1、河南大学硕士学位论文基于地面参数的遥感图像并行仿真算法研究姓名：徐辉申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：沈夏炯20100501第页河南大学硕士研究生学位论文，。，像，谢，：）。，。，：；关于学位论文独立完成和内容创新的声明本人向河南大学提出硕士学位串请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立完成的，对所研究酌课题有新的见解。据我所知，除文中特别加以说明、标注争致谢韵地方外，论文孛不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的擎位成证书雨使用过的材料尊与我一同工作的同事对本篪究所做的任何贡献均已在论文中作二誓”移：；！瓣飘尉喜薹；，一
2、多霉；了本人经河南大学审核批准授予硕士学位。作为学位论文的作者，本人完全了解并同意河南大学有关保留、使庵学位论文的要求，即河南大学有权向国家图书馆、群研信，魄构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文（纸质文本和电子文本以供公焱检索、奎阑莓人授投河惑走学出于宣扬、展览学校学术发展和进行学术交流等霹的慨虿秣采取影印：、缩印、扫描和拷贝等复制手段保存、汇编学位论文（纸质文本和电子文本）。（涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书）学位获得者（学住论交作者）釜名：石年歹月乙日学位论文指导教师签名海南大学硕士研究生学位论文第页第章绪论引言在未来国际上和我国的对地观测计划中，先进的多光谱、高光谱、多角
3、度和微波遥感器层出不穷，它们将在人类认识地球甚至宇宙空间中扮演十分重要的焦色。但是航天技术和遥感器技术的发展最终还是要落实在遥感应用上，因此以应用为导向的遥感器设计和应用模型的发展是真正体现航天遥感价值的关键。而对这些遥感器进行前期技术论证以及遥感应用模型开发的一个关键环节就是遥感图像的嚣期模拟。根据民用航天专项科研“十一五规划，我国将在继续完成原有遥感科研卫星科研项目基础上，根据业务部门对遥感业务发展的科研需求，开展综合对地观测系统的研制，包括继续研制风云三号（一）星，开始研制风云西号卫星；研制海洋动力卫星（）星；研制中巴地球资源卫星星和新一代资源 卫星；完成环境减灾小卫星星座基本型（十）；
4、通 过国际合作建立环境减灾小卫星星座（）等。面对我国如此雄心勃勃的遥感计划，尤其当我匿航天遥感爨已经对“酸应用为导向”形成共识的时候，一个十分突出的问题摆在我们面盼：作为遥感器研制单位对未来研制的遥感器图像参数缺乏系统的论证，对图 像可能的效果缺乏感性认识；卫星应用单位为了及时有效利用卫星数据，必须事先开展数据处理和应用模型研发工作，德苦予没有相关模拟数据。另外，在对图 像模拟的过程中， 传统的算法模型采用串行的执行方式，需要耗费大量的时间，效率很低，因此无法 满足遥感实时处理的需求，因此急需在算法层次上对其进行改进，真正的应用到实践中去。利用模拟的遥感图像可以焉来论证基于新型遥感器的对地观测
