《定量遥感》教学大纲 课程编号：0708166004 课程名称：定量遥感 学时数：40学分：2 开课时间：秋季 开课学院：资源与环境学院 授课对象：硕士 先修课程：遥感原理 一、教学目的 通过本课程教学，使学生了定量遥感科学前沿与发展趋势，掌握遥感建模和反演的基本 原理与方法：大气辐射传输模型、植被冠层反射模型（冠层辐射传输模型、几何光学模型、 计算机模拟模型，地表参数遥感反演策略与方法、四维数据同化与地表参数时序产品模拟、 地表参数遥感反演专题应用设计，具备运用定量遥感理论与方法解决复杂地表环境科学和工 程问题的能力。 二、教学内容与要求 该课程总学时数为40学时，分六章授课和研讨，具体学时分配、教学内容、教学要求 和研讨环节设计如下： 第一章绪论(4学时) 教学内容： 11遥感科学及其研究范畴(1学时) 1.2定量遥感的基本理论问题(0.5学时) 遥感的基本物理过程及模型系统、遥感的两个基本理论问题：建模和反演。 1.3遥感物理的基本概念(0.5学时) 电磁波与电磁波谱、地物的光谱特性、辐射能量等物理名词的含义、地物反射特征的描 述方法(BRDF、BRF、Albedo). l.4辐射传输(radiance transfer)方程的构建原理(1学时)教学要求： (1)理解遥感建模和反演两个基本理论问题 (2)掌握遥感物理的基本概念 (3)理解辐射传输(radiance transfer)方程构建的基本原理 教学重点： (1)定量遥感的基本理论问题 (2)遥感物理的基本概念
《定量遥感》教学大纲 课程编号：0708166004 课程名称：定量遥感 学时数：40 学分：2 开课时间：秋季 开课学院：资源与环境学院 授课对象：硕士 先修课程：遥感原理 一、教学目的 通过本课程教学，使学生了定量遥感科学前沿与发展趋势，掌握遥感建模和反演的基本 原理与方法：大气辐射传输模型、植被冠层反射模型（冠层辐射传输模型、几何光学模型、 计算机模拟模型，地表参数遥感反演策略与方法、四维数据同化与地表参数时序产品模拟、 地表参数遥感反演专题应用设计，具备运用定量遥感理论与方法解决复杂地表环境科学和工 程问题的能力。 二、教学内容与要求 该课程总学时数为 40 学时，分六章授课和研讨，具体学时分配、教学内容、教学要求 和研讨环节设计如下： 第一章 绪论（4 学时） 教学内容： 1.1 遥感科学及其研究范畴（1 学时） 1.2 定量遥感的基本理论问题（0.5 学时） 遥感的基本物理过程及模型系统、遥感的两个基本理论问题：建模和反演。 1.3 遥感物理的基本概念（0.5 学时） 电磁波与电磁波谱、地物的光谱特性、辐射能量等物理名词的含义、地物反射特征的描 述方法（BRDF、BRF、Albedo）。 1.4 辐射传输（radiance transfer）方程的构建原理（1 学时）教学要求： （1）理解遥感建模和反演两个基本理论问题 （2）掌握遥感物理的基本概念 （3）理解辐射传输（radiance transfer）方程构建的基本原理 教学重点： （1）定量遥感的基本理论问题 （2）遥感物理的基本概念
