中科院遥地所定量遥感第六讲遥感尺度效应与产品真实性检验PPT课件.pptx

遥感数据与遥感数据与产品的尺度效品的尺度效应和真和真实性性检验刘良云刘良云2014.5.12遥感数据与遥感数据与产品的尺度效品的尺度效应和真和真实性性检验1 1、尺度研究的重要性、尺度研究的重要性2 2、尺度概念与特性、尺度概念与特性3 3、遥感尺度效、遥感尺度效应产生的原因生的原因4 4、遥感遥感产品品尺度尺度转换与尺度效与尺度效应定量定量计算算5 5、遥感、遥感产品真品真实性性检验1 1、尺度、尺度研究的重要性研究的重要性FF遥感产品真实性检验的需要点点观测遥遥 感感 产 品品面状信息面状信息尺度扩展真实性检验?地面仪器测量数据的尺度和卫星接收数据的尺度存在很大的差异，要想验证卫星遥感数据及其产品的准确性和精确性，必须首先研究、解决尺度问题1 1、尺度研究的重要性、尺度研究的重要性FF 尺度是一个广泛使用的术语，在不同的领域有着不同的内涵。尺度既可以表征研究的幅度（如地理范围），也可以作为刻画细节的度量（如分辨率）。2 2、尺度概念与特性、尺度概念与特性Spatial ResolutionGeneral rule of thumb:the spatial resolution should be less than half of the size of the smallest object of interest.Spectral ResolutionMSS has 4 spectral bands:Band 1:0.5 to 0.6 m(green)Band 2:0.6 to 0.7 m(red)Band 3:0.7 to 0.8 m(near IR)Band 4:0.8 to 1.1 m(near IR)8-bit256 greys6-bit64 greys4-bit16 greys3-bit8 greys2-bit4 greys1-bit2 greysRadiometric Resolution and ExtendMaximum brightness=255Maximum brightness=127Signal-To-Noise RatioSignal-To-Noise RatioRadiometric Resolution and ExtendSensor DirectionNadir:sensor points straight downOff-nadir:sensor pointed at an angleSome sensors have detectors which are pointable(e.g.the detector arrays themselves can rotate).Other sensors have a set of fixed,off-nadir detectors.Temporal Resolution and ExtentTemporal resolution:the shortest amount of time between image acquisitions of a given location.Polar orbiting satellitesGeosynchronousAerialTemporal extent:the time between sensor launch and retirement.Important to consider if historical data is necessary.MISR has a swath width of 360 km.and images the earth once every 9 days.MODIS has a swath width of 2,330 km.and images the earth once every 1 to 2 days.2 2、尺度概念与特性、尺度概念与特性http:/www.meteoswiss.ch/web/en/climate/climate_since_1864/phaenologie.htmlhttp:/www.meteoswiss.ch/web/en/climate/climate_since_1864/phaenologie.htmlhttp:/www.igbp- 2、尺度概念与特性、尺度概念与特性2 2、尺度概念与特性、尺度概念与特性（2 2）特征尺度：）特征尺度：线性与非性与非线性混合性混合冠层特征尺度：线性混合下的最小分辨单元。