5、计划的技术可行性，同时也可以优化遥感器系统参数和数据获取方案。航天遥感图像仿真模拟是基于计算机技术与遥感物理机理的航天遥感图像生成过程的模拟技术，在众多方面都有非常重要的作用与意义：在科学机理研究中：并行于传统数理方法的一种薪型研究手段；在遥感技术研究中：优化遥感器系统参数和数据获取方案，隽数据处理提供输入数据，缩短周期、降低成本；在应用研究中：论证基于新型遥感器的对地观测技术可行性，模拟目标特性及遥感技术应用能力的平台。第页；南大学 硕士研究生学位论文国内外研究现状从世纪年代航天事业发展初期开始，仿真技 术就以其高可靠性、无破坏性、可多次重复、不受时空限制、安全和 经济性丽在航天工程得到广泛
6、应用，是航天工程中降低生产成本及风险的有效途径之一。当时计算机技术才刚刚起步，模拟仿真技术主要是物理仿真。人们在实验室利用人造太阳提供各种辐照度和不同谱段的照明，并布置各种不同的靶标和军用目标模型，其 试验平台可模拟卫星在轨飞行时的环境条件以及目标的运动。其中最为著名豹是世纪 年代美国光学研究中心建立了小型成像仿真系统【。其通过模拟太阳辐射，以缩比地物模型作为仿真目标，使用真实的光学系统和传感器获取模拟场景的图像。配合大气辐射传输模型建立了一整套混成式多光谱仿真系统（），可以模拟不网的地物场景、观测条件和遥感系统，生成从一波段范围的多光谱图像，能反映地物场景反射、大气辐射与消光、系统观测条件及
7、传感器性能等多方瑟特性。同一时期，美国 为了建立复杂的地物模型，开始发射地球环境探测卫星，从世纪至年代，发射了多颗此类卫星，获得了大量的埯表、大气和地球环境数据。这些数据有利于建立地物模型，从而为遥感成像模拟仿真提供了坚实的基础。同盟开展了光电仿真系统的软件开发。年由资助的中心公布了集成设计软件平台，目标是航天器的虚拟制造（。）。世纪 年代焉期，随着遥感技术豹发震，逐渐毒现了模拟遥感系统的方法和软件。年，（）等以高分辨率影像为基础模拟了波段图像。年等人发表文章介绍了柯达公司针对胶片型遥感像机的仿真软件，该软牛主要使用信息量来评价一个胶片类型的照相系统睁。年，和腻分别对项目的高光谱图像和多焦度热
8、红外图像进行了仿真模拟，其突出特点是不依赖高分辨率图像，焉从植被生理生化参数和气象条件入手，以冠层辐射传输模型为基础，模拟出遥感图像。同年，美国国家宇航局（）的空间中心（）开发了进行传感器仿真的算法和软件产品 软件，它是一 组用来支持遥感数据需求的综合研究的数据模拟算法和数学模型的遥感系统模拟工具箱，通过对现有的高光谱和高空间分辨率数据的特性进行提前定义，生成模拟的多光谱图像（，） 】。河南大学硕士研究生学位论文第页另外还提出了基于的三维辐射传输方程的高光谱遥感模拟系统。美国纽约数字成像和遥感实验室的等开发了（）遥感裁像模拟系统模型，采用影像合成技术模拟可见光一热红外波段的多光谱或高光谱图像，
9、比较完整的考虑了地表、大气（和）与传感器作用等三部分；但地表场景模拟采用的方法物理意义不明确】。年，等 组合了的多波段模拟全色波段。最近，法国图卢兹一个实验室介绍了辐射传输模型，该 模型是基予蛾的发展起来的，箕利用高几何分辨率的机载数据，对地表三维结构与大气效应进行了综合考虑和处理【。此外，美国陆军夜视电子传感器管理局研制了软件，麓于光电系统性能分析。以色列的光电工业有限公司遥感系统开发部开发了砧）软件，用于可见光光电侦查成像系统性能预估与评价的醛弼。公司推出的商业产品系列仿真模块，使用少量参数的简化传感器模型满足了实时动态显示的尽的。在硬件制造方面具有强大优势的美国等发达国家，在发射星载传感
