全球变化与可持续发展研究是当今地学研究的两大主题,陆地生态系统碳循环对全球变化影响重大。冻土中的碳储量占据全球陆地碳储量的重要份额,它对气候变化十分敏感,是气候变化的指示器,研究冻土地区土壤的冻融过程及其与陆地生态系统碳循环之间的相互关系对于全球变化研究具有重要意义。在总结冻融对碳循环过程影响机理的基础上,回顾了国内外关于冻融影响下碳循环模拟研究的主要进展,指出了其存在的主要问题,并对未来冻融与碳循环研究发展趋势做了初步的展望。
双频降水测量雷达是我国计划发射的风云三号降水测量卫星上的主载荷。双频测量能够较好地估计粒子谱分布参数,提高降雨率定量反演的精度,对双频降水反演算法的研究是降水产品业务化的基础。首先介绍基于非SRT的双频降水反演算法的主要原理,随后采用模拟数据对反演算法的精度进行检验,并选取机载雷达外场校飞试验中的实测数据,分析了机载雷达降雨探测的合理性。结果表明:双频反演的DSD参数基本合理,能够准确地反映出层云降水中亮带的峰值信息,并且和在轨同步观测的星载降水测量雷达PR的探测结果相近。此外,还探讨了随机选取的机载反射率因子廓线的双频反演结果以及可能引起反演误差的原因,结果发现相态转换的高度以及水的体积比可能对4 km附近及其以上的区域有一定的影响,对4 km以下的部分则影响不大。同时温度对反演结果的影响主要集中在3.5 km附近,在其他高度层,温度的影响基本可以忽略。同时降雨率的精度还受到雷达系统误差的制约。总体而言,机载双频降水反演结果具有一定的精度,基本符合当时机载外场试验的实际天气状况,从而验证了机载雷达降雨探测的合理性。
全极化微波辐射计是一种可以测量海面辐射全部4个Stokes参数的新型被动遥感仪器,是测量海面风场、尤其是海面风向的新手段。介绍了国际首台全极化微波辐射计WindSat的海面风向信号谐波特征,在分析风向反演180°模糊度现象的成因基础之上,提出了利用WindSat能够进行前—后向双视扫描的优势去除风向反演180°模糊度问题的思路;通过构建海面风场仿真场景,在WindSat模拟亮温数据中加入高斯白噪声后,使用最大似然估计法和中值滤波技术开展了海面风向反演。比较和分析了使用WindSat前向刈幅和WindSat前—后向刈幅观测数据的风向反演结果。结果表明:由于能够有效去除风向反演180°模糊度,使用前—后向刈幅观测数据的风向反演精度要明显优于仅仅使用前向刈幅的反演结果。
森林覆盖度是描述森林生态状况的重要指标,也是气候、水文模型的重要输入参数。以多时相的HJ星 CCD数据为主要数据源,利用分类回归树的方法对密云水库上游的森林覆盖度进行了遥感估算,通过基于高分航片提取的样本数据对估算结果进行了验证,并与传统回归模型进行了比较分析。结果表明:以HJ星及其他辅助数据为数据源,采用分类回归树的方法估测森林覆盖度可以达到较高的精度,拟合决定系数R2达到0.749,建模均方根及验证均方根误差分别为0.068和0.118,均明显优于传统回归模型,适用于大区域的森林覆盖度遥感估算。
以星载微波遥感的辐射传输方程为基础,利用 SMOS(土壤湿度海洋盐度)卫星的L1C级亮温数据,通过与辐射传输模型模拟的亮温进行对比,评估及验证亮温的数据质量,建立了海洋盐度反演算法。通过分析2012年7月东南太平洋区域(45°~5°S,140°~90°W)的下降轨道数据,发现MIRAS亮温与模型模拟亮温之间总是存在几K的系统偏差,即OTT,因此提出了两种反演盐度的方法:一种是修正OTT偏差,使用入射角0°~55°的数据反演盐度;另一种是不修正OTT偏差,使用大入射角范围35°~55°的数据进行盐度反演。