最新01光学遥感中的定量模型课件.ppt

1、01光学遥感中的定量模型光学遥感中的定量模型 统计模型 物理模型 混合模型 球面面积除以球半径的平方称为立体角 辐亮度的方向性可以用立体角来描述，是二维空间角量测的扩展。立体角经常用极坐标下的天顶角和方位角来表示。太阳高度角（elevation angle）和太阳天顶角（zenith angle），辐亮度在半球空间上总的立体角积分，经常叫做通量密度简称通量。（）从非发光体表面反射的辐射与入射到该表面的总辐射之比。反照率的值介于 0(完美的黑体)到 1(完全反射)之间。到达大气上界（TOA）的辐照度依赖于太阳和地球的天文学距离。太阳常数：地球在日地平均距离处与太阳光垂直的大气上界单位面积上在单位

2、时间内所接收的所有波长太阳辐射的总能量。场景生成 场景辐射建模 大气辐射传输建模 导航建模 传感器建模 制图和面元划分 定量描述陆地表面目标及背景的类型，数目及空间分布之间的关系是对景观理解的定量描述 高分辨率模型适用于场景要素比像元大的时候；低分辨率模型刚好相反。低分辨率模型可以看作是连续的混合模型的一种，其比例由场景模型中各元素大小和形状与像元内的相对密度来确定；高分辨率模型和计算机图形学密切相关。分形系统、L系统 场景模型是遥感机理研究的关键组成,通过调查光与遥感像元场景的相互作用,可以帮助人们理解遥感信号产生的机理,并验证遥感物理模型.从植被野外测量、三维结构真实遥感像元场景的参数化描

3、述、场景数据结构、场景生成方法和流程等方面阐释了遥感像元场景模型.植被的野外测量和统计是结构真实场景的基础;场景生成方法为:(1)使用L系统生成结构真实植株,进而生成遥感像元场景;(2)按统计规则直接生成遥感像元场景.试验表明该遥感像元场景模型可以生成符合遥感像元统计规律的三维场景,是准确和便捷地计算光与植被相互作用的可靠基础.在利用三维几何模型建立地表场景过程中目标和背景一般是分别建模的，并且目标和背景的数据库可以预先定义好并存储起来，使用时直接调用，目标几何模型的建立方法：多幅图片提取法，信息处理及模式识别 软件生成法，常用的三维建模软件AUTOCAD、3D MAX等；优点是灵活性强，适用

4、面广，可根据需要生成各种模型；缺点是工作量大，需要同时提供足够多的材质数据，对所有三维目标都要建立几何模型。几何光学模型，冠层和土壤假定由具有一定形状、大小和光学特性的几何突起以一定的方式分布于背景表面。均匀介质辐射模型，把表面要素（树叶或者土壤微粒）看成是具有给定光学特性的小的吸收和散射微粒，随机地分布在场景内且有一定的方向。混合模型，几何光学模型引入辐射传输理论来计算单个的光照/阴影组分。计算机模拟模型，场景要素的排列和取向由计算机模拟，辐射特性基于辐射度和蒙特卡洛光线追踪决定。8-bit256 greys6-bit64 greys4-bit16 greys3-bit8 greys2-bi

5、t4 greys1-bit2 greysMaximum brightness=255Maximum brightness=127 地球大气对遥感成像有显著影响，结果很大程度上影响了地表的光谱辐射和空间分布。因此，理解大气辐射传输和对遥感图像进行大气效应纠正对于描绘地表特性非常关键。在假定无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题。MODTRAN软件作为大气辐射传输计算主要的工具，主要有两种使用方式:第一种方法利用MODTRAN制作查找表，然后利用插值的方法得到输出量，虽然在速度上较快，但精度上难以保证；第二种方法直接使用MODTR

6、AN源代码可以保证计算的精度，但很难使用在不同的编程语言中。从地表零气象视距辐射亮度图像到传感器入瞳处的图像之间一定会受到大气吸收和散射作用以及大气湍流等效应的作用，造成图像变形和模糊，影响最终成像质量，要对大气作用进行精确仿真才能获得与实际最佳一致的图像，为评价遥感系统提供依据。目前大气作用仿真有两种方法：一、采用大气辐射传输理论求解大气辐射传输方程，计算大气透过率、大气程辐射、大气下行辐射等逐个像元计算出大气顶层入瞳处（TOA）的辐射亮度图像，参数的计算一般采用LOWTRAN7或MODTRAN4软件。二、将大气作用的效果定义为大气调制传递函数，可将其近似为湍流和气溶胶调制传递函数之积。19

