地表参数的多源遥感信息综合定量反演

1、柳钦火柳钦火遥感科学国家重点实验室遥感科学国家重点实验室中国科学院遥感应用研究所中国科学院遥感应用研究所2006.9.6报告提纲报告提纲1.地表参数遥感反演研究国内外现状地表参数遥感反演研究国内外现状2.“遥感反演系统遥感反演系统”研究进展研究进展3.面临的机遇与挑战面临的机遇与挑战4.多星多源遥感综合反演技术平台多星多源遥感综合反演技术平台1. 地表参数遥感反演研究国内外现状对地观测，即对地观测，即earth observing起源于八十年代中期美国空间站对地起源于八十年代中期美国空间站对地观测系统（观测系统（EOS）。）。 目前较大的卫星计划主要有：目前较大的卫星计划主要有：l美国美国EO

2、S计划（发展为计划（发展为ESE计划）计划）l欧空局的卫星计划欧空局的卫星计划Living Planet计划计划l全球综合对地观测系统全球综合对地观测系统GOESSl我国的气象、海洋、资源、环境减灾、小卫星计划我国的气象、海洋、资源、环境减灾、小卫星计划l 高分辨率对地观测专项高分辨率对地观测专项 目前国内外定量遥感已经取得很大进展，地表参数遥感目前国内外定量遥感已经取得很大进展，地表参数遥感反演产品与传感器有关，很多传感器都有自己的产品体系。反演产品与传感器有关，很多传感器都有自己的产品体系。地表参数的定量遥感反演结果展示ATSR的多年的多年SST产品产品通过ATSR海温产品对EI Nino

3、的观测地表参数的定量遥感反演结果展示地表参数的定量遥感反演结果展示地表参数的定量遥感反演结果展示地表参数的定量遥感反演结果展示MODIS 大气产品大气产品地表参数的定量遥感反演结果展示地表参数的定量遥感反演结果展示MODIS海洋产品：海面温度与叶绿素产品海洋产品：海面温度与叶绿素产品地表参数的定量遥感反演结果展地表参数的定量遥感反演结果展示示MODIS陆地产品：叶面积指数陆地产品：叶面积指数地表参数的定量遥感反演结果展地表参数的定量遥感反演结果展示示VEGETATION全球变化产品全球变化产品MISR产品：产品：LAI,FPAR,NDVI,OPTICAL DEPTH2. “遥感反演系统”研究进

4、展 “遥感反演系统遥感反演系统”主要在主要在863课题课题“对地观测系统对地观测系统技术技术”支持下，由中科院遥感所与北京师范大学联合支持下，由中科院遥感所与北京师范大学联合开发完成。它是以开发完成。它是以MODIS 数据为主要遥感数据源，具数据为主要遥感数据源，具有数据管理、图像预处理以及多种参数定量反演的功有数据管理、图像预处理以及多种参数定量反演的功能。能。 针对中国区域性特点针对中国区域性特点 多年研究的成果总结多年研究的成果总结 后期研究发展的平台后期研究发展的平台 满足用户的需求满足用户的需求 以以EOS/MODIS为主要遥感数据源，以为主要遥感数据源，以1公里尺度地表参数公里尺度

5、地表参数定量遥感产品为目标，开发定量遥感产品为目标，开发“RSIS遥感反演系统（遥感反演系统（1.0）”，2003年进行软件产权登记，在科技部年进行软件产权登记，在科技部2003年遥感软件评测中被年遥感软件评测中被评为评为“优秀软件优秀软件”，目前国内用户，目前国内用户40余家。功能包括：余家。功能包括：l数据管理模块：实现对数据组织管理，以及数据的导入数据管理模块：实现对数据组织管理，以及数据的导入导出。导出。l数据预处理模块数据预处理模块:去云处理、辐射纠正、大气纠正、几何去云处理、辐射纠正、大气纠正、几何纠正与图像匹配等功能。纠正与图像匹配等功能。l大气气溶胶与大气水汽含量反演模块大气气

6、溶胶与大气水汽含量反演模块l 地表二向反射率与地表反照率反演模块地表二向反射率与地表反照率反演模块l 植被指数提取、叶面积指数反演模块植被指数提取、叶面积指数反演模块l 地表发射率与温度反演地表发射率与温度反演l FPAR、NPP的遥感定量估算的遥感定量估算l 地表感热通量与地表蒸散遥感定量估算地表感热通量与地表蒸散遥感定量估算l土地覆盖信息综合提取模块土地覆盖信息综合提取模块遥感反演系统遥感反演系统RSIS1.0RSIS1.0l软件界面软件界面几 何 纠 正大 气 纠 正反 照 率 反 演地 表 温 度 反 演叶 面 积 指 数 反 演云 检 测水 汽 反 演PA R地 表 蒸 散N PP数