再通过利用MIRAS多角度信息,对亮温作二阶多项式拟合,减少随机噪声对反演的影响。最后采用最小二乘法,使得MIRAS的二阶拟合亮温与模型仿真亮温最接近,迭代反演盐度值。并将反演结果分别与欧空局的L2级盐度数据产品和Argo盐度数据进行比较,来验证反演算法。结果表明:修正OTT之后全角度数据反演的盐度值在50 km×50 km范围内、卫星过境前后5 d,与Argo浮标盐度匹配比较的均值为1.38 pss,标准差为0.35 pss;不修正OTT,直接利用大入射角范围35°~55°的MIRAS亮温反演盐度,与Argo盐度误差均值为0.03 pss,标准差为0.33 pss;同时欧空局的L2级盐度与Argo盐度误差均值为0.26 pss,标准差为0.38 pss。可见利用大入射角范围的反演方法很好地反演了海洋盐度。
基于大气校正中常用的大气辐射传输模拟软件6S模型,探讨了不同气溶胶模型对卫星影像大气校正的影响及其适用性问题。选取我国环境小卫星星座HJ\|1的CCD传感器数据,以天津地区大气污染和较清洁条件下的卫星影像为例,基于6S进行大气校正,定量估算了气溶胶模型选取对大气校正精度的影响。与此同时,通过地面太阳—天空辐射计实测,获得研究区域整层大气气溶胶参数进行大气校正,并与基于气溶胶模型的校正结果进行对比,得到以下结论:①6S气溶胶模型中,大陆型与海洋型的校正结果比较接近,而城市型气溶胶模型由于含有较高的煤烟成分比例,其校正结果与前两种相差较大;②天津地区在大气污染情况下,适合应用大陆型气溶胶模型进行大气校正,而在大气较清洁的情况下可选择海洋型气溶胶模型。
以北京市妫水河为研究区,基于2011年9月25日和2012年9月30日的两期叶绿素a浓度实测数据和准同步的环境一号卫星(HJ-1A)多光谱数据,分别构建一元线性和多元支持向量机模型(SVMM),通过决定系数R2和平均相对误差对模型的精度进行检验,用模型进行水体叶绿素a浓度的反演,并分析其时空分布特征。研究表明:在样本数较少的情况下,SVM具有很强的非线性映射能力,能够取得较好的预测结果,更适用于反演叶绿素a浓度。时间分布上,研究区叶绿素a浓度呈增加趋势,均值上升了6.86 μg/L;空间分布上,深水区叶绿素a浓度值低于浅水区,上游高于下游。国产HJ-1A CCD2多光谱数据以其4 d的时间分辨率,在水质动态变化监测方面具有优势。
通过对自动提取算法的分析研究,对土壤线提取流程进行改进,在引入了植被指数的基础上,剔除了大部分水体尤其是水库等深层水的影响,对土壤线自动提取流程进行了改进。通过与实际土壤线进行对比发现两者偏差较小,模型具有较高的精度和稳定性。通过将该方法应用于干旱监测模型PDI中,结果显示在不影响精度的前提下,该方法提高了模型的运算效率。
基于2007年11~12月太湖全湖实测水质参数和光谱数据,首先利用高斯方程对遥感反射率进行过滤分解,找出叶绿素a(chl\|a)吸收峰675 nm以后的荧光反射峰(Fluorescence Peak:FP),再以662 nm处的反射率为基准,采用归一化荧光高度法进行叶绿素a浓度(C chl-a)反演,得到chl-a反演模型。基于高斯分解获取的chl-a的荧光反射峰值R(FP)与662 nm处的反射率R (662)比值［R(FP)/R(662)］与C chl-a之间存在显著的相关性,该模型为秋季太湖水体C chl-a的最佳反演模型。在高悬浮泥沙条件下,该模型能够较好地表示出叶绿素荧光高度与叶绿素浓度之间的关系,为C chl-a反演提供新的方法和依据,并为传感器敏感波段的选取和设置提供参考。