10、器之前，通常会制造具备与星载传感器相同功能的机载模拟器，焉于模拟以及评价该星载传感器的性能及应用潜力，如等。基本上是对同类传感器进行不同高度层的数据获取能力模拟。借助这些研究手段，国外研制入员在光学遥感器的设计阶段，就能预 估最终的星载传感器所获取图像的质量。鉴于其涉及敏感性领域，各发达国家对我国都实行了技术封锁，为了快速的发展我国的航空航天事业，研发蠡主知识产权的遥感成像模拟系统已经刻不容缓。相比于美、法等航天技术发达国家，由于我国在传感器等硬件的制造能力和信噪沈等指标方碰与之有高有差距。因此很难如国钤一样通过制造模拟器来模拟，只能对遥感的成像机理进行模拟。“七五期间，我国航空工业总公司中心
11、通过国家号引进工程建立了空对空导弹红外点源制导的模拟仿真系统。同一时期，航天工业研究所从美图引进了及图像仿真处理系统，该系统具有数字模拟光电制导全过程的功能。航天科工集团二院也获准建立了国家仿真中心，开发了红外刳导的半实物仿真系统。艺京理王大学结合“七五期间参加工程中的静态特性建模和仿真工作，开展了相应的光电成像模拟仿真的论证工作及计算机建模工作。“九五期间在兵器工业总公司的支持下，北京理工大学完成了光电系统仿真技术课题的初步研究工作。“九置期间，长春光机所与二炮合作完成了常规导弹打击效果评估成像仿真研究的课题，长春光机所第页河南大学硕士研究生学位论文编制了遥感图像模拟软件。中国空间技术研究院
12、所也在进行遥感器成像仿真与评价方面的研究工作，获得了系列的科研戒采。遥感信息与图像分析技术囡防科技重点实验室，已获取了大量的机载数据，并且根据所获得的机载数据进行过等商焉星载数攒的模拟试验。中国测绘科学研究院叶泽嗣、顾行发等人在利用高光谱超光谱数据进行遥感图像模拟以及将遥感模拟图像应用于不同传感器光谱性能分析方愿做了大量的研究译，对传感器的光谱模拟、阡模 拟 和大气影响模拟进行了探讨，并且利用模拟的图像对传感器相应波段的光谱响应、大气响应特性进行了定量的比较分析。论文的主要内容及组织结构本研究拟在地物辐射特性研究、大气传输模型研究、遥感器模型研究以及科学系统开发关键技术攻关的基础上，初步建立一
13、个专业化的航天遥感数据仿真模拟系统架构。通 过模拟出的真实图像和镊意波段组合的多波段图像可检验遥感器设计的合理性，此外，基于遥感物理机理，从遥感应用实时处理的需求出发，研究舯模型，利用模型找到地表反射率之间的对应 关系；研究传统的串行遥感墨像算法，：并对其进行并幸亍纯改造，加速图像仿真的速度。本文分为五章， 备章内容组织安排如下：第一章，主要介绍了论文研究的背景和意义、国内外对于图像到图像豹仿真及其关键技术的研究现状以及本文的研究内容。第二章，讨论 了基于地蘧物理参数的图像到图像的仿真的过程及这一过程中相关的技术。首先介绍了基于越（叶面 积指数）的地面反射率生成；其次，在地面反射率生成的基础上
14、，介绍了大气辐射传输的相关机理。第三章，主要从地表参数反演算法进行研究。阐述了如何通过对模型，结合遥感 图像仿真的需求，计算地表反射率，并在 传统算法的基础上给出了一种剩雳计算机集群实现图像到鎏像的快速仿真的解决方案。第四章，在分析和对比了传统几种大气辐射传输模型优缺点的基础上，论述了传统的大气辐射传输模拟方法。并在传统算法的基础上给出了一种利用计算机集群实现快速模拟大气辐射效应的方法。第五章，介绍本文所研究的内容的实例应用国家航天局航天遥感论证中心，基于地面物理参数的图像到图像仿真系统，给出了系统运行效果。结束语，对整篇 论文工作进行了总结，并 对下一步的工作进行了展望。河南大学硕士研究生学