教学难点： 辐射传输(radiance transfer)方程的构建原理 专题研讨内容及设计(1学时)： 专题研讨内容：李小文院士在定量遥感科学发展上的贡献及启示 设计：学科课下查阅李小文院士的学术成果及科学经历，课堂研讨解定量遥感发展历程、 学科交叉的创新性等，通过科学家的成长经历，启发学生学习定量遥感的积极性和方法论。 方式：PPT展示和互动式、启发式讨论。 第二章大气辐射传输棋型(4学时) 教学内容： 2.1大气的组成和基本特性(0.5学时) 大气的组成成分和垂直分层结构、大气散射。 2.2大气辐射传输方程(0.5学时) 电磁辐射在散射、吸收介质（大气）中传输的基本方程、边界条件及各种参数的物理含 义。 2.3大气辐射传输方程求解原理(1学时) 一维大气辐射传输方程数值求解的两种基本方法：连续方法(Method of Successive Orders of Scattering)和离散法(Method of Discrete Ordinates)。 2.4大气效应纠正原理(1学时) 大气效应纠正常见的三种方法（基于图像特征模型、地面线性回归经验模型和基于大气 辐射传输理论模型)及其适用条件，以6S大气纠正模型为例，讲解基于大气辐射传输模型 的大气效应纠正原理。 教学要求： (1)了解大气的组成成分和垂直分层结构特征。 (2)掌握一维大气辐射传输方程的表达及其求解方法。 (3)掌握于大气辐射传输模型的大气效应纠正原理。 教学重点： (1)大气辐射传输方程 (2)大气效应纠正原理 教学难点：
教学难点： 辐射传输（radiance transfer）方程的构建原理 专题研讨内容及设计（1 学时）： 专题研讨内容：李小文院士在定量遥感科学发展上的贡献及启示 设计：学科课下查阅李小文院士的学术成果及科学经历，课堂研讨解定量遥感发展历程、 学科交叉的创新性等，通过科学家的成长经历，启发学生学习定量遥感的积极性和方法论。 方式：PPT 展示和互动式、启发式讨论。 第二章 大气辐射传输模型（4 学时） 教学内容： 2.1 大气的组成和基本特性（0.5 学时） 大气的组成成分和垂直分层结构、大气散射。 2.2 大气辐射传输方程（0.5 学时） 电磁辐射在散射、吸收介质（大气）中传输的基本方程、边界条件及各种参数的物理含 义。 2.3 大气辐射传输方程求解原理（1 学时） 一维大气辐射传输方程数值求解的两种基本方法：连续方法（Method of Successive Orders of Scattering）和离散法（Method of Discrete Ordinates）。 2.4 大气效应纠正原理（1 学时） 大气效应纠正常见的三种方法（基于图像特征模型、地面线性回归经验模型和基于大气 辐射传输理论模型）及其适用条件，以 6S 大气纠正模型为例，讲解基于大气辐射传输模型 的大气效应纠正原理。 教学要求： （1）了解大气的组成成分和垂直分层结构特征。 （2）掌握一维大气辐射传输方程的表达及其求解方法。 （3）掌握于大气辐射传输模型的大气效应纠正原理。 教学重点： （1）大气辐射传输方程 （2）大气效应纠正原理 教学难点：
大气辐射传输方程求解原理 专题研讨内容及设计(1学时)： 专题研讨内容：遥感图像大气效应校正对于遥感图像分类的影响？ 设计：遥感图像分类是学生们比较熟悉的内容，但大气效应校正前后的遥感图像对于分 类效果一直存在争议，即大气校正后的图像不一定提高分类精度，原因何在？需要学生们结 合大气辐射传输模型进行研讨和分析。 方式：实验PPT展示和互动式、启发式讨论。 第三章植被冠层反射棋型(10学时) 教学内容： 3.1植被冠层反射模型的基本类型(1学时) 三类植被冠层反射模型（辐射传输模型、几何光学模型和计算机模拟模型）的适用对象 和适用条件。 3.2植被辐射传输模型(4学时) 植被的辐射传输模型的适用条件和范围、连续植被几何结构的数学描述（叶面积体密度 分布函数和空间取向分布函数)、连续植被的一维辐射传输方程及边界条件、连续植被的一 维辐射传输方程近似求解方法(K-M方程、Suit模型和SAL模型)及其适用条件。 