“黑河综合遥感联合试验”(Watershed Allied Telemetry Experimental Research,WATER)是在我国第二大内陆河流域—黑河流域开展的大型航空、卫星遥感和地面同步观测试验。在试验加强观测期结束两年之际,试验数据集正式发布,实现了发展多尺度、多分辨率、高质量并最终完全共享的综合数据集的目标。本文是“黑河综合遥感联合试验”数据专栏的序言,概述了试验数据信息系统的意义、数据集的构成、数据质量控制的基本措施和流程,以及数据共享政策。我们热情邀请国内外同行在内陆河水文与生态研究、定量遥感研究等多方面使用该数据集,共同推进其广泛应用。
详细介绍了“黑河综合遥感联合试验”(Watershed Allied Telemetry Experimental Research,WATER)的地面观测数据(气象水文和涡动相关数据除外)的数据质量控制和处理过程。从观测规范的制定和执行、数据处理和规范化、数据文件命名规范化、数据质量评价等方面进行详细阐述。不仅为数据用户提供数据质量参考信息，也为以后类似试验的开展提供一些数据质量控制和处理的借鉴。通过数据评价可以看出WATER试验的地面观测数据总体上具有较高的数据质量,这些质量控制措施为最后获取高质量的试验数据提供了重要的保证。利用这一套多尺度、标准化的高质量综合数据集开展大量数据分析和应用研究是下一步工作的重点。
“黑河综合遥感联合试验”(Watershed Allied Telemetry Experimental Research,WATER)是在黑河流域开展的以水循环及与之密切联系的生态过程为主要研究对象的大型航空、卫星遥感与地面同步观测科学试验。为了对试验产出和处理后的数据进行统一的管理和共享,促进试验成果在更大范围内的应用,“黑河综合遥感联合试验”建立了数据管理系统,并在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和北京师范大学成立了两个数据服务点负责数据的管理和分发。“黑河综合遥感联合试验”的数据管理系统是一个以元数据为核心的数据管理和发布系统,在数据管理方面介绍了元数据、数据文档和数据实体的组织与管理,在系统功能方面介绍了数据导航和数据可视化。“黑河综合遥感联合试验”目前已发布的原始数据共3.2 TB,预处理的数据2.5 TB,以粗粒度的形式组织了265个数据集,265条元数据与数据报告一起对数据集进行说明。
针对遥感数据发布网络传输问题,利用OPeNDAP支持数据子集获取的特性,实现了基于OPeNDAP的遥感数据发布系统。该系统基于数据、数据库管理、网络应用的分层系统设计,开发集成了OPeNDAP数据服务、动态快视图、数据信息查看、数据目录等网络功能,实现多源遥感数据统一发布的目标,解决了黑河实验数据发布过程中存在的数据格式多样性、数据量大等问题。最后介绍了该系统的OPeNDAP、动态快视图等网络应用。
涡动相关通量数据的处理及质量控制是保证各涡动观测台站数据质量的重要步骤。“黑河综合遥感联合试验”(Watershed Allied Telemetry Experimental Research,WATER)从2007年底到现在连续观测积累了大量涡动相关通量观测资料。使用经过改进的EdiRe软件对盈科站、阿柔站和关滩站3个站点的原始涡动数据进行预处理和质量控制。通过异常值及野值点剔除、倾斜修正、超声虚温修正、时间滞后校正、频率响应修正和空气密度效应修正（WPL修正）等基本处理生成Level\|1数据产品；再通过大气状态平稳性检验、总体湍流特征检验以及湍流通量统计特征分析等初步质量控制,生成Level\|2数据产品。以盈科绿洲站2009年7月份涡动相关数据为例,着重介绍涡动相关数据处理过程中各校正方法的重要性及不同校正方法对湍流通量计算的贡献。结果表明：超声虚温修正后感热通量比修正前减少约7.7%；时间滞后校正后潜热通量和CO2通量分别增加了3.9%、2.7%；频率响应修正后感热通量、潜热通量及CO2通量分别增加了2.7%、10.5%、11.6%；WPL修正后潜热通量增加了1.7%,CO2通量减少了9.8%。最后将Campbell实时处理结果与Level\|1产品及Level\|2产品进行对比分析,并对黑河流域各涡动站做了总体数据精度评价,阿柔站数据质量最好,盈科站次之,关滩站较差。