15、位论文第页第章图 像到图 像仿真技术概述本章主要会绍了与遥感图像模拟方面相关理论、方法的概念，主要包括三方面，分别为：反演地表物理参数的相关概念、大气辐射传输方面的相关概念、并行计算方面的相关概念。基于（叶面积指数）的地面反射率生成页面积指数叶面积指数（）又叫叶面积系数，是一块地上作物叶片的总葱积与占地面积的比值。即：叶面积指数绿叶总面积占地面积。叶面积指数是反映作物群体大小的较好的动态指标。在一定的范围内，作物豹产量随叶面积指数的增大焉提高。当时面积增加到一定簖限度矮，匿闻郁闭，光照不足，光合效率减弱，产量反而下降。苹果园的最大叶面积指数一般不超过，能维持在较为理想。盛果期的 红富苹果 圆，
16、生长期亩枝量维持在万条之间，叶面 积指数基本能达到较为适宜的指标。传统的地面测量获 得信息有限，而且不能里面状分布，为满足大尺度模式的需求，对 泌的观测必须要有一个长时闻序列，并显要能代表所选区域的典型地表特征，因此区域尺度乃至全球尺度的估算仅靠地面观测是很难行得通的。随着遥感学科的飞速发展，遥感应用技术为大区域尺度泌的快速准确信算一提供了可能，也是目前最有效手段。地物反射光谱太阳与地表发生能量的交互，其中很大一部分能量（短波能量）以反射的形式，把能量返回。地物反射光谱是指地物的反射率随入射波长而变化的规律。根据地物的反射光谱所绘制的睦线成为地物反射光谱魏线，逶过地物反射光谱馥线的不同辨别地物
17、是遥感识别地物性质的基本原理。地物的反射光谱有如下特征：（）不同的地物在不同波段反射率存在差异（如雪地、小麦地的光谱曲线）（）相同地物光谱曲线有相似性，但是也存在差异性（如患虫害的小麦与正常小麦的光谱曲线）（）地物光谱特征具有事件性和空间性（不同时间与空间光谱特征不同）第页河南大学硕士研究生学位论文。植被的光谱特征以及与植被指数的关系其一、在蓝和 红。有两个吸收峰，主要是由于光和作雳，吸收蓝光和红光。其二、在。附近有一个绿色反射峰。主要是时绿素的影响。的图像较亮。其三、在近红外波段，反射急剧增加。主要是受细胞壁的影响。其中反射和透射避本各占隔。其四、在短波红外和附近，有两个水吸收带。主要是植被
18、中水分的影响。植被在删影像上的表现为，波段图像较暗，主要是由于蓝，红光的吸收谷。而在波段的图像 较亮，主要是由于叶 绿素的高反射绿光的原因。波段的萋像较清晰，主要是由于受到近红外波段的高反射。丽，波段的 图像较暗，主要受到短波红外的两个水吸收带的影响。其中，波段的图像主要反映了植被的绿度；，？波段主要反映了植被的湿度；波段主要反映了植被的热度信患。对于可见光波段而言，植被对绿光离反射（叶绿素），对红光高吸收，对近红外高反射（细胞壁结构），对于短波红外丽言，它受水分含嫠的控制。在和有两个水吸收带（短波红外）。而针对复杂的植被遥感，利用多光谱数据，按照一定的规则运算，得到能够指示植被生长的数值，叫