3.3植被几何光学模型(3学时) 几何光学模型的适用条件和范围、几何光学模型的基本原理、垂直视条件下的几何光学 模型、斜视条件下离散植被的几何光学模型和四尺度几何光学模型。 教学要求： (1)熟悉三类植被冠层反射模型（辐射传输模型、几何光学模型）的适用对象和适用条件。 (2)掌握连续植被的一维辐射传输方程近似求解方法(K-M方程、Suit模型和SAIL模型) 及其适用条件。 (3)掌握几何光学模型的基本原理和垂直视条件下的几何光学模型。 教学重点： (1)植被辐射传输模型 (2)植被几何光学模型 教学难点：
大气辐射传输方程求解原理 专题研讨内容及设计（1 学时）： 专题研讨内容：遥感图像大气效应校正对于遥感图像分类的影响？ 设计：遥感图像分类是学生们比较熟悉的内容，但大气效应校正前后的遥感图像对于分 类效果一直存在争议，即大气校正后的图像不一定提高分类精度，原因何在？需要学生们结 合大气辐射传输模型进行研讨和分析。 方式：实验 PPT 展示和互动式、启发式讨论。 第三章 植被冠层反射模型（10 学时） 教学内容： 3.1 植被冠层反射模型的基本类型（1 学时） 三类植被冠层反射模型（辐射传输模型、几何光学模型和计算机模拟模型）的适用对象 和适用条件。 3.2 植被辐射传输模型（4 学时） 植被的辐射传输模型的适用条件和范围、连续植被几何结构的数学描述（叶面积体密度 分布函数和空间取向分布函数）、连续植被的一维辐射传输方程及边界条件、连续植被的一 维辐射传输方程近似求解方法（K-M 方程、Suit 模型和 SAIL 模型）及其适用条件。 3.3 植被几何光学模型（3 学时） 几何光学模型的适用条件和范围、几何光学模型的基本原理、垂直视条件下的几何光学 模型、斜视条件下离散植被的几何光学模型和四尺度几何光学模型。 教学要求： （1）熟悉三类植被冠层反射模型（辐射传输模型、几何光学模型）的适用对象和适用条件。 （2）掌握连续植被的一维辐射传输方程近似求解方法（K-M 方程、Suit 模型和 SAIL 模型） 及其适用条件。 （3）掌握几何光学模型的基本原理和垂直视条件下的几何光学模型。 教学重点： （1）植被辐射传输模型 （2）植被几何光学模型 教学难点：
连续植被的一维辐射传输方程近似求解方法 专题研讨内容及设计(2学时)： 专题研讨内容：混合植被类型遥感前向模型的适用性分析 设计：经典的植被前向模型对于适用对象的条件比较理想化，自然界中的植被往往是多 类型的混合，且受地形、地理、季节性等因素影响，如何基于经典的植被前向模型，分析和 设计适合混合植被类型遥感前向模型？ 方式：调研和分析PPT展示和互动式、启发式讨论。 第四章地表参数反演原理与方法(6学时) 教学内容： 4.1遥感地表参数反演基本原理(0.5学时) 结合遥感前向模型，分析遥感地表参数反演的基本原理和关键流程。 4.2统计估算方法(0.5学时) 植被指数(NDVI、EVI、PAR等)的统计估算方法、适用条件及优缺点。 4.3物理反演方法(1学时) 物理反演的四个基本组成（前向模型、目标函数、变量、限制条件）、反演策略和流程。 4.4查找表方法(0.5学时) 查找表方法的基本原理、实验流程、适用条件及优缺点。 4.5综合反演方法(0.5学时) 常用综合反演方法（神经网络、回归树、投影追踪）的基本原理和实验流程、适用条件 及优缺点。 4.6基于知识的不确定性遥感地表参数反演(1学时) 先验知识及其在反演中的表达、敏感性矩阵和多阶段目标决策、GOMS模型反演策略、 SAL模型反演试验 教学要求： (1)熟悉遥感地表参数反演的主要方法。 (2)掌握遥感地表参数反演的基本原理。 (3)掌握物理反演方法和查找表方法。 (4)熟悉基于知识的不确定性遥感地表参数反演流程。 教学重点：