7、86年，法国Universit des Sciences et Technologies de Lille（里尔科技大学）大气光学实验室Tanr等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信号模拟程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程并计算卫星入瞳处辐射亮度。1997年，Eric Vemote对5S进行了改进，发展到6S（SECOND SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM）6S吸收了最新的

8、散射计算方法，使太阳光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。（1）太阳、地物与传感器之间的几何关系:用太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角四个变量来描述；（2）大气模式：定义了大气的基本成分以及温湿度廓线，包括7种模式，还可以通过自定义的方式来输入由实测的探空数据，生成局地更为精确、实时的大气模式，此外，还可以改变水汽和臭氧含量的模式；（3）气溶胶模式：定义了全球主要的气溶胶参数，如气溶胶相函数、非对称因子和单次散射反照率等，6S中定义了7种缺省的标准气溶胶模式和一些自定义模式；（4）传感器的光谱特性：定义了传感器的通道的光谱响应函数，6S中自带了大部分主要传感器的可见光近红外波段的通

9、道相应光谱响应函数，如TM，MSS，POLDER和MODIS等；（5）地表反射率：定义了地表的反射率模型，包括均一地表与非均一地表两种情况，在均一地表中又考虑了有无方向性反射问题，在考虑方向性时用了9种不同模型）。计算出卫星在空间中的位置，以便在地球上跟踪它并知道仪器指向什么地方。传感器模型描绘了把地表-大气系统的光谱辐亮度转化到数字值的过程，这个数值就是用户从数据分布中心购买得到的数据。场景光谱辐亮度光谱响应空间响应电子噪声波段量化数字图像 光电器件的光谱特性指相对灵敏度与入射光波长之间的关系，又称光谱响应。光谱响应。传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。间隔愈小，分辨率愈高，或

10、：所记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值，越宽，分辨率越低不同光谱分辨率的传感器对同一地物的探测效果有很大区别；如MSS（100-200nm）、AVIRIS（10 nm）传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，才能取得好效果感测人体选择8-12m,探测森林火灾应选择3-5 m波谱分辨率波谱分辨率 调制传递函数，把经过系统的调制度M与未经系统的调制度M之比，定义为调制传递函数MTF 从物理意义看，MTF实质是各个空间频率的正弦波图象经过系统后调制损失的百分比。美国IKONOS 系统焦距：10m F数：f/14.3 覆盖宽度：13Km 轨道高度：681Km （1997年）A、B、C三条曲线代表

11、三种光学素质完全不一样的摄影镜头。其中A、B两只镜头代表常见、分辨率和反差都不一样的典型照相机镜头，镜头A是反差高而分辨率低；镜头B则正好相反，分辨率高而反差低。而镜头C则是一只十分罕见的，反差和分辨率都极高的优质摄影镜头。图像生成的一个重要过程就是在特定的地图投影中把这些测量值按照规则的二维阵列进行划分。正向面元划分，利用每次测量的位置来查找输出面元的位置；逆向矫正，利用输出面元的位置来查找每次测量的位置。应用模型概述 模型建立方法 一、模型 1.模型的概念 2.模型的抽象过程 3.建模步骤 二、应用模型作用 三、应用模型分类 1按应用模型结构分类 2按应用模型空间特性分类 3应用模型开发特

12、点分类 4按应用模型内容及所解决问题分类 5按模型空间过程模拟方法分类 模型是把一个域（源域）的组成部分表现在另一个域（目标域）中的一种结构（据陈述彭教授）。源域中被表现的部分可以是实体、关系、过程或其它让人感兴趣的现象。建模的目的是把源域简单化和抽象化。源域的内容转到目的域后，在目标域中进行分析和处理。而一个模型是否有用，就要看它模拟源域的效果和它在两个域间转换的难易程度。一、模型 这里，以供电线网的模型分析来表示建模过程。图中左侧的椭圆代表将被建模的源域，假设源域是供电线网的一部分，对该供电线网进行分析，一个恰当的模型可能就是数学中的网络结构分析，并由此得到目标域；建模函数则要把源域中的要

13、素和目标域中的要素联系起来。可以在目标域中进行网络变换与分析，分析结果再回到源域（供电网）中进行实际分析。建模函数m作用在源域D上。源域中的变量t转换到目标域后成了m(t)；在目标域的转换结果则通过建模函数的反变换inv(m)再回到D中进行解释。如果模型精确地反映了源域D中的变量t的转换。那么这个建模过程就是有效的。这个建模过程可表示为如下的等式：inv(m)o m(t)o m=t 其中：o表示函数的组织，上式可进一步简化为：m(t)o m=m o t 该结构关系是制图学的数学理论基础所涉及到的内容。源域 目标域建模函数 D m m（D）tm（t）Inv（m）一、模型 应用域的各种现象就是域模