19、做植被指数。植被指数的反演一般瘸红光和近红外波段。可以利用秘数据的，（红），（近）波段。分辨率；数据的（红），（近）波段。分辨率。特性：植被对红光吸收较强，眈近红外反射和透射各占一半。土壤对红光的反射较强，对 近红外的反射也较强，但反射 红光的能量要小于反射红外的能量。植被指数主要包含：（）比值植被指数（）：它直接与植被的叶 绿素、生产量、密切相关。主要利用植被对红光高吸收，对近红外和绿光高反射的特性。建立（）（）或者（）（），生产量，叶绿素含量。由于受大气因素影响较强，因此可以利用求相应波段的反射率，然后再比值，求。（）归一化植被指数（）：由于在 浓密的植被覆盖之下，求的的值会无限大。这时
20、就需要对其做归化处理，使其值在一，之间变化。即；（）一（）（）（）。丽剩震，可以用来徽壤橇被覆盖、土壤水分含量估算、等应用。（）调整土壤亮度的植被指数（）：由于对土壤亮度比较敏感，河南大学硕士研究生学位论文第页因此引入了一个调节土壤亮度的值，得到（）一（）（）（）宰（）。当己秀时，就是。（）差值植被指数（）：（）一（）它对土壤的变化背景及为敏感，可用于监测植被的周围环境，又称 环境植被指数。另外，当植被覆盖程度。时，灵敏度降低。（）穗帽变换 中的植被绿度指数（）：和的作用一 样，都是 为了调节土壤背景对植被光谱特性的影响。（）垂直植被指数（）：，削减了土壤和大气的影响因素，因此被广泛的应用。影
21、响植被指数的因素有：物候历一农事历，大气效应，太阳高度角，方位角等因素。物候历一农事历的影嘀主要是：作物扶生长到死亡，其尘理、夕行、结构都发生变化，因此其反射特性也发生吉祥性变化，因此会影响到植被指数。大气效应的影响主要是：大气对组成植被指数的红光和近红外波段有不同的衰减。对红光来说，由于大气的上行辐射和数射的原因，造成植被的红光辐射增强；丽对于近红外来说，大气的吸收秘散射，会黯植被的近红矫辐射降低。由此，导致两者的对比度下降，影响了植被指数。植被指数与叶绿素的关系：叶绿素含量增多，红、蓝波段吸收能强，近红外反射增强，指数就高。但是，当时绿素增加到一定程度的时候，红、 蓝波段吸收达到饱和，近
22、红外反射降低，因此，植被指数不明 显，因而，植物生 长旺季较难区分。植被指数与以的关系：以至越大，证明，植物的生长越好，丽植被的覆盖就越多，因此，植被指数数值就高。有植被覆盖的区域，就高，无植被覆盖区域，值就小。植被指数与生物量的关系：作物长势越好，越大，作物产量越高。而植被指数又与成巍接的定量关系。贝叶斯理论贝叶斯理论可以如下理解：如果为参数空间，由模型参数组成，为数据空闻，由观测 数据 组成。 对于给定的观测 量，得到参数的条件概率为（），由贝叶斯公式有：第页河南大学硕士研究生学位论文郴等拦沼，其中（圪）（）烈），曩）为关予的先 验分布，尹（）表示在给定时的条件概率，当把它看为是的函数时，
23、又称为似然函数。（匕）即为的后 验概率，又称为的后 验分布。如果观测数据的误差，模型的 误差及先验分布均服从高斯分布，依据的信息理论，参数的后验概率密度成（）可以表示为：岛，骶畦 【一功； 一】二）十谬毯，歹掣（）这里，为常数，（）表示前向模型，协方差矩阵用来描述建模及测量的不确定性；则是先验估计的协方差矩阵。由上式可见，在高斯分布假设的前提下，建模的不确定性和测量误差可以合并为一项来考虑，而先验分布可由估计值及协方差矩阵来表示。反演的过程即是求出个，使得后验概率密度最大，也即使得下面的代价涵数最小：踊去【缎一功研一十了口髀盖】（）。大气辐射传输模拟遥感图像仿真是一个光学遥感信息获取的模拟过程
