下物體的錶麵粗糙尺度遠遠低於電磁波的波長。物體錶麵的反射滿足反射定律，對電磁波的反射錶現為鏡麵反射，即入射波和反射波在同一平麵內，入射角和反射角相同，可用摺射定理、菲涅耳反射來描述。
漫反射體，也稱為朗伯體，自然界中很少見理想的漫反射體。硫酸鋇和硫酸鎂等錶麵可以近似認為漫反射體，常作為製作實驗室定標或野外反射率測量所用的參考闆材料。自然界三種不同的反射特性漫反射體錶現為物體錶麵足夠粗糙，對太陽短波輻射的反射以目標物為中心的半球空間呈現為常數，即物體錶麵的反射能力不隨觀測角度變化而改變。
方嚮反射體，也稱為非朗伯體，是自然界的常態，介於鏡麵反射和漫反射特性之間的物體，對太陽短波輻射的反射隨觀測方嚮變化。物體錶麵將入射的電磁波嚮四麵八方散射，形成散射通量不同的空間分布，具有明顯的方嚮性特徵。
除地物錶麵粗糙外，地物的三維空間結構特徵也是影響地物方嚮反射的一個重要因素。顯然，遙感影像僅僅是二維空間的投影，對於具有三維空間結構的自然地物而言，用遙感影像的空間信息不足以錶示復雜的三維結構特徵。在遙感技術發展的早期，已認識到瞭角度特徵的重要性，提齣瞭多角度分辨率'的概念。隻要能構建齣多角度遙感觀測的反射率模型，描述地物反射太陽輻射在半球空間的分布規律，便可以利用多角度觀測的遙感影像獲取更多的地物信息。
1.2二嚮反射特性研究的意義
遙感初期，人們假設地錶為朗伯體，即地物反射方嚮的空間分布均勻。利用傳感器垂直觀測的方式，綜閤地物的時間特性、空間特性和波譜特性，進行地物信息的人工解譯和分類，在當時被認為是非常有效的。步入定量遙感發展階段後，特彆是多角度遙感的齣現，地物方嚮反射特性的重要性逐漸突顯。1996年9月，第一屆國際多角度測量與模型專題研討會在北京舉行，強調測量與模型結閤，將二嚮反射特性的理論研究推上瞭日程。受地錶二嚮反射特性的影響，同一傳感器觀測地錶同一目標物，一天中不同時刻或不同角度觀測，地錶將有不同的反射特徵。圖顯示瞭中國科學院遙感應用研究所（現為中國科學院遙感與數字地球研究所）2001年在北京順義地區利用機載多角度多圖，機載多角度多光譜成像儀獲取的北京順義地區多角度遙感圖像光譜成像儀獲取的多角度遙感圖像，可以看齣，影像上對應的傳感器在前嚮散射觀測方嚮上色調偏暗(影像南部區域)，而對應傳感器在後嚮散射觀測方嚮上色調較亮(影像北部區域)，顯示瞭較強的反射方嚮特性。
大量的研究錶明，不同太陽入射和傳感器觀測獲取的地錶反射率有顯著的區彆，特彆是對於地錶三維結構特徵比較明顯的地物類型，常見於植被、城市和裸土，甚至是非光滑的水麵。為瞭能夠準確全麵反映地錶特徵，要求傳感器需要有足夠的能力獲取這種反射特性，因此，推動瞭多角度傳感器的研製以及多角度觀測試驗的發展。
地錶二嚮性反射具有重要的理論研究和應用價值。一方麵，可通過地錶二嚮反射特性來反映地物目標的三維結構特徵和提取不同地錶類型的生物和物理屬性。例如，植被的二嚮反射特性與植被冠層結構$如冠層高度、冠層葉傾角分布、葉的形態結構和空間分布、植被冠層構成要素的光譜特性和植被下墊麵特性之間有密切的聯係。通過進行植被冠層反射率多角度觀測和二嚮反射模型構建，由模型反演來獲取植被冠層結構信息。再比如，反照率的估算，早前利用垂直觀測的方式，假設地錶為朗伯體，利用單一方嚮觀測的反射率來計算，該方法已被證明存在較大的誤差。較為精確的地錶反照率估算，需要充分考慮地物目標的方嚮反射特性。利用地錶二嚮反射模型，通過對其進行半球積分可精確地獲取地錶反照率。目前在軌衛星業務化運行的陸錶反照率産品基本都是基於地錶二嚮反射特性來估算的。
另一方麵，通過地錶二嚮反射特性的研究，期望能減少同一影像上由於角度不同帶來的反射率差異，即需要利用二嚮反射模型進行入射角和觀測角的歸一化，纔能進一步進行地錶參數的準確估算。大量研究錶明，太陽角度和觀測角度的不同，對比值植被指數和歸一化植被指數的計算有顯著影響。減少角度對植被指數影響的方法之一就是用二嚮反射模型將不同角度觀測的反射率擬閤到標準幾何角度下觀測的反射率，在此基礎上計算植被指數，即進行植被指數角度歸一化。常見的還有期望通過多角度歸一化的反射率來提高地錶類型的分類精度，減少由不同角度觀測的反射率差異引起的錯判、誤判。
二嚮反射特性研究是光學遙感研究的基礎，不僅在反映地錶結構特性上有重要的意義，還在地氣能量傳輸中占據重要的位置，是多種陸錶參數計算的必要條件。從20世紀70年代以來，二嚮反射特性的研究主要集中於二嚮反射特性的定義、二嚮反射特性建模與反演，以及二嚮反射特性測量，並已取得瞭係列研究成果。
1.3基本術語
1.立體角
立體角指三維空間中某一錶麵對某一點所張開的角度，可用符號錶示。定義為一個半徑為'的球麵，從球心嚮球麵作任意形狀的錐麵，錐麵與球麵相交的麵積為，則麵積與半徑'的平方的比值就是此錐體的立體角：
如果用極化坐標來錶示，在天頂角和方位角為條件下，微小單位立體角可以錶示為(它是二維平麵角度在三維空間中的擴展，可用來描述輻射的方嚮，單位為球麵度圖，在半球空間的積分是。定義投影立體角的半球積分為。
2.散射角
散射角指入射光束和齣射光束之間的夾角，是定量遙感中常見的角度物理量，可以用符號錶示。在已知入射光束角度和齣射光束角度條件下圖。
3.輻射能量
輻射能量指電磁場以輻射的形式發射、轉移或接收的能量，單位為焦耳。
4.輻射通量
輻射通量指單位時間內通過一個任意麵$麯麵或平麵%的輻射能量，符號為，單位為瓦。同義詞為輻射功率，公式錶示為。
5.輻射照度
輻射照度指單位時間內入射到物體單位麵積上的輻射能量，或入射到物體單位麵積上的輻射通量。'符號為，單位為B同義詞為輻照度，公式錶示為
6.輻射齣射
度輻射齣射度描述物體單位麵積齣射的輻射通量，符號為，單位為。同義詞為輻齣度，又稱輻射通量密度。式可以錶示輻射齣射度，但此時的輻射能量是指齣射的輻射能量圖，輻射齣射度示意圖。
7.輻射強度

前言/序言

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