当具有不同波谱属性的地物出现在同一个像素内时，就会出现混合像元。水平维混合像元问题是阐述冠层特征尺度的基础工作。从光的辐射传输角度，可以将水平维混合像元划分为线性混合和非线性混合两种类型。线性混合表示各亚像元之间的不存在交叉辐射或交叉辐射能相互抵消。非线性混合表示各亚像元之间存在交叉辐射且不能相互抵消，如光线相互遮挡现象。2 2、尺度概念与特性、尺度概念与特性（2 2）特征尺度：）特征尺度：线性与非性与非线性混合性混合当当对高分辨率影像高分辨率影像进行升尺度聚合行升尺度聚合时，当聚合尺度到达冠，当聚合尺度到达冠层特征尺度后，冠特征尺度后，冠层特征尺特征尺度度对应的地物之的地物之间的下行的下行辐射是独立的，即冠射是独立的，即冠层特征尺度特征尺度对应的光照要素是完全一致的，的光照要素是完全一致的，冠冠层特征尺度下的地物是均一或随机分布的，冠特征尺度下的地物是均一或随机分布的，冠层特征尺度特征尺度对应的的图像呈完全的均像呈完全的均质性性或随机分布特性或随机分布特性，图像局部方差不会随分辨率的降低而像局部方差不会随分辨率的降低而进一步降低一步降低。冠冠层特征尺度与局部方差函数特征尺度与局部方差函数变程的物理内涵就是一致的，可以用超高分辨率程的物理内涵就是一致的，可以用超高分辨率图像的像的局部方差曲局部方差曲线变程定程定义来建立冠来建立冠层特征尺度的定量数学模型。即：特征尺度的定量数学模型。即：对于超高分辨率影像于超高分辨率影像(分辨率要分辨率要远高于冠高于冠层特征尺度特征尺度)，统计不同分辨率条件下的不同分辨率条件下的图像局部方差，像局部方差，获得整个空得整个空间尺度上的局部方差曲尺度上的局部方差曲线，当分辨率当分辨率h h逐逐渐增大到冠增大到冠层特征尺度特征尺度时，局部方差函数，局部方差函数计算算值不再随着空不再随着空间分辨率的降低而降低。冠分辨率的降低而降低。冠层特征尺度数学模型定特征尺度数学模型定义如下，如下，h为空间分辨率，C为冠层特征尺度，h分辨率尺度增量2 2、尺度概念与特性、尺度概念与特性（2 2）特征尺度：）特征尺度：线性与非性与非线性混合性混合020406080051015202 2、尺度概念与特性、尺度概念与特性（2 2）特征尺度：）特征尺度：线性与非性与非线性混合性混合A点为株行距实测值，B点为冠层特征尺度模型值定量定量遥感关心的可遥感关心的可标度参量的尺度效度参量的尺度效应。可标度量：不同尺度下实测参数是一致的。不可标度量：测量值依赖于测量尺度。1967年在国际权威的美国科学杂志上发表了一篇划进代的的论文，它的标题就是英国的海岸线有多长？统计自相似性与分数维数中，文章作者曼德布罗（Beonit Mandelbrot）是一位当代美籍法国数学家和计算机专家，当时正在纽约的IBM公司的活特生研究中心工作，而他的答案却让你大吃一惊：他认为，无论你做得多么认真细致，你都不可能得到准确答案，因为根本就不会有准确的答案。英国的海岸线长度是不确定的！它依赖于测量时所用的尺度（1 1）遥感尺度效）遥感尺度效应定定义3 3、遥感尺度效、遥感尺度效应产生的原因生的原因3 3、遥感尺度效、遥感尺度效应产生的原因生的原因（1 1）遥感尺度效）遥感尺度效应定定义由于地球表面空间作为一个巨系统的复杂性，在某一尺度上人们观察到的性质、总结出的原理或规律，在另一尺度上可能有效、可能相似，也可能需要修正。