14、型（Domain model）所要模拟表现的主题，应 用域模型由领域专家来构造。概念计算模型（Conceptual computational model）需要考虑计算环境，此时实体关系（E-R）和对象的模型方法将起作用。逻辑计算模型(Logical computational model)不仅需要考虑通用的计算任务，而且还要考虑特殊实例情况的分析。如果关系数据库用来存储供电网的非空间数据，那么概念模型中的对象（或实体）将以关系组合形式存储在关系表中。信息系统的设计者负责建立这样的模型。物理计算模型(Physical computational model)由系统开发者构建，它使上述模型在特定

15、的计算机系统和平台上得到实现。一、模型 1应用模型是联系RS应用与常规专业研究的纽带 2应用模型是综合利用RS应用中大量数据的工具 3应用模型是RS应用解决各种实际问题的武器 4应用模型是RS应用系统向更高技术水平发展的基础 5利于信息交流 1按应用模型结构分类 2按应用模型空间特性分类 3应用模型开发特点分类 4按应用模型内容及所解决问题分类 5按模型空间过程模拟方法分类（1）数学模型（又称理论模型）数学模型是应用数学的语言和工具，对部分现实世界的信息（现象、数据）加以翻译、归纳的产物，反映了遥感过程本质的物理规律，它源于现实，又高于现实。数学模型经过演绎、推导，给出数学上的分析、预报、决策

16、或控制，再经过解释回到现实世界。最后，这些分析、预报、决策或控制必须经受实际的检验，完成实践理论实践这一循环。三、应用模型分类 现实世界的信息数学模型现实世界的分析、预报、决策或控制数学的分析、预报、决策或控制翻译、归纳推断检验演绎解释 现实世界与数学模型的关系（2）统计模型（包括一些经验模型）统计模型是通过数理统计方法，用大量观测实验得到的数据，用定量方法建立模型，模拟过程的规律，这类方程简单实用，在遥感系统应用模型中占有相当比例，如回归方程，聚类分析等等。（3）概念模型（又称逻辑模型）概念模型是由实践中总结归纳提炼得到的文字性描述，形成知识库，通过专家系统推理机来求解问题。其中最简单的情况

17、可直接用文字加逻辑运算符组成的逻辑表达式来描述。三、应用模型分类 系统中应用模型可根据模型的空间特性分为两大类，即空间模型和非空间模型，图中是用于解决社会经济领域中一些问题的应用模型分类。（1）非空间模型 非空间模型是把系统中属性数据作为显式数据源，空间数据作为隐式数据源，对系统中的各种属性数据进行运算来分析区域中的社会、经济、生态及资源等问题，并进行评价、预测、规划等。（2）空间模型 空间模型同时使用属性数据和遥感数据组成模型，需要对系统中的空间和属性两种数据进行运算。因此从理论上和方法上同空间数据结构有关联。三、应用模型分类投入产出模型应 用 模 型空 间 模 型非 空 间 模 型经济控制

18、论模型系统动力学模型计量经济学模型空间检索模型图形运算模型空间扩散模型网络分析模型统计识别模型 按模型开发特点应用模型可分为系统提供模型和二次开发模型。（1）系统提供模型 系统提供的模型是遥感系统商品为用户提供的应用模型，它们是由系统设计者在分析遥感的特点及应用后，为用户提供的通用性模型，如逻辑检索模型，MNF模型等遥感建模模型。三、应用模型分类（2）二次开发模型 二次开发模型是用户自行开发的分析模型。随着遥感应用面日益拓宽，系统设计者不可能为用户提供各种专业应用模型，作为一个有生命力的遥感软件，通常为用户提供二次开发接口，使用户可根据自己专业特点，开发用户模型，解决专业部题。内部模型 通过遥

19、感系统提供的工具（如宏语言）开发的应用模型，这种模型能充分利用遥感系统本身具有的资源。外部模型 通过直接或间接调用遥感系统中空间数据库来建立的用户模型，其中采用直接调用方式开发的模型可同遥感系统共享数据库。而采用间接调用方式开发的模型只能通过中间文件同空间数据库相联系。三、应用模型分类 应用模型依据模型内容及所解决问题，又可分为基础模型构成基础模型库；专业模型构成专业模型库。（1）基础模型 基础模型是指那些对各种部门专业都具有普遍意义的，通用性较强，应用面较广的模型，如采用数理统计方法，对实验数据进行回归拟合而产生的统计模型；结合专家知识，结合逻辑方法建立模糊数学模型等。（2）专业模型 专业模