连续植被的一维辐射传输方程近似求解方法 专题研讨内容及设计（2 学时）： 专题研讨内容：混合植被类型遥感前向模型的适用性分析 设计：经典的植被前向模型对于适用对象的条件比较理想化，自然界中的植被往往是多 类型的混合，且受地形、地理、季节性等因素影响，如何基于经典的植被前向模型，分析和 设计适合混合植被类型遥感前向模型？ 方式：调研和分析 PPT 展示和互动式、启发式讨论。 第四章地表参数反演原理与方法（6 学时） 教学内容： 4.1 遥感地表参数反演基本原理（0.5 学时） 结合遥感前向模型，分析遥感地表参数反演的基本原理和关键流程。 4.2 统计估算方法（0.5 学时） 植被指数（NDVI、EVI、fPAR 等）的统计估算方法、适用条件及优缺点。 4.3 物理反演方法（1 学时） 物理反演的四个基本组成（前向模型、目标函数、变量、限制条件）、反演策略和流程。 4.4 查找表方法（0.5 学时） 查找表方法的基本原理、实验流程、适用条件及优缺点。 4.5 综合反演方法（0.5 学时） 常用综合反演方法（神经网络、回归树、投影追踪）的基本原理和实验流程、适用条件 及优缺点。 4.6 基于知识的不确定性遥感地表参数反演（1 学时） 先验知识及其在反演中的表达、敏感性矩阵和多阶段目标决策、GOMS 模型反演策略、 SAIL 模型反演试验 教学要求： （1）熟悉遥感地表参数反演的主要方法。 （2）掌握遥感地表参数反演的基本原理。 （3）掌握物理反演方法和查找表方法。 （4）熟悉基于知识的不确定性遥感地表参数反演流程。 教学重点：
(1)物理反演方法 (2)综合反演方法 教学难点： 基于知识的不确定性遥感地表参数反演 研讨内容及设计(2学时)： 专题研讨内容：多云雨雾山丘复杂环境参数遥感反演中的不确定性和尺度问题 设计：多云雨雾山丘复杂环境参数（大气、植被、土壤）遥感反演存在不确定性、时空 尺度等问题，物理机理？有何优化方案？ 方式：方案PPT展示和互动式、启发式讨论。 第五章四维数据同化与地表参数时序产品棋拟(6学时) 5.1数据同化的基本概念和原理(1学时) 5.2同化算法(0.5学时) 连续校正法、最优插值法、四维变分法、集合卡尔曼滤波法。 5.3最小优化算法(0.5学时) 最速下降法、共轭梯度法、牛顿-拉斐森法、拟牛顿法。 5.4陆面过程模型(1学时) 植被生长模型、水文过程模型。 5.5应用实例(1学时) 基于ACRM模型和集合卡尔曼滤波的高原湿地植被叶面积指数时序模拟。 教学要求： (1)掌握数据同化基本概念和原理。 (2)熟悉四维数据同化的组成部分和应用领域。 (3)掌握基于四维数据同化的地表参数时序产品模拟方法。 教学重点： (1)数据同化的基本原理 (2)常用同化算法 教学难点： 基于ACRM模型和集合卡尔曼滤波的高原湿地植被叶面积指数时序模拟。 专题研讨内容及设计(2学时)：
（1）物理反演方法 （2）综合反演方法 教学难点： 基于知识的不确定性遥感地表参数反演 研讨内容及设计（2 学时）： 专题研讨内容：多云雨雾山丘复杂环境参数遥感反演中的不确定性和尺度问题 设计：多云雨雾山丘复杂环境参数（大气、植被、土壤）遥感反演存在不确定性、时空 尺度等问题，物理机理？有何优化方案？ 方式：方案 PPT 展示和互动式、启发式讨论。 第五章四维数据同化与地表参数时序产品模拟（6 学时） 5.1 数据同化的基本概念和原理（1 学时） 5.2 同化算法（0.5 学时） 连续校正法、最优插值法、四维变分法、集合卡尔曼滤波法。 