加之遥感观测信息多空间分辨率并有的特点，从定量遥感出发的地学描述必然存在多尺度的问题(李小文,2002,2005&2013)。对于定量遥感，空间尺度是传感器观测地表空间的量度范围，其量度范围的变化就产生尺度效应。定量遥感尺度效应源于地物空间复杂性，这种复杂性体现在地物空间结构、地物本身辐射特性、冠层层面的植被组分差异、遥感数据像元层面的尺度差异、像元内部组分差异等(李小文，1998)3 3、遥感尺度效、遥感尺度效应产生的原因生的原因定量遥感产品的生产，是在物理模型或经验模型的基础上，建立遥感产品生产应用模型，利用遥感数据作为输入参数，辅助以非遥感数据，得到反演参数的遥感产品。这些产品模型都是建立在一定空间尺度(空间分辨率)上的，通常像元尺度越大，像元内包含的不均一现象就越多，而这种像元内部的地表异质性，会在尺度变化时产生计算结果的差异，这种现象就是遥感产品的尺度效应。同一区域、同一时间、同样遥感模型、同类遥感数据、同等成像条件，只是分辨率不同导致的遥感反演地表参量不一致，且这种地表参量属于存在物理真值的可标度量，这种现象称为遥感产品尺度效应。(刘良云，植被遥感原理与应用，2014)定量遥感科学中的空定量遥感科学中的空间尺度效尺度效应定定义（1 1）遥感尺度效）遥感尺度效应定定义测测量尺度量尺度变变化化Local ScaleLarge ScaleUpScalingUpScalingDownScalingDownScaling待解决的关待解决的关键键点：点：模型非模型非模型非模型非线线性的影响性的影响性的影响性的影响参数异参数异参数异参数异质质性的影响性的影响性的影响性的影响3 3、遥感尺度效、遥感尺度效应产生的原因生的原因基于地表特征参数的尺度基于地表特征参数的尺度基于地表特征参数的尺度基于地表特征参数的尺度转换转换模型模型模型模型(李召良、李召良、李召良、李召良、阎阎广建，广建，广建，广建，973973973973交流交流交流交流报报告告告告)3 3、遥感尺度效、遥感尺度效应产生的原因生的原因基于地表特征参数的尺度基于地表特征参数的尺度基于地表特征参数的尺度基于地表特征参数的尺度转换转换模型模型模型模型(李召良、李召良、李召良、李召良、阎阎广建，广建，广建，广建，973973973973交流交流交流交流报报告告告告)(F(x1)+F(x2)+F(xn)/n(F(x1)+F(x2)+F(xn)/n?=?=F(x1+x2+xn)/n)F(x1+x2+xn)/n)什么什么情况下不存在尺度效情况下不存在尺度效应？地表异地表异质性是普遍存在的。性是普遍存在的。线性反演模型、且模型性反演模型、且模型驱动变量与量与辐亮度信号是亮度信号是线性性变换的。的。3 3、遥感尺度效、遥感尺度效应产生的原因生的原因3 3、遥感尺度效、遥感尺度效应产生的原因生的原因尺度效尺度效应产生原因生原因1 1）非）非线性遥感模型性遥感模型非常简单：f(a1)+f(a2)+.+f(an)/n!=f(a1+a2+.+an)/n)f为遥感反演模型，（a1,a2,.,an）为1个低分辨率遥感像素对应的n个高分辨率像素的遥感变量；!=为不等号2 2）非）非线性遥感性遥感变量量（遥感反演模型的遥感特征参数，如LAI经验反演模型中的NDVI就是非线性的遥感变量）非常简单：遥感反演模型的遥感变量（如NDVI）与遥感辐射信号（如DN值、辐亮度）之间是非线性的。g(b1)+g(b2)+.+g(bn)!=g(b1+b2+.+bn)/n)g为遥感特征变量与遥感辐射信号之间的数学函数，（b1,b2,.,bn）为1个低分辨率遥感像素对应的n个高分辨率像素的遥感辐射信号。THANK YOUSUCCESS2024/3/17 周日25.3 3、遥感尺度效、遥感尺度效应产生的原因生的原因尺度效尺度效应产生原因生原因3 3）非）非线性混合像元性混合像元对应低分辨率低分辨率图像，高分辨率像素之像，高分辨率像素之间存在相互遮存在相互遮挡和交叉和交叉辐射。射。