数据同化能将观测数据和模型模拟有机结合,优势互补,成为全球环境变化研究的重要方法之一。在数据同化算法的发展过程中,粒子滤波算法不受模型线性和误差高斯分布假设的约束,成为当前数据同化算法研究的重点。通过对粒子滤波算法在数据同化中应用研究进展的相关文献进行收集、整理和归纳,总结了粒子滤波算法的优势及在数据同化中的应用,并分析了粒子滤波算法应用于数据同化时所存在的主要问题和相应的解决方法,最后展望了未来的研究重点及发展趋势,为深入开展粒子滤波算法研究、使之更好地应用于数据同化领域提供理论依据。
传感器的定标精度是衡量SAR卫星系统性能和数据质量的重要标志。以TerraSAR\|X卫星为例,系统设计了外场定标实验流程,围绕高精度获取参考目标外场实际几何坐标和散射截面积的目标,对角反射器的设计与制作、布设方案、状态参数计算和坐标精密测量等问题进行了研究。基于同步获取的SAR数据和外业数据,进行了TerraSAR\|X几何和辐射定标参数的精度验证。验证结果证明了实验总体设计和关键问题解决的有效性,对于其他星载SAR定标工作具有借鉴意义。
应用高效、稳健的EFAST方法,以黑河流域盈科绿洲站为例,从3个方面对SEBS模型的参数敏感性进行了分析:分别以感热通量(H)、潜热通量(λE)、蒸发比(fr)作为SEBS模型的输出结果,分析其对12个输入参数的敏感性;利用气象数据驱动模型,分析H、λE和fr对6个地表特征参数的敏感性;分析了参数取值范围对敏感性分析结果的影响。研究结果表明:H、λE与fr都对参考高度处的气温和风速、地表温度以及植被特征参数的敏感性较高。参数间相互作用对H、λE的间接影响很小,而对fr的影响较大。当气象输入参数确定时,6个地表参数中地表温度对模型输出的直接贡献最大,其主敏感度指数接近0.6。参数采样范围不同时,模型输入参数的敏感性表现不同。
凭借能够测量海面辐射全部4个Stokes参数的能力,全极化微波辐射计成为测量海面风场的一种新手段。由于风向信号仅仅只有几K甚至更小的振幅,故对全极化微波辐射计极化通道的定标精度要求颇高。使用WindSat实测亮温及其海面参数匹配数据集,基于海面风向信号的谐波特征,对WindSat极化通道亮温的定标偏差和仪器噪声进行了计算和分析。研究结果表明:WindSat的10.7、18.7和37.0 GHz这3个频率的极化通道均存在明显的定标偏差,并且该定标偏差会随着升轨和降轨、前向刈幅和后向刈幅等不同观测模态发生变化。另外,WindSat极化通道的仪器噪声较小,其中T3的仪器噪声在0.2 K以内,T4的仪器噪声在0.1 K以内。
临边或掩星探测是通过对大气的切片式观测方式所建立的反演方法,可以获取大气要素垂直分层的精细分布,是卫星遥感的一种重要方式和方向。目前已有的临边大气辐射传输模式大部分是基于水平均匀分布的一维模式,且以不包含大气偏振模拟的模式为主,而偏振是未来大气遥感的重要手段,特别是在紫外波段的临边探测。为满足我国下一代临边探测的需求,编写了一个基于逐次散射法的临边矢量辐射传输模式,该模式可实现对临边辐射的4个Stokes参数的模拟,并考虑了大气水平非均匀分布的影响。在环境参数完全相同条件下,将标量计算方式下辐射强度的模拟结果与郭霞等的LGLTRAN模式的模拟结果进行比较,结果验证了模式的合理性。在此基础上对不同大气分层条件下的临边Stokes矢量进行了模拟和简单的分析。
森林分类对于理解森林生态系统结构和功能具有重要意义。由于云南省地形和森林类型复杂,首先按云南省的16个行政区划将全省Landsat TM影像分为对应的16个区域。以TM波段1~5和7,以及由植被指数、缨帽变换、主成分变换、DEM组成的18个变量组,统计训练样本光谱值均值变化和光谱值与频率间的关系。利用交点计算公式计算类间最佳分类界点进而建立决策树,逐一分离各区的所有森林类型,将分类结果合并得到云南省阔叶林、针叶林和针阔混交林类型分布图。最后将分类结果与监督分类中的最大似然比法的分类结果进行对比。结果表明:监督分类的总体分类精度为74.39%,Kappa系数为0.63,决策树方法的总体分类精度为86.61%,Kappa系数为0.80,说明决策树方法可以提取高精度的云南省森林类型,进而为该区域森林叶面积指数和生物量反演等研究提供基础数据支持。