20、型是在对系统所描述的具体对象与过程进行大量专业研究的基础上，总结出来的客观规律的抽象或模拟，是将系统数据重新组织，得出与目标有关的更为有序的新的数据集合的有关规则和公式。这种模型是应用型遥感系统进行生产和科研的重要手段，已受到人们日益广泛的关注和重视。由于各种应用系统的服务对象，解决问题以及它们的复杂程度有很大差异，不同的理论观点，不同的体系可以产生不同的专业模型。三、应用模型分类 按模型空间过程模拟方法，地学空间过程模拟模型基本上可分为动力学过程模拟模型和随机过程模拟模型两种类型。（1）动力学过程模拟模型 过程研究的动力学方法假设系统运动的物理规律已知。根据过程物理规律，可以建立过程模拟的数

21、学模型，即动力学过程模拟模型。这些模型常常是在系统运动初始条件与边界条件约速的一组偏微分方程组。（2）随机过程模拟模型 过程研究的随机过程方法一般用于事先并不知道过程运动规律的那些过程，如土地利用变化等。为此，研究必须首先在不同的过程时间断面上进行状态观测，获得多时相的过程断面数据，然后，利用统计学与随机过程理论建立随机过程模型。三、应用模型分类 一、模型化一般方法 二、逻辑原理 三、数据统计方法 四、空间分析函数 五、应用模型重用 1源代码方式重用 2函数库方式重用 3独立可执行程序方式重用 4内嵌可执行程序方式重用 5DDE或OLE方式重用 6模型库方式重用 7组件模型重用 在重用源代码形

22、式的模型时，必须利用RS系统的二次开发语言或其他编程语言，将已开发好的专业模型的源代码进行改写重用，使其从语言到数据结构与RS系统完全兼容，成为RS系统的整体一部分。这种重用方式非常多见，并且将一直存在，它可以保证RS系统与模型在数据结构、数据处理等方面的一致性。但这种方式只能算是最低级的重用方式，其缺点非常明显：一是RS开发者必须下很大功夫读懂模型的源代码，二是在改写重用过程中常常会出错。五、应用模型重用 对于以库函数的形式保存在函数库中的应用模型，RS开发者可以通过调用库函数的方式进行模型重用。函数库包括静态连接库和动态连接库两种，二者的区别在于，动态连接不是在连接生成可执行文件时把库函数

23、链入应用程序，而是在程序运行中需要的时候才连接。函数库方式的优点是：RS系统与应用模型能实现高度无缝的集成；函数库一般都有清晰的接口，RS开发者不必费力去研究源代码，使用方便，而且函数库经过编译，不会发生因开发者错误地改动源代码，而使模型运行结果不正确的情况。函数库方式的缺点在于：库函数无法与RS数据有效结合，因而不能用于复杂模型与RS的集成；由于开发者不能对库函数进行修改，降低了重用的灵活性；函数库的可扩充性差；此外，静态函数的使用还在一定程度上受限于语言，必须依赖于其开发语言。五、应用模型重用 现有应用模型中，以可执行程序方式存在者居多。这种模型的重用方式之一是，RS系统与应用分析模型均以

24、可执行应用程序的方式独立存在，二者的内部、外部结构均不变，相互之间可以切换。二者之间的数据交换通过对共同的统一格式的中间数据文件（如ASCII码文件或通用数据库文件等）的操作实现，RS系统进一步将中间数据转换为空间数据，以实现RS本身的空间数据操作功能。这种重用方式的优点在于简便，所需编程工作极少。缺点在于：一是系统效率较低，且使用不很方便；二是界面往往不一致，视觉效果不好。五、应用模型重用 这种重用方式本质上与独立可执行程序方式一样，以RS系统命令驱动应用模型程序，RS系统与模型之间的集成通过对共同数据文件的读写操作实现，RS系统则进一步通过进行中间数据与空间数据的转换来实现空间数据的RS操