5.3 最小优化算法（0.5 学时） 最速下降法、共轭梯度法、牛顿-拉斐森法、拟牛顿法。 5.4 陆面过程模型（1 学时） 植被生长模型、水文过程模型。 5.5 应用实例（1 学时） 基于 ACRM 模型和集合卡尔曼滤波的高原湿地植被叶面积指数时序模拟。 教学要求： （1）掌握数据同化基本概念和原理。 （2）熟悉四维数据同化的组成部分和应用领域。 （3）掌握基于四维数据同化的地表参数时序产品模拟方法。 教学重点： （1）数据同化的基本原理 （2）常用同化算法 教学难点： 基于 ACRM 模型和集合卡尔曼滤波的高原湿地植被叶面积指数时序模拟。 专题研讨内容及设计（2 学时）：
专题研讨内容：地表时空遥感产品生产中的科学与技术问题 设计：基于传统遥感前向模型的定量反演，其时空尺度依赖原始遥感数据，而现实科学 和工程需求时空连续的地表参数产品，目前面临时空尺度转换与验证等科学问题、同时涉及 并行计算等技术环节。 方式：调研和分析PPT展示和互动式、启发式讨论。 第六章遥感地表参数反演专题应用(10学时) 6.1遥感地表参数时序数据产品质量改进(4学时) 以MODIS LAI数据产品为例，通过分析质量控制信息和植被季节性变化特征，提高 时序数据产品质量。 6.2基于统计方法的植被生物量估算(2学时) 基于TM数据和MODIS数据，结合野外实测生物量数据，估算我国乌图美仁大草原湿 地植被生物量时空。 6.3基于物理模型的植被叶面积指数反演(2学时) 以ACRM模型和查找表算法为基础，基于TM数据和MODIS数据，反演植被叶面积 指数。 教学要求： (1)结合科研实践，熟悉遥感地表参数反演的一般实验流程。 (2)掌握基于物理模型的遥感地表参数反演实验流程。 教学重点： 三类遥感地表参数反演方法与流程 教学难点： 基于物理模型的植被叶面积指数反演 专题研讨内容及设计(2学时)： 专题研讨内容：通过遥感手段，如何监测和分析若尔盖草原湿地30年来生态环境变化？ 设计：若尔盖草原湿地属于高原山丘草原湿地，土地覆被、人类活动、植被变化等对于 当地气候和生态环境影响巨大，需要综合考虑多源遥感数据、连续土地覆盖变化、植被参数 时空变化规律、以及多要素综合评价等，需要学生综合运用该课程理论方法以及生态环境、 遥感信息提取等专业知识进行设计。 方式：详细的设计方案PPT展示和互动式、启发式讨论
专题研讨内容：地表时空遥感产品生产中的科学与技术问题 设计：基于传统遥感前向模型的定量反演，其时空尺度依赖原始遥感数据，而现实科学 和工程需求时空连续的地表参数产品，目前面临时空尺度转换与验证等科学问题、同时涉及 并行计算等技术环节。 方式：调研和分析 PPT 展示和互动式、启发式讨论。 第六章遥感地表参数反演专题应用（10 学时） 6.1 遥感地表参数时序数据产品质量改进（4 学时） 以 MODIS LAI 数据产品为例，通过分析质量控制信息和植被季节性变化特征，提高 时序数据产品质量。 6.2 基于统计方法的植被生物量估算（2 学时） 基于 TM 数据和 MODIS 数据，结合野外实测生物量数据，估算我国乌图美仁大草原湿 地植被生物量时空。 6.3 基于物理模型的植被叶面积指数反演（2 学时） 以 ACRM 模型和查找表算法为基础，基于 TM 数据和 MODIS 数据，反演植被叶面积 指数。 教学要求： （1）结合科研实践，熟悉遥感地表参数反演的一般实验流程。 （2）掌握基于物理模型的遥感地表参数反演实验流程。 