该问题稍微复杂些，根本原因是遥感反演模型是建立在某个特征尺度上的，而高分辨率遥感图像分辨率高于遥感模型对应的特征尺度，导致遥感反演模型不能应用到高分辨率影像中。f(b1+b2+.+bn，Ref)!=f(b1，Ref)+f(b2，Ref)+.+f(bn，Ref)f为为遥感反演模型，b1,b2,.,bn为1个低分辨率遥感像素对应的n个高分辨率像素的遥感辐射信号，Ref为遥感数据定量化处理的参考。以光学遥感为例，Ref为近地表的太阳入射能量。例：1米高分辨率遥感图像，用f（NDVI）经验模型反演LAI，用表观反射率计算的NDVI及其反演LAI就带来很大误差了。注：可以将1）和2）合并为非线性遥感反演问题。热红外、微波遥感对应的非线性混合像元问题可能有些差别。3 3、遥感尺度效、遥感尺度效应产生的原因生的原因 植物受气候和其他环境因子的影响而出现的以年为周期的自然现象，包括植物的发芽、展叶、开花、叶变色、落叶等,是植物长期适应季节性变化的环境而形成的生长发育节律。Basswood 春季物候Basswood 秋季物候植被物候的尺度效应？时序数据遥感反演参数也会序数据遥感反演参数也会产生尺度效生尺度效应。3 3、遥感尺度效、遥感尺度效应产生的原因生的原因AVHRRMODIS 20052005年全球植被返青期空年全球植被返青期空间分布格局分布格局植被物候的遥感提取算法研究植被物候的遥感提取算法研究传感器比感器比较-尺度效尺度效应？4 4、遥感、遥感产品尺度效品尺度效应定量定量计算模型算模型由于各种NDVI-LAI经验统计的非线性模型都呈现下凹的曲线(如指数模型)，尺度效应会导致低分辨率遥感反演LAI值偏小。问题：低分辨率是不是导致LAI低估的原因？湿地：高估植被与陆地：低估R2=0.730500.20.40.60.8100.511.522.533.5NDVI-LAI 4 4、遥感、遥感产品尺度效品尺度效应定量定量计算模型算模型NIRREDNDVILAI植被0.050.50.822.54 土壤0.250.30.090水体0.030.02-0.200植被+土壤0.150.40.450.691.27线性混合像元的LAI尺度效应案例4 4、遥感、遥感产品尺度效品尺度效应定量定量计算模型算模型u升尺度方法U1为“反演后再平均”，模拟得到的低分辨率的LAI数据与高分辨率的LAI产品在大像素或区域统计结果是完全一致的，是高分辨率、小像素尺度的LAI观测结果。u升尺度方法U2为“平均后再反演”，与低分辨率遥感成像过程是一致的，获得的是低分辨率、大像素尺度的LAI观测结果。U3与U1升尺度方法的结果差异即为高、低分辨率之间的LAI遥感产品尺度效应大小，也是以B3、B4两个波段反射率为自变量的LAI非线性模型的高、低分辨率之间的尺度效应。u升尺度方法U3中，由于NDVI与反射率之间的非线性关系，线性重采样过程会带来一定的尺度转换误差，与U2升尺度方法相比较，其差异就是NDVI变量非线性引起的高、低分辨率之间的尺度效应；与U1升尺度方法相比较，二者差异就是以NDVI为自变量的LAI非线性模型的高、低分辨率之间的尺度效应。基于地表特征参数的尺度基于地表特征参数的尺度基于地表特征参数的尺度基于地表特征参数的尺度转换转换模型模型模型模型(李召良、李召良、李召良、李召良、阎阎广建，广建，广建，广建，973973973973交流交流交流交流报报告告告告)假设条件：反演函数连续可导（至少到2阶）反演函数在空间域A内变化缓慢使用泰勒级数将反演函数在参数均值处展开，忽略掉3阶及3阶以上项（一维为例）：4 4、遥感、遥感产品尺度效品尺度效应定量定量计算模型算模型4 4、遥感、遥感产品尺度效品尺度效应定量定量计算模型算模型 4 4、遥感、遥感产品尺度效品尺度效应定量定量计算模型算模型4 4、遥感、遥感产品尺度效品尺度效应定量定量计算模型算模型4 4、遥感、遥感产品尺度效品尺度效应定量定量计算模型算模型4 