干热风是高温低湿型的灾害性天气。河北省是干热风易发地区,进行干热风易发期土壤湿度监测研究,对于评估干热风的影响与危害具有重要意义。选用2010年河北省干热风同期5~6月Terra/MODIS8期地表反射率产品MOD09A1和地表温度(LST)产品MOD11A2,通过构建LST\|EVI特征空间,得到温度植被干旱指数(TVDI)反映的河北省各时段的土壤湿度空间分布图。另外分析TVDI值与对应气象站点降水数据变化的趋势关系和二者的定量相关关系,发现降水数据变化与TVDI有较显著的负相关性,通过α=0.05显著性检验。基于研究结果可快速有效地反映研究区土壤湿度等级与空间分布变化状况,与及时更新的气象数据(风速、气温、降水等)相结合,在根据已有指标监测到干热风发生的基础上,评估干热风的影响与危害。
合成孔径雷达遥感具备全天时、全天候的观测能力,是多时相数据获取的有效保证。以福建省漳浦县为研究区,利用ALOS PALSAR双极化数据开展土地覆盖识别研究。首先基于多时相的强度数据构建时相稳定性指数,基于重复轨道干涉数据的相位信息计算相干性,以此分析和描述该地区典型地物的雷达数据时相特征。然后以典型地物的时相特征为基础,构建决策树分类器,进行土地覆盖识别。最后以实地考察数据、ALOS AVNIR\|2影像和Google Earth影像为参考,进行分类结果的精度评价,总体精度达到81.43%,比利用不同时期的后向散射强度图像为输入波段的最大似然法的分类精度(总体精度为63.06%)高出很多。结果表明:在分类中有效融合时相信息,可以充分提高地物的可分性。
镁铁—超镁铁质小岩体易被地质填图遗漏,严重制约了该类型矿化的发现。以甘肃北山音凹峡地区为研究区,首先利用比值法、最小噪声分离法处理ETM+数据增强镁铁—超镁铁质岩体；对于规模较小的小岩体,采用ETM+和中巴资源卫星02B HR数据进行分辨率融合后进行解译、识别。通过将上述3种方法处理结果综合分析后共解译出6处镁铁—超镁铁岩体集中区。经野外检查,6处区域均与遥感分析结果吻合,证实了方法的有效性。该方法可以为西部地区地质填图和镁铁—超镁铁岩相关矿产资源勘查提供借鉴。
针对现有3D WebGIS系统矢量数据三维可视化在渲染速度与渲染效果方面存在明显不足的问题,利用新一代Web三维绘图标准WebGL的优势,研究了基于几何的WebGL矢量数据三维渲染技术,提出了在水平方向与垂直方向上进行矢量数据渲染优化的方法,并在此基础上开发了基于WebGL的矢量数据三维渲染原型系统,对渲染方法与渲染效果进行了验证,证明了基于几何的WebGL矢量数据三维渲染方法的可行性与有效性。
桥梁三维信息是构建三维数字城市和虚拟地球重要的基础空间信息。快速准确地提取桥梁边界线信息是桥梁三维提取的核心问题,也是目前的研究热点。提出了一种基于航空LiDAR数据的桥梁提取方法。该方法最大的优点是采用基于知识引导进行桥梁边界线提取,通过分析桥梁的空间结构特征和几何特征,较好地提取出桥梁边界线。通过与专家人工桥梁判读的结果比较,该方法提取结果具有较高的精度。
Pléiades星座是法国国家空间中心近年发射的极高空间分辨率卫星,定位精度高、刈幅宽,可实现全球任意一点的每天重访。利用主成分分析、Pansharping、小波IHS变换、小波主成分、小波单波段变换、高通滤波以及Ehlers共7种数据融合方法,对试验区的Pléiades全色和多光谱数据进行融合处理;从融合前后影像的信息熵、标准差、平均梯度、偏差指数、光谱相关系数和通用图像质量评价指数等方面对不同方法的融合效果进行了评价。结果表明:小波主成分和Pansharping方法都可以取得非常好的融合效果。