7、 据 预 处 理大 气 参 数 反 演地 表 参 数 反 演应 用 产 品气 溶 胶 反 演。 。 。 。 。 。 。 。 。薄薄云云和和云云的的边边缘缘 原原始始图图像像高高云云检检测测低低云云检检测测可可见见光光通通道道检检测测 最最终终检检测测结结果果针对高云、低云、薄云和厚云以及云的中心和边缘地带分别使用不同针对高云、低云、薄云和厚云以及云的中心和边缘地带分别使用不同的方法进行检测。检测中合理设置了基于的方法进行检测。检测中合理设置了基于MODISMODIS图像的阈值。图像的阈值。 使用云雪辐射差异指数解决了可见光检测中云和雪及其它亮度较大使用云雪辐射差异指数解决了可见光检测中云和雪及

8、其它亮度较大的地表的区分问题，以及红外通道中低云和温度较低的地表的区分。的地表的区分问题，以及红外通道中低云和温度较低的地表的区分。云检测云检测 系统能够反演气溶胶光学厚度与大气水汽含量，并利用它们，使系统能够反演气溶胶光学厚度与大气水汽含量，并利用它们，使用用6S模型进行大气纠正。模型进行大气纠正。 通过反演结果可以大致看出，通过反演结果可以大致看出，12日降雨过后，随时间气溶胶光学厚度逐日降雨过后，随时间气溶胶光学厚度逐渐增加。通过与实测数据比较，发现反演结果与实测数据基本一致。渐增加。通过与实测数据比较，发现反演结果与实测数据基本一致。 大气参数反演大气参数反演RSIS结果 NASA产品

9、黑半球第一波段MODIS反照率 从反演失败像元看，从反演失败像元看，NASA 产品反演结果失败像元有产品反演结果失败像元有8096个，个，占总像元数的占总像元数的4.6%，而我们的反演结果没有失败像元。，而我们的反演结果没有失败像元。 通过通过16天经过配准的天经过配准的7个通道的反射率数据以及土地覆盖类型数个通道的反射率数据以及土地覆盖类型数据、先验知识库和核函数积分查找表，生成为据、先验知识库和核函数积分查找表，生成为7通道的反射率中间通道的反射率中间产品和全波段反照率产品。产品和全波段反照率产品。 0-0.01 0.01-0.03 0.03-0.06 0.06-0.090.09-0.1

10、0.1-1.0 1.0反演失败黑半球第一波段反照率差值图差值直方图地表反照率反演地表反照率反演 使用使用RSIS软件反演的温度（右边）与软件反演的温度（右边）与MODIS温度产品（左边）温度产品（左边）的对比，结果明显改进。的对比，结果明显改进。RSIS结果 NASA产品2001年9月18日地表温度的反演地表温度的反演差值的直方图 针对不同的地表条件、大气条件和不同的观测角度，通过分裂针对不同的地表条件、大气条件和不同的观测角度，通过分裂窗算法实现地表温度的反演。窗算法实现地表温度的反演。02000400060008000100001200014000160001800020000-4-202

11、4差值（K）样点数 除传统的生成除传统的生成NDVI、EVI以及以及SAVI，系统针对不同的下界面条件选择，系统针对不同的下界面条件选择不同的植被反射模型进行叶面积指数的遥感反演。不同的植被反射模型进行叶面积指数的遥感反演。 由右图可知，随着时间的推移，叶面积指数在不断的由右图可知，随着时间的推移，叶面积指数在不断的增大。同时通过验证，反演结果与实测数据基本一致。增大。同时通过验证，反演结果与实测数据基本一致。TM图像（红框为第三个实验点区域 ）8月11日8月31日9月13日混合像元反演精度72%62%73%经TM纠正的纯像元反演精度92%93%90%植被指数与叶面积指数植被指数与叶面积指数

12、除参数反演的功能，系统结合气象数据，能够生成光合有效辐除参数反演的功能，系统结合气象数据，能够生成光合有效辐射（射（PAR）、地表蒸散以及净初级生产力（）、地表蒸散以及净初级生产力（NPP）等）等专题专题产品。产品。2003年10月18日江西干烟洲地区森林表面日累积实际蒸散量(左图)和潜在蒸散量(右图)。（单位：mm)2003年8月27日华北平原玉米的NPP分布图050100150200250300350400024681012 Calculated ObservedNPP(gc/m-2day)天 数/Days in 2003NPP遥感模型估算结果和千烟洲通量塔观测结果比较专题产品专题产品红外

13、沙尘暴监测(白天)28 Terra at 11:17on Apr. 28 Aqua at 12:53 on Apr. 28 红外沙尘暴监测红外沙尘暴监测(晚上晚上)Terra at 22:21 on Apr. 28 Aqua at 2:31 on Apr. 29 7月11日MODIS-1km图像提取的棉花长势图7月11日MODIS-1km图像提取的棉花旱情分布图3. 面临的机遇与挑战l我国农业、林业、大气、海洋、资源、环境等领域对遥感定量应用的需我国农业、林业、大气、海洋、资源、环境等领域对遥感定量应用的需求也越来越迫切；求也越来越迫切；l遥感逐步从定性向定量发展，而定量遥感则以地表参数的定量