24、，在地物反射的能量在到达传感器的过程中，会发生能量的衰减，因此在对遥感图像进行模拟的过程中，要考虑大气因素对能量的影响，模拟卫星传感器获取的大气效应和地表信息。由于大气效应和地表反射特性具有不同辐射传输机理，所以要针对不同的大气状况，分别模拟大气辐射效应。大气对地物光谱特征的影响主要有吸收、散射和辐射，以及在大气传输过程中能量的衰减。大气辐射传输特性散射和吸收是电磁辐射在大气中传输过程中经历的两种基本物理过程，大气河南大学硕士研究生学位论文第页的吸收和散射效应将导致辐射衰减，使得辐射强度、频率、传播方向及偏振状态发生变化，因此，模拟大气辐射传输必须先了解大气的吸收和散射作用。，大气的吸收作用大
25、气中某些气体分子如、：、魄等，会对电磁辐射进行选择性吸收，使得辐射随着传输路程的增大而减小，被吸收的辐射能转化为热能，其衰减程度与辐射波长、大气的温度、 压强及吸收气体含量等有关。图是大气中气体对太阳辐射吸收的概况。最上面的曲线是日地平均距离时大气上界的太阳辐照度，下端曲线是计算大气分子散射对阳光的散射削弱盾，到达地面的太阳辐射光谱（计算中取地面气压为一个大气压，太阳的位置在天顶，大气臭氧总量为。（），空中水汽总量为堍）。蓝线下黑色部分炎大气中气体对太阳辐射吸收所造成。由图可以看出：除了云和尘埃外，大气中吸收太阳 辐射的气体主要是水汽和臭氧，次要的气体是二氧化碳和氧分子。中间层以上的氧分子，氮
26、分子，及被太阳高能辐射离解的氧原子，氮原子吸收一定波段的太阳辐射，使大气以上的热层加热，但这个波段太阳辐射功率很小，它对中下 层大气辐射热收支影响很小。图达到大气上界和地面的太阳辐射谱（黑色部分表示气体的吸收）臭氧吸收太阳辐射主要在平流层，平流层空气比较稀薄，教射作用毖吸收作用小得多。如果不考虑大气的散射，计算臭氧吸收的太阳辐射，可从积分，求大气上界到高度，臭氧吸收的太阳直接辐射只为风口五【，一蚺足牌（）警薯乏秘一髂凝攥簸凝第页 河南大学 硕士磅究生学位 论文其中，。乡是太阳天顶角余弦的绝对值，太阳常数的谱密度。五是羔锄龙（勘阳辐照度瓯即得臭氧 对太阳直接辐射的吸收率（），它是太阳直接辐射经过
27、臭制去一）（） 。蠢（）鳓蠢沼）河南大学硕士研究生学位论文第页（）水汽吸收太阳红辨辐射，（）。（）其光学质量要进行气压订正。）硭蚓捍咖协，对经过地面反射向上的阳光 “（引，水汽的光学质量为詈榭咖詈心卜硼，为水汽密度， 为比湿，为重力加速度。大气中氧气对太阳辐射吸收率与氧气光学质量的经验公式为：彳（）瓜丽）（对向下的阳光弓对地面反射向上的阳光。（）】二氧化碳吸收太阳辐射在红外区，由于水汽在这些波段有较强的吸收，二氧化碳对阳光的吸收量比水汽小得多。、如、对红外辐射也有吸收作用，但其含量甚微，对辐 射传输的影响不缀显著。大气的散射作用大气的散射效应主要起因于大气中悬浮的气溶胶粒子，如尘埃、水滴、云雾
28、、冰晶等对电磁辐射的散射作用，它将使辐射在大气中传输时改变方向，散射过程中辐射能量将在空闻重薪分配，分配方式与辐射波长、粒子尺度和形状以及粒子的折射率有关。散射在所有波长上都会出现。位于电磁波传播路径上的粒子连续的从入射波中吸取能量，同时把吸收的能量再发射到以粒子为中心的全部立体角中，即散射第页 河南大学 硕士研究生学位 论文。辐射传输方程单色辐射在大气中传输时，要经历衰减和增强两类过程。沿方向芦传输的辐射强度在讲路径上经历的变化为必）也尹）一泐阢（）盖（）舵）其中为位置变量：下标五表示波长。，丑是辐射强度或辐亮度，七知是质量衰减系数，其单位取决于矿的单位；是体积衰减系数，表征了路径讲上由于介