提出了基于非下采样Shearlet和几何结构的遥感图像无监督变化检测新算法。首先将两幅SAR图像相减取绝对值得到差异图像,然后利用基于非下采样Shearlet自适应贝叶斯阈值去噪算法对差异图像进行去噪处理来减少噪声的影响。最后根据差异图像的局部几何特征和邻域信息构造跨特征矢量,再利用模糊C-means聚类算法对跨特征矢量聚类,聚类的结果为变化类和未变化类即最终的变化检测结果。实验证明:该算法对噪声的抗噪性能平稳而且有效,可以得到较好的检测结果。
分割参数的选择直接决定着影像对象的大小、形状。因此如何选择最优的分割参数显得尤为重要。用局部标准差和局部Moran指数构建了新的优度度量函数,然后与通过不一致性法选择的分割参数进行比较,进而选取综合的最优分割参数。通过对高空间分辨率IKONOS影像上农田、草地、池塘和建筑物等4种不同类型地物进行实验,表明不同地物类型具有不同的最优分割参数区间,且分别使用本研究所提出的优度法和不一致性法所得度量参数具有基本一致的最优参数分布区间。进而,通过对最优分割参数和其他分割参数下的分割结果进行影像分类,分类结果的精度评价表明综合两种度量方法得到的最优分割参数可获得最佳的分类结果。
近年来高分辨率影像技术发展迅速,土地专题信息的提取对高分辨率数据处理的质量提出了更高的要求,针对配准误差对影像处理和应用的影响研究,有助于专题信息提取过程中遥感数据处理质量控制指标的确定。选取北京市通州区不同时相的IKONOS影像作为实验数据进行模拟研究,在实验研究中通过产生具有不同配准误差的图像,从影像融合、土地覆盖分类和变化检测等角度,分析不同的配准误差对遥感应用的影响。结果表明:随着配准误差的增大,融合图像的可分辨性降低,配准误差增加到3个像元时,土地覆盖分类精度降低2~3%,土地覆盖变化检测中增加了5%的伪变化信息,虚检率增大。
针对无人机本身质量轻、荷载低,自带的POS数据精度不高,原始影像外方位元素不准且很难估算等问题,提出了一种基于线性变换的非迭代算法求解无人机外方位角元素的方法。该方法无需进行最小二乘迭代就可以直接计算出外方位角元素,且所求出的外方位角元素精度较高,可以对POS数据进行一定的修正,且修正之后POS数据精度有了较大的改善。实验结果表明:该方法所求得的外方位元素可以作为后续影像匹配、相对定向的初始值,能够在一定程度上满足无人机影像分析应用需求。
针对部队快速机动作战的军事要求,提出基于高分辨率遥感影像的军用阵地动态监测方法。借助面向对象的多尺度分割技术将阵地影像分割为同质对象,以提取各个对象的特征;针对监督分类和非监督分类的弊端,提出通过一定的先验知识制定分类规则的方法对遥感影像进行地物识别,在此基础上定性和定量地输出变化检测结果。实验结果表明:利用基于对象影像分析方法具有较高的识别精度,能够有效监测军事阵地变化。
根据SAR图像的特性,提出了一种基于全变差最小化的Bandelet变换域SAR图像相干斑抑制方法。该方法首先对SAR图像进行Bandelet变换,得到图像的Bandelet系数和几何流,然后采用主成分分析法提取图像的Bandelet系数和几何流的主成分,利用全变差最小化的方法确定阈值,并通过循环递归运算处理重构后的图像。实验表明:该方法在抑制图像相干斑的同时较好地保留了几何结构信息,并去除了伪吉布斯现象。
辐射状靶标既可以检测光学遥感载荷的空间分辨率,还可以评估载荷的MTF,因此广泛应用于光学遥感载荷在轨性能评估与数据质量分析中。通过仿真分析方法,对基于辐射状靶标的MTF评估算法进行了改进,并进行了精度分析。分析结果可为靶标布设以及实施辐射状靶标法在轨MTF评价提供理论指导。
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