25、作功能。与独立可执行程序重用方式不同的是，尽管RS系统与模型可能是由不同的编程语言实现的，但是集成系统有基本统一的界面，具有一个无缝集成的操作环境。内嵌可执行程序重用方式的优点在于：符合模块化开发原则，便于开发工作的组织管理，并且系统的运行性能比独立可执行程序方式好；具有基本统一的界面环境，便于操作。这种重用方式的缺点在于必须理解模型运行的全部过程并对复杂的模型要进行正确合理的结构分解，以实现模型与RS系统本身之间的数据相互转换及模型对RS功能的调用，在分解原模型时可能产生错误，此外，如果需要同时集成多个模型，要进行模型的组合很困难。五、应用模型重用 DDE指动态数据交换，OLE指对象链结与嵌

26、入，二者均用于windows应用程序之间的数据传递，可以作为应用RS开发中的一种可执行程序形式应用模型重用方式。两种方式都必须存在二个主体，一方为客户程序，另一方为服务程序，简单地说就是要有一方为另一方提供数据服务或更复杂的服务。对于RS与应用模型的集成来说，就是RS为客户程序，应用模型为服务程序。DDE或OLE方式重用的优点与内嵌可执行程序相似，系统能实现无缝集成，而所需编程不多（如果要进行RS与应用模型程序之间的相互操纵，则要采用OLE自动化方式，这种方式需要较多编程，但这种方式似乎不大可能用于应用模型在应用RS开发中的重用，因为实际工作中极少需要在应用模型程序中不断地与RS系统之间相互操

27、纵）。这种方式的不足在于系统效率不高，其次系统稳定性不是很好。此外，这种方式要求应用模型必须支持DDE或OLE协议，这是目前绝大多数已开发的各类模型做不到的。五、应用模型重用 模型库指在计算机中按一定组织结构形式存储的各个模型的集合体。模型库系统可以有效地生成、管理和使用模型，它可以支持两种粒度的模型（可执行文件与函数子程序），具有完整的模型管理功能，能够提供单元模型（指不需调用其他模型的模型）和组合模型（指通过调用其他单元模型或组合模型来构成的模型），同时还支持模型的动态调用和静态的链接。使系统具有良好的可扩充性。模型库系统尤其符合客户服务器模式的系统的运行方式要求。在Client/Serv

28、er模式的RS系统中，模型从模型库中被动态地调入内存执行。尽管模型库研究随着决策支持系统的发展在近十年来取得了很大的进展，但是，在模型的操作方面，目前并没有形成完整的理论体系，特别是模型的自动生成、半自动生成方面离真正实用化尚有一段距离。五、应用模型重用（1）组件的概念（2）组件技术（3）组件模型（4）组件模型的重用 五、应用模型重用（1）组件的概念 组件（或称构件）是指那些具有某些特定功能，独立于应用程序，但能够容易地组装起来，以高效地创建应用程序的可重用软件“零件”。组件化是软件发展的趋势，体现了完全面向对象的思想，具备面向对象程序设计所要求的封装性、多态性、继承性和动态链接等特性。软件组

29、件已成为迄今为止解决长期困绕软件开发界的软件重用问题的最优秀最有前途的技术，开发者只需利用已有组件，再加上专业技术便可以高效地开发出应用软件。五、应用模型重用（2）组件技术 目前，组件技术分为两大类：由Microsoft推出的ActiveX，以及由Javasoft推出的JavaBean。ActiveX是基于Microsoft制定的组件对象模型（COM）规范的一种组件开发技术，是对象链接与嵌入（OLE）2.0技术的扩展，它独立于语言，但完全依赖于Windows开发。JavaBean则是基于Java技术的（Java能够提供可重用对象，但却没有管理这些对象之间的相互作用的规则或标准），它依赖于Jav

30、a语言，但独立于平台，可运行在任何支持Java的平台上。ActiveX组件（包括其前身OLE控件或OCX），已被广泛地应用于Windows应用程序开发。JavaBean则因出现较晚，现有市场份额较少，但由于其平台独立性，它将随着万维网的流行变得更为重要。五、应用模型重用 （3）组件模型 组件模型指以组件形式存在的应用模型。当前软件已经发生着革命性的变化，由过去厂家提供全部系统或者有部份二次开发功能的软件，过渡到提供组件由用户自己再开发的方向上来。组件模型符合了这种组件式地理信息系统发展潮流的需要，它的出现将给应用RS系统开发带来深刻的影响。五、应用模型重用 高光谱遥感应用研究，科学出版社，万余庆编著 高分辨率卫星影像处理指南，科学出版社，关元秀编著 地理信息系统设计与实现地理信息系统设计与实现，电子工业电子工业出版社出版社，吴信才著 定量遥感，科学出版社，梁顺林著68 结束语结束语