29、质吸收和散射引起的辐射的衰减。厶是源函数，表征了介质由于教射和热辐射弓起的对辐射的增强。其中，散射的源函数为以）辔弘蛐细岷协彩氕为单次散射反照率，七知是体积散射系数，是散射相函数，缸是直射太阳辐射。热辐射的源函数为以（，）一彩（，慨）（）其中，易？）为函数。式（）可改写为微分形式的辐射传输方程：鸩）九（）一）】）一厶） 】（）河南大学硕士研究生学位论文第页大气 顾部圈平行大气示意图上龙（舶）（）辐射传输方程成为了蠢（阢）一）】龙（）并行计算技术遥感领域，很多 时候，算法并不一定缀复杂，但是数据的分辨率太高了，数据文件通常都很大，如果再做几个月、一年的统计分析，耗时很多。消息传递方式是广泛应用予
30、某类并行机的一种模式，特别是那些分布存储并行机。利用技术可以大幅度提供那些需要重复计算多次相同操作运算过程的速度，而在遥感图像模拟方面，一幅图像会有上百万个像元，两这些像元往往执行的是同样一种操作，因此本文选择利用对图像模拟过程中的算法 进行并行化，以提高遥感图像模拟在速度上的瓶颈问题。可以从以下个方面来进行定义：（）是一个库，丽不是语言，也就是说不是一种并行化 编程语言。但是，按照并行语言的分类，可以把或看作是一种在原来串行语言基础之上扩展后得到的，并行语言库可以被盯胜？ 鹋调用，使其鲁身遵循所有对库函数过程的调用规则，和一般的函数过程没有什么差异。（）是种标准或规范的代表，而不是具体的实现
31、，也就是说，为并行算法研究提供了一种规范，所有的并行计算机制造商都提供对的支持，第页 河南大学 硕士研究生学位 论文可以在网上免费得到在不同并行 计算机上的实现，一个正确的程序可以不加修改地在所有的并行机上运行。（）是一种消息传递编程模型，并成为这种编程模型的代表。事实上，标准虽然很庞大，但是它的最终霉的是服务 予进程闻透信这一篷标的。河南大学硕士研究生学位论文第页第章地表反射率查找表生成研究是指示作物生长情况的一个重要参数，由于作物的不同生长时期对的计算需要考虑到不同的物理参数，因此如果利用传统的地面测量方法，很难精确的测量到的精确 值，而且 测得的值 不能呈面状分布。而在大尺度的潍王监测时
32、，对的 观测必须要进行长时间的连续观测，并且在观测时，要 选取能够代表典型地物波谱特征的区域，这就造成了仅靠传统的观测手段很难进行区域尺度乃至全球尺度估算。但是，随着遥感应用技术突飞猛迸的发展，利用遥感技术进行大尺度豹快速精确估算成为一种趋势，也是目前最有效的估算手段。利用遥感技术反演的方法目前来说，对 于页面积指数（焱王）的反演方法， 总的来说，可以划分 为鼯类，分别为：统计模型法和物理模型法。它们都是利用了植被不同的光谱特性来进行对的反演。利用统计模型反演 酞的方法统计模型反演的方法，是把植被指数（）作为输入参数，结合植被冠层的反射特性，通过经验算法模型，最后得出 页面积指数（）。根据植被
33、的光谱特性可以得知：植被在蓝和。红。有两个吸收峰，主要是由于光和作焉，吸收蓝光和红光。在附近有一个绿色反射峰。主要是叶绿素的影响。的图像较亮。在近红外波段，反射急剧增加。主要是受细胞壁的影响，其中反射和透射进本各占。在短波红外和。附近，有两个水吸收 带，主要是植被中水分的影响。从植被对红波段（）高吸收，对近红外波段（）嵩反射的特性可以看出，这两个波段的反射特性的差异是进行定量化叶面积指数反滨的两个最佳波段，并且也是统计分析叶面积指数的理论基础。利用这两个波段，可以进行各种植被指数（）的反演，反映植被的各种物理和几何信息。丽又可以利用反演的植被指数（）来进行王的反演。在众多的两波段植被指数中，常