教学重点： 三类遥感地表参数反演方法与流程 教学难点： 基于物理模型的植被叶面积指数反演 专题研讨内容及设计（2 学时）： 专题研讨内容：通过遥感手段，如何监测和分析若尔盖草原湿地 30 年来生态环境变化？ 设计：若尔盖草原湿地属于高原山丘草原湿地，土地覆被、人类活动、植被变化等对于 当地气候和生态环境影响巨大，需要综合考虑多源遥感数据、连续土地覆盖变化、植被参数 时空变化规律、以及多要素综合评价等，需要学生综合运用该课程理论方法以及生态环境、 遥感信息提取等专业知识进行设计。 方式：详细的设计方案 PPT 展示和互动式、启发式讨论
三、教学方式 授课方式：小班授课(30学时)与小班集中研讨(10学时)相结合。 研讨环节设计：研讨内容分三大模块，遥感前向模型、遥感反演策略与方法、定量遥感 专题解决方案设计：研讨方式采用PPT展示与互动式、启发式研讨相结合，分课堂授课内 容的发散式互动研讨和章节专题研讨。 学业评价方式：加大过程评价比例（课堂研讨、课程综合作业等），期末考试试卷提高 开放式、非标准答案命题，重点考查学生科学思维和解决科学问题的能力。 四、考核方式与成绩评定 考核方式：过程考核与期末开卷考试结合 成绩评定：平时考核成绩60%（课堂研讨30%，课程综合作业30%）+期末考试成绩(40%) 五、教材及主要参考书目 教材： 梁顺林（美）著，范闻捷译.定量遥感.科学出版社，2009 参考书： []何彬彬，行敏锋，全兴文.草原生态环境要素遥感定量反演及应用系统.科学出版社， 2016. [2]何彬彬，全兴文，白晓静.遥感模型弱敏感参数反演方法.科学出版社，2018 [3]梁顺林，李小文等著.《定量遥感：理论与算法》科学出版社，2013 [4徐希孺编著.遥感物理.北京大学出版社，2005 [5)]李小文，王锦地.《植被光学遥感模型与植被结构参数化》科学出版社，1995 [6]Liang S.Quantitative Remote Sensing of Land Surfaces.New York John Wiley Sons, Inc.,2004
三、教学方式 授课方式：小班授课（30 学时）与小班集中研讨（10 学时）相结合。 研讨环节设计：研讨内容分三大模块，遥感前向模型、遥感反演策略与方法、定量遥感 专题解决方案设计；研讨方式采用 PPT 展示与互动式、启发式研讨相结合，分课堂授课内 容的发散式互动研讨和章节专题研讨。 学业评价方式：加大过程评价比例（课堂研讨、课程综合作业等），期末考试试卷提高 开放式、非标准答案命题，重点考查学生科学思维和解决科学问题的能力。 四、考核方式与成绩评定 考核方式：过程考核与期末开卷考试结合 成绩评定：平时考核成绩 60%（课堂研讨 30%，课程综合作业 30%）+期末考试成绩（40%） 五、教材及主要参考书目 教 材： 梁顺林（美）著, 范闻捷译. 定量遥感. 科学出版社，2009. 参考书： [1] 何彬彬，行敏锋，全兴文. 草原生态环境要素遥感定量反演及应用系统. 科学出版社， 2016. [2] 何彬彬，全兴文，白晓静. 遥感模型弱敏感参数反演方法. 科学出版社，2018. [3] 梁顺林，李小文等著.《定量遥感：理论与算法》.科学出版社，2013. [4] 徐希孺 编著. 遥感物理. 北京大学出版社，2005. [5] 李小文，王锦地. 《植被光学遥感模型与植被结构参数化》.科学出版社，1995. [6] Liang S. Quantitative Remote Sensing of Land Surfaces. New York : John Wiley & Sons, Inc., 2004