机载红外广角双模式成像仪(Wide-angle Infrared Dual-mode line/area Array Scanner\|WiDAS)是黑河综合遥感联合试验中的主要机载传感器之一,它通过可见光到热红外波段的广角成像,获取地表二向反射和热辐射方向性信息,介绍了WiDAS数据的预处理关键算法及关键参数。WiDAS传感器的可见近红外波段与中红外、热红外波段在探测器性能、空间分辨率和目标辐射特性方面都有显著差异,因此它们的预处理具有不同的算法。可见近红外波段的CCD相机用积分球定标,用简单的多项式形变函数进行波段间配准,用6S模型和实测气溶胶光学厚度进行大气校正。中红外、热红外波段的红外相机则用面元黑体定标,波段配准中采用了复合的形变函数和较为复杂的配准算法,大气校正采用MODTRAN模型和实测大气廓线。还介绍了从WiDAS标准预处理产品中提取目标的多角度观测的方法,这些信息为使用WiDAS数据产品开展定量遥感研究和应用提供参考。
008年开展的黑河综合遥感联合试验获取了大量野外实测叶面积指数(LAI)数据以及遥感LAI产品。在利用LAI地面点观测数据对遥感影像进行验证或者不同分辨率遥感产品相互比较的过程中存在由于地表异质性引起的尺度效应,导致无法直接进行验证、比较,需要进行尺度转换。以基于泰勒级数展开的尺度转换模型为基础,研究不同源LAI之间的尺度转换方法。包括两部分内容：① 以高分辨率影像为辅助数据将地面实测点尺度的LAI转换到中、低分辨率遥感像元尺度；② 利用高分辨率影像作为亚像元信息对低分辨率LAI产品进行尺度纠正。结果表明,利用泰勒级数展开模型进行尺度转换是一种简单可行的方法,经尺度转换的地面实测点尺度LAI可用作像元尺度数据比较验证的参考。
“黑河综合遥感联合试验”自动气象站(AWS)数据的质量控制(QC)分两个阶段进行：计算机自动控制阶段(QC1)和人机交互判断阶段(QC2)。QC1利用气候学界限值检查、台站极值检查、基本气象公式检查、内部一致性检查、时间一致性检查、综合决策算法,对自动气象站资料进行了自动质量控制；QC2中质量控制人员在QC1质量控制的基础上,对判断为可疑和错误的数据进行人工判断、分析错误原因、订正逻辑性错误,并给出数据的最终质量评价。上述质量控制后的自动气象站资料分两级发布,以供科研使用。最终结果表明:QC1中的质量检查可以有效地识别出观测资料中存在的明显错误；经过QC2数据逻辑错误订正后,“黑河综合遥感联合试验”AWS(Automatic Weather Station)数据总体质量较高,达到了预期的试验目标。
针对机载激光雷达与航空光学影像的互补特性,提出了一种基于多源遥感数据的高精度地物信息提取和分类方法。首先从激光雷达的全波形数据获得数字高程模型(DEM)、地物的正规化数字表面模型(nDSM)和激光雷达回波相对强度信息,从航空数码相机影像获得植被指数信息；然后利用决策树方法进行地物识别。选取“黑河综合遥感联合试验”中的3种典型区域(城市、农田和水体)进行分类,结果表明：该方法能够有效地分离建筑物、高大植被、低矮植被、裸土地以及水泥地等基本地物。
利用ALOS、SPOT5高分辨率遥感影像,结合野外调查,完成了乌兰布和沙漠研究区遥感影像信息的目视解译及植被制图,并结合GPS野外样点进行精度评价,解译精度为93.3%,梭梭林面积为165 410.62 hm2,占乌兰布和沙漠地区总土地面积的17.27%。最后,对乌兰布和沙漠遥感影像梭梭林解译的方法进行了探讨。
随着多空间分辨率、多光谱分辨率、多传感器遥感数据日益增多,数据融合技术已经在地学领域得到广泛应用。以SAR和SPOT多光谱影像为数据源,通过几何校正、辐射定标、噪声去除等预处理,采用PCA、IHS、BT、HPF以及WT融合方法进行融合试验,选取标准差、信息熵以及相关系数对融合结果进行图像质量评价。结果表明：基于结构信息变换的HPF和WT方法,纹理结构信息保持较好,线性地物特征尤为突出；基于统计信息变换的PCA方法,不仅能较好保持多光谱信息,而且也保持了SAR影像纹理结构信息,信息熵指数最大；基于彩色变换的IHS和BT方法,虽然视觉效果较理想,但是色彩及光谱失真现象严重,信息熵值最小。
为了三维展示矿山生态环境修复效果,提出采用虚拟现实技术来实现修复虚拟系统,描述了三维地形建模的步骤和虚拟景观的建模方法,并采用希尔排序法对虚拟系统中的碰撞检测方法进行了改进。实验结果表明优于传统方法,并且实现了丁山岭矿区虚拟系统的开发。
传统的空间环境探测数据存储方式效率较低,且难于满足数据时空分析及深度挖掘,也不能基于三维特性开展时空可视化表达。设计了一种满足海量探测数据特点的多基态修正扩展的混合时空模型,并进行了管理系统软件的设计和开发。该系统能较好地组织管理空间环境数据,减少存储空间,并在一定程度上提高了时空数据操作的效率。
通过分析目前水文模型本地服务模式的不足,针对当前国内外Web Service技术在水文信息系统中的应用现状,设计并实现了一个基于Web Service技术的在线水文模型服务系统,示范了基于Web Service技术的网络数据获取、水文模型运行模拟等过程,说明基于Web Service技术的在线水文模型服务较好地实现了水文模型网络共享,支持异地模型访问。建议在线水文模型服务结构从网络数据库/数据中心获取数据,一定程度上解决了传统模式从本机上传海量数据等问题。这种在线水文模型服务模式节约了模型运行成本、降低了用户要求,在具体水文水资源管理事务中具有较好的应用和拓展前景。