4、遥感、遥感产品尺度效品尺度效应定量定量计算模型算模型锡林浩特草原区域的林浩特草原区域的TMTM和和MODISMODIS之之间的尺度效的尺度效应为0.02980.0298，尺度效，尺度效应导致的相致的相对偏差偏差为5.6%5.6%，若利用二，若利用二阶导数的非数的非线性性项进行尺度校正，基行尺度校正，基于于B3B3、B4B4两波段反射率和两波段反射率和NDVINDVI为自自变量的二量的二阶导数校正后的尺度效数校正后的尺度效应偏差分偏差分别降低到降低到0.004170.00417和和0.007690.00769，修正后的尺度效，修正后的尺度效应相相对偏差分偏差分别为0.78%0.78%和和1.45%1.45%。4 4、遥感、遥感产品尺度效品尺度效应定量定量计算模型算模型4 4、遥感、遥感产品尺度效品尺度效应定量定量计算模型算模型4 4、遥感、遥感产品尺度效品尺度效应定量定量计算模型算模型5 5、遥感、遥感产品真品真实性性检验ModisModis LAILAI产品尺度品尺度转换与真与真实性性检验实测数据数据(LAI、光谱、坐标、)准确、小尺度LAILAI遥感遥感统计模模型型/物理模型物理模型高分辨率遥感填高分辨率遥感填图相对准确、中尺度尺度尺度转换低分辨率遥感低分辨率遥感检验产品品相对准确、大尺度真真实性性检验与精与精度度评价价ModisModis、Glass LAIGlass LAI产品品相对准确、大尺度1 12 23 31 1、遥感模型精度如何？、遥感模型精度如何？2 2、遥感数据定量化精度如何？、遥感数据定量化精度如何？地面地面实测数据与数据与卫星不同步星不同步3 3、尺度、尺度转换的精度如何？模型尺度效的精度如何？模型尺度效应和数据尺度效和数据尺度效应基本假定：基本假定：辐亮度亮度图像之像之间不存在尺度效不存在尺度效应；30m-30m-kmkm是是线性混合。性混合。5 5、遥感、遥感产品真品真实性性检验5 5、遥感、遥感产品真品真实性性检验5 5、遥感、遥感产品真品真实性性检验5 5、遥感、遥感产品真品真实性性检验5 5、遥感、遥感产品真品真实性性检验5 5、遥感、遥感产品真品真实性性检验锡林浩特草原林浩特草原Modis LAIModis LAI产品的真品的真实性性检验5 5、遥感、遥感产品真品真实性性检验数据准备（以内蒙古数据为例）数据位置时间Landsat TM124/292011.08.18MOD09A126/042011.08.13-20MOD15A226/042011.08.13-20NDVI(calculated from in situ spectra data)LAI(in situ)R2=0.76500.20.40.60.800.20.40.60.811.21.41.6建立NDVI-LAI回归关系（n=19），作为LAI模型来进行验证工作。研究区内蒙锡林浩特时间2011.08.21-24数据光谱光谱仪测量，光谱重采样LAI采集，取样，称重，扫描，计算TM数据：大气校正，剔除浓云、云影，(ENVI)MODIS数据：转换投影，裁剪，重采样，(MRT)锡林浩特草原林浩特草原Modis LAIModis LAI产品的真品的真实性性检验5 5、遥感、遥感产品真品真实性性检验结果分析果分析误差来源影响贡献总体高估25%数据定量化低估8.1%模型高估35.4%尺度效应模型低估2.4%驱动变量低估0.7%验证结果需要进行定量分析。结果由以下几个因素构成，右图用线性关系来分析各个因素，下表为各因素的影响。锡林浩特草原林浩特草原Modis LAIModis LAI产品的真品的真实性性检验5 5、遥感、遥感产品真品真实性性检验5 5、遥感、遥感产品真品真实性性检验真真实性性检验要考要考虑模型的适用性；模型的适用性；真真实性性检验的基的基础是定量化遥感是定量化遥感处理理处理；理；真真实性性检验要考要考虑时间同步性，特同步性，特别是是辐射量；射量；基于高分辨率尺度效基于高分辨率尺度效应研究是理解尺度效研究是理解尺度效应的基的基础。THANK YOUSUCCESS2024/3/17 周日48.