34、 应用于反演计 算的是绝对 比值植被指数（）、 归一化差值植被指数（）和垂直植被指数（），如下公式所示疆引；艘成，岛（）第页河南大学硕士研究生学位论文幻。一，）气，）（）（一孵）（理（）式中，成和，分别是近红外波段（）植被反射率和红波段（）植被反射率，而、为 相关系数。针对，由于其对植被变化敏感性强且与作物的物理参数的关系明显的特点，因此被广泛应用于页面积指数（）的反演引。而归一化植被指数（），是在比值植被指数（）的基础上，进行归一化处理，使其值在，之间变化，避免了当岛哼时的 值会无限增大的情况，因此也得到广泛的应焉。褥垂直植被指数（）利，则是削弱了土壤和大气因素对植被指数的影响，提高了植被指
35、数的反演精度。此外，多光谱 植被指数还发展了波段指数，常 见的有大气阻抗植被指数（）、修正植被指数（）和减少的绝对比值植被指数（），如下公式所示：么淄一熊）（）：盟一上纽见岛成戤一熊妇夕（）：鱼一上吐戤一（）式中，熊、岛和反分别是近红外波段、 红努波段及短波近红外反射率；撙馘和成分别为短波近红外最大和最小反射率；，辟一厂慨一，是一个与气溶胶类型有关的参数。计算时弓入蓝光波段，减少了由予大气气溶胶弓起的大气教射对红波段的影响，使得对大气的敏感性比小得多，对于未进行任何大气校正的图像处理较为有效。和计算时则引入短红外波段，增加了对植被下垫面昀土壤和其它背景的敏感性，从恧抑制背景的影响。随着高光谱技
36、术的发展及广泛应糟于植被遥感，高光谱波段窄且连续的波谱河南大学硕士研究生学位论文第页特性使得叶面积指数的研究有了进一步的突破，利用高光谱数据可以构建许多对更为敏感的植被指数，或者将常 规的植被指数变为连续的形式漆。以各类植被指数作为囊变量，以作为罴变量建立信算模型，即厂（）。常见的形式有 ：三，十如饿十（ ）删，蕊（ ）翻一一（一）（）以上各式中、均为经验系数。统计模型法属于经验性酌，虽然形式灵活，但易受对不同的数据源需要重新拟合，参数模型需要不断地调整，推广性差。因此许多学者致力于具有普适性的物理模型研究。利用物理模型反演的方法由于利耀统计模型反演页蘑积指数（）的 过程中存在着诸多的问题，因
37、此目前常用物理模型作为反演的方法。丽目前主要的物理模型主要可以分为四类，分别为：辐射传输模型、几何光学模型、混合模型、计算机模型。（）辐射传输模型（）辐射传输理论最初是用于研究光辐射在大气中传输的规律，主要适用于水平均匀植被或浑浊介质。基于平行平面的辐射传输模型由于有描述真实世界的准确性与计算的简便性两者的优势，迅速应用于植被遥感中。在辐射传输模型中，植被冠层被假设为一维混合介质，运层单元是随机分奄且水平无限均匀，垂直方向有限变化。 对于某一特定时间的植被冠层丽言，一般的辐射传输模型为：铂茹，只，或，妙，）（）式中，为冠层或叶片的反射率或透射率；彳为波长；以和纵分别为太阳天顶角和方位熊；吼和眠分别为观测天顶角和方位免；为一组关于植被冠层的物理特征参数（、叶西指向、植被生长姿态等）。从数学焦度看，要求得，只需得到上述函数的反函数，即以为自变量得到等参数，这就是辐射传输模型的基本原理。第
