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遥感辐射特性研究的现状与展望 遥感信息定量化

[ 来源:互联网 | 时间:2008年08月03日 | 收藏本文 ] 【

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。

摘要     本文在下列三方面概括了近年来遥感辐射特性研究的现状:①遥感信息与地物相互作用----地物波谱特性研究;②遥感信息在介质中的传输及其模型,③遥感信息定量化;并指出了遥感信息在植被中的传输、遥感信息的大气影响订正、遥感信息定量化和遥感信息模型等是当前本领域的前沿。本文还展望了遥感辐射特研究的趋势。

关健词     遥感辐射特征,传输模型,遥感信息定量化

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[1}。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[2,3]。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[4],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[7]

    (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(7)。

    (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(6,8)。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(9,10)。

    (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(11)。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(12,13)。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[14,15]。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。

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