作为我国第一个星载微波遥感仪器,搭载在FY\|3B上的微波成像仪(MWRI)的数据质量和应用前景引起了广大科研工作者的普遍关注。为充分了解该传感器的数据质量,采用星星交叉对比的方法,以极地为研究区域,AMSR\|E亮温数据作为对比值,开展针对MWRI的亮温数据处理和评价等工作。研究结果表明:MWRI与AMSR\|E对极地区域的观测数据基本一致,整体趋势略偏小1.64 K;亮温差异随目标亮温的变化而变化,偏差值与亮温值呈正相关;不同通道比较,10 v和36 v对比结果最差,偏差绝对值和均方根误差均超过3 K;10、18和23 h通道对比结果最好,平均偏差绝对值小于0.8 K,均方根误差小于1.4 K,小于3 K的误差比例在98%以上;从线性回归分析所得斜率、截距、可决系数和均方根误差值显示,两者点对点数据值存在一定的偏差,但在数值整体趋势上具有明显的一致性,H极化比V极化对比结果更好;不同间隔的观测时次结果表明,间隔时间越长,V极化的对比差异越大。
高光谱图像在遥感领域中的应用越来越广泛,但由于自身的高数据维、波段间的高冗余度等特性给图像处理带来了一定困难,针对这个问题,提出一种基于类间可分性准则的改进萤火虫仿生算法,进行高光谱遥感波段选择。在分析萤火虫算法机理的基础上,阐述了利用该算法进行高光谱波段选择的思路,并构造波段相似性矩阵,选择欧氏距离、JM距离、光谱信息散度和离散度作为可分性准则来设置目标函数,根据目标函数值的优劣选择优势波段。最后,使用HYDICE Washington DC Mall和 HyMap Purdue Campus两个高光谱遥感影像数据进行实验验证,并利用支持向量机分类器对最佳波段组合进行精度评价,证明该算法的可行性和有效性。
分析了Line Mixing(LM)以及Collision\|Induced Absorption(CIA)效应对中国全球二氧化碳监测科学实验卫星(TanSat)反演CO2所用的CO2的1.61、2.06 μm以及O2 0.76 μm 3个波段气体吸收的影响。LM效应对CO2的1.61、2.06 μm气体吸收截面的影响约2%,LM以及CIA效应对O2 0.76 μm波段的影响,在翼部达到75%,在中心区域约2%。LM效应使谱线线型变窄,使谱线中心吸收波数处吸收截面增大,翼部区域吸收截面减小。考虑LM以及CIA效应后,减小采用传统Voigt线型计算截面存在的结构性误差。分析了气体吸收截面以及LM效应随温度、气压的变化情况,LM效应在压强较大以及温度较低时对吸收截面影响较大。最后,在3个波段选择合理的气压、温度以及波数间隔,建立三维吸收截面查找表,在满足计算精度的同时节约时间,满足卫星大量观测反演的需要。
积雪中存在的吸光性污染物对积雪反射率具有显著的降低作用,进而对能量平衡和气候变化有重要影响。但是,污染浓度变化如何影响积雪反射特征仍然缺乏定量描述和深入探讨。选择新疆富蕴作为典型干旱与半干旱积雪实验区,通过人工控制试验在自然积雪状态下生成不同浓度的污染雪样方,并对积雪及污染物自身的反射率进行测量。在实测数据基础上通过构建线性混合模型定量分析不同浓度条件下污染物对积雪反射率的影响力。研究结果表明:积雪反射率降低与污染浓度呈非线性关系,随着污染浓度增大,单位浓度影响力降低,在350~450 nm波段范围1 813 ppm浓度的单位影响力甚至是9 507 ppm浓度的1.5倍以上;同时发现除了污染浓度,积雪与污染物自身物理特性也是影响反射率变化的重要参数。
泥石流是我国西南山区常见的一种地质灾害。5·12地震构成了众多隐蔽的不稳定斜坡,在强降雨条件下,这些潜在的不稳定斜坡极易形成突发性泥石流。在流域划分的基础上,基于不同尺度将汶川县划分为不同的流域单元,选取评价因子,建立评价模型,最终实现整个汶川县潜在突发性泥石流危险性评价。结果表明:若按集水阈值20万、30万与40万划分流域单元,则潜在突发性泥石流高危险性及以上单元分别有58、59与30个,占流域单元总数的43.61%、67.05%与57.59%。