14、遥感反演遥感逐步从定性向定量发展，而定量遥感则以地表参数的定量遥感反演为核心；为核心；l单一遥感传感器总是面临遥感信息量不足的问题，反演的定量遥感数据单一遥感传感器总是面临遥感信息量不足的问题，反演的定量遥感数据产品精度、时间频度不能满足应用的需求。产品精度、时间频度不能满足应用的需求。l目前地表参数的反演通常是单一传感器数据多天数据构成的数据集，但目前地表参数的反演通常是单一传感器数据多天数据构成的数据集，但地表信息随时间是变化的，多天数据组合对特定目标并不适合；多传感地表信息随时间是变化的，多天数据组合对特定目标并不适合；多传感器构成的数据集并未真正应用。器构成的数据集并未真正应用。l目前

15、国内外的商业遥感图像处理软件系统，没有遥感定量反演地表参数目前国内外的商业遥感图像处理软件系统，没有遥感定量反演地表参数的功能。的功能。我国已启动科技共享大平台建设，卫星遥感数据的共享是其重要内容，不但我国已启动科技共享大平台建设，卫星遥感数据的共享是其重要内容，不但数据要有效共享，更需要遥感信息资源的共享，目前缺乏数据要有效共享，更需要遥感信息资源的共享，目前缺乏综合遥感信息定量综合遥感信息定量处理平台处理平台。多星对地立体观测体系已经形成TerraFY-1AquaERS-1开发具有多星多源遥感数据综合定量反演能力的软件平台开发具有多星多源遥感数据综合定量反演能力的软件平台4.多星多源遥感综

16、合反演技术 为克服单一遥感传感器遥感反演难以克为克服单一遥感传感器遥感反演难以克服的信息量不足、反演精度不能满足要求的服的信息量不足、反演精度不能满足要求的缺点，通过多星多源遥感数据构成多角度遥缺点，通过多星多源遥感数据构成多角度遥感数据集，实现关键地表参数的遥感综合定感数据集，实现关键地表参数的遥感综合定量反演，提高遥感定量反演的精度和数据产量反演，提高遥感定量反演的精度和数据产品的质量；品的质量；系统开发、应用与产业化前景。系统开发、应用与产业化前景。（1）多星多源遥感数据集的构建）多星多源遥感数据集的构建 为开展多星多源遥感综合反演技术研究，主要选择各种相为开展多星多源遥感综合反演技术研

17、究，主要选择各种相近分辨率的遥感数据源，如：近分辨率的遥感数据源，如：l风云气象卫星风云气象卫星l海洋卫星海洋卫星l资源卫星资源卫星l科技部小卫星科技部小卫星l环境减灾小卫星星座环境减灾小卫星星座 以及国际新型传感器以及国际新型传感器lEOS/MODISEOS/MODIS，lNOAA/AVHRR,NOAA/AVHRR,l SPOT/VEGETATION SPOT/VEGETATIONlNPOESSNPOESS、NPPNPPl EnviSat EnviSat（2）典型地物的多角度遥感信息模型库的扩充）典型地物的多角度遥感信息模型库的扩充 扩充已有的典型地物模型库，继续收集扩充已有的典型地物模型库

18、，继续收集土壤、典型植被（农作物、草地、森林）等土壤、典型植被（农作物、草地、森林）等地面目标的多尺度二向反射（地面目标的多尺度二向反射（BRDFBRDF）和方）和方向性辐射模型和大气辐射传输模型，在对比向性辐射模型和大气辐射传输模型，在对比研究的基础上，进行适应性分析和评级，建研究的基础上，进行适应性分析和评级，建立模型库立模型库 （3）关键地表参数的多星多源遥感综合反演技术与方法）关键地表参数的多星多源遥感综合反演技术与方法l地表土地覆盖地表土地覆盖/ /土地利用及变化监测土地利用及变化监测l大气汽溶胶与大气水汽含量大气汽溶胶与大气水汽含量l大气衡量气体大气衡量气体/ /污染气体遥感反演污染气体遥感反演:NO:NO2 2, O, O3 3, SO, SO2 2l水质参数遥感反演：叶绿素、泥沙、黄色物质水质参数遥感反演：叶绿素、泥沙、黄色物质l地表二向反射率与地表反照率地表二向反射率与地表反照率l植被指数、植被叶面积指数植被指数、植被叶面积指数l地表温度、地表发射率地表温度、地表发射率l土壤含水量土壤含水量l植被生物量植被生物量/ /净初级生产力净初级生产力l感热通量感热通量/ /地表蒸散地表蒸散l （4）多