实验发现岩石挤压破裂会在特定微波频段辐射能量增强。根据星载微波辐射计AMSR\|E 2003年至2010年4月中上旬8 a的辐射亮度温度(Tb)数据,提出辐射异常指数RAI,检测地震岩石挤压破裂产生的微波能量辐射异常。利用大气辐射传输模型,分析地表物理温度和大气水汽含量等变化对于检测RAI的影响。对2010年4月12日(2010年4月14日玉树地震发生前两日)的Tb数据作RAI分析,RAI异常的检测区域与地震主断裂带分布有明显的空间相关性。
水体叶绿素a浓度不仅是水质状况的重要指标,也是制定水环境保护和水资源开发利用方案的重要依据。以2004年8月19日太湖水质浓度实验数据和同步的Hyperion影像为数据基础,研究适用于Hyperion影像的四波段半分析算法。由模型参数标定数据集(37组)对四波段半分析算法参数的拟合分析和模型检验数据集(5组)对算法精度的评估可知,基于指数拟合方法获取的四波段半分析算法具有较高的叶绿素a浓度估算精度(相关系数为0.8913,平均绝对误差为1.1109μg/L,对应的平均相对误差为5.69%,其对应的4个波段波长分别为671.02nm、701.55nm、711.72nm和742.25nm)。用以上四波段半分析算法从Hyperion影像中提取的叶绿素a浓度呈湖心低、沿湖区域高的格局。与22.23 μg/L的年均叶绿素a浓度相比较,2004年8月19日的叶绿素a浓度处于年际较高水平。
SAR图像反演高分辨率海面风速在微波遥感领域具有重要的意义。利用 SAR图像和NCEP/QSCAT混合风向数据,对NCEP/QSCAT混合风向用于SAR图像反演高分辨率海面风速的方法进行了初步研究。以2005年12月6日一景ENVISat ASAR图像为例,反演了大范围、高分辨率海面风速。海面风速的反演结果与NCEP/QSCAT混合风速、日平均散射计风速的比较结果显示,其均方根误差分别为1.9 m/s、1.6 m/s,二者符合较好,显示了SAR反演高分辨率海面风速的能力与SAR海面风场业务化应用的前景。
利用Longuet-Higgins线性海浪模型和JONSWAP海浪谱来表示海浪方向谱。在Bragg波散射模型的假设下，推导了海浪谱与SAR图像谱之间的映射变换，它适用于线性海浪的成像范围。采用Monte Carlo方法，可产生具有随机性的海浪方向谱。对于时不变的海面来讲，该方法具有计算效率适中的特点。仿真结果表明，海浪谱与SAR图像谱之间存在着谱的畸变、谱的分裂和方位向谱的移位等特点。
针对不同的地表覆盖条件,研究基于Hyperion星载高光谱数据的砂页岩型铜矿信息提取方法。首先对Hyperion L1级数据进行波段筛选、坏线修复、大气纠正和几何纠正等预处理,然后分别针对不同的植被覆盖情况使用不同的信息提取方法。在岩石裸露区,直接使用光谱角制图法；在植被覆盖区,使用铜金属离子的积累导致的植被生理异常作为间接标志来识别铜矿信息,生理异常使用高光谱植被指数来计算。结果表明,综合使用这两种方法的互补信息能够便于提取复杂地表覆盖情况下的铜矿信息。
三峡库区滑坡灾害严重,应用传统监测方法不仅耗资巨大,而且效率不高。通过对近年来迅速发展起来的地表形变探测新技术——重轨星载InSAR技术进行了相关研究,并针对三峡库区近地表大气水汽含量变化频繁的特点,研究了大气水汽变化对重轨星载InSAR观测精度的影响,在对Zebker的相关研究结论进行实证后,探讨了重轨星载InSAR技术应用于三峡库区滑坡监测的可行性。
时序NDVI数据集已经成功地应用于全球与区域环境变化、植被动态变化、土地覆盖变化和植物生物物理量参数反演等多方面的研究。时序NDVI数据集受到云和气溶胶等大气条件和传感器自身等因素的影响包含很多噪声，影响了其进一步的应用。基于对近几年来普遍使用的5种重建方法的对比分析结果，发展了基于标准差权重和噪声点性质的两种综合方法。以黑河流域2009年16 d最大值合成的MODIS NDVI数据为例，对比了两种综合方法与5种重建方法的效果；并用2009年5月下旬至8月上旬的地面实测NDVI数据验证了两种综合方法的重建效果。结果表明这两种综合方法的效果都优于对比的5种重建方法，它们既保留了原始数据中大部分的点，又最大限度地修正了噪声点，所生产的时序NDVI数据集，可以更好地用来开展全球与区域土地覆盖和植被动态变化监测等研究。
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