考虑到高光谱大气红外探测器通道之间的相关性、变分同化的时效性等,需要进行通道选择。利用主成分—逐步回归法进行AIRS通道选择研究。由于短波CO2通道易受太阳光影响,分白天和夜晚进行。具体执行过程中,首先进行通道预处理,然后分别对温度和湿度雅可比矩阵进行主成分分析,并采用逐步回归法找出对前几个主成分影响较大的通道得到入选的通道子集。进而根据经验和实际观测资料,为了达到全局最优并兼顾局部,基于分区的思想,采用主成分—双区逐步回归法进行通道选择。结果表明:①利用AIRS进行反演时,合理选择通道是非常必要的;②主成分—双区逐步回归法得到的通道组合进行温度、湿度反演的误差整体比基于信息熵分步迭代小。〖JP〗
近年来由于气候变化和人类活动的影响,青海省受荒漠化的影响日趋严重,采取有效的手段进行荒漠化快速动态监测,跟踪荒漠化现状和变化趋势,是荒漠化防治必要手段。基于像元二分模型,采用2000~2012年MODIS的增强型植被指数产品(EVI)估算青海省植被覆盖度。以植被覆盖度为主要评价指标,对青海省荒漠化现状和动态变化进行快速监测。结果表明:遥感估算的荒漠化面积和全国荒漠化调查的结论基本一致。13年间,青海省荒漠化土地的空间分布特征没有明显变化,全省荒漠化和潜在荒漠化土地总面积在研究时段内没有明显变化趋势,但是受自然因素影响,面积年际波动明显。重度荒漠化面积整体上呈明显下降趋势,青海省沙化和荒漠化状况有所改善,部分地区生态群落生产力、草地植被覆盖度呈上升趋势,表明近年来在青海实施的林业工程和荒漠化治理措施逐步显现出生态效益,发挥了实际作用。
海岛生态系统具有丰富的生物多样性和重要的生态功能,近年来,我国海岛的生态环境正遭受人类活动的严重破坏,目前,需要通过海岛调查来掌握海岛利用信息,为保护和修复海岛生态环境提供技术支撑。运用高空间分辨率影像,基于珊瑚礁岛的遥感特性,耦合纹理特征,借助支持向量机良好的分类性能,特别在小样本、非线性及高维特征空间具有较好的泛化能力,构造支持向量机理论与算法。针对珊瑚礁岛信息提取,对SVM的核函数进行比较,可获得较为理想的函数,融合纹理变化参数能够较好地区分礁坪与沙滩,能够有效提取建筑用地信息。在此基础上,运用SVM方法再次进行分类,对图像进行预处理可提高分类精度,精度可达77.8%。
以NCEP/NCAR所发布的1950~1979年全球海平面温度(SST)数据为基础,得到了1980~2006年ENSO事件的3个典型阶段,即冷阶段、中性阶段和暖阶段。通过分析1982~2005年的NOAA\|AVHRR NDVI影像数据,得到了在不同ENSO 阶段青藏高原生长季(5~9月)和冬季(12~2月)的NDVI平均值和离差图。结果表明:在生长季,冷阶段的NDVI高于其他两个阶段;在冬季,高原上的NDVI在正常阶段最好,其次为暖阶段,在冷阶段生长状况最低。此外还发现,不同阶段的青藏高原北部和南部植被变化也存在明显差异。
我国西南喀斯特地区长期存在以石漠化为特征的土地退化问题,是我国三大生态问题之一。喀斯特地区地表复杂度高,具有高度时空异质性,像元混合现象严重,植被、裸岩和裸土为喀斯特地区典型地物,使得评价喀斯特石漠化的关键指标(如裸岩率、植被覆盖度)获取比较困难,高光谱遥感在混合像元分解方面有独特优势,可以获取地物端元的丰度。通过地面试验表明光谱指数能够表征地物覆盖度,进而以Hyperion高光谱影像为数据源,利用连续最大角凸锥方法从影像中提取这3类地物的端元,运用半约束和全约束线性光谱分解方法估算其丰度。研究表明:半约束线性分解得到的丰度优于全约束分解结果,其反演的植被、裸土和裸岩的丰度与相应的光谱指数间具有显著线性相关性,确定系数R2分别为0.92、0.66与0.84,表明地物丰度能够表征其覆盖度。因此,通过混合像元分解算法反演地物丰度来提取喀斯特石漠化因子具有一定的可行性,这为高光谱遥感在喀斯特石漠化中的评价和监测奠定了理论和算法基础。
在黑河祁连山山前地区建立分布式的土壤温度/水分传感器监测网络,准确获取异质性地表的遥感像元真值,用于地表冻融状态分类及土壤水分定量反演算法的发展完善和真实性检验,以及两者的降尺度研究均具有重要意义。传感器监测网络节点的空间布局直接影响观测有效性及其数据质量,一种基于异质性地表的均值估计方法被用于空间节点的优化采样设计：即以地表温度为目标变量,将研究区划分为相对均质的若干层(子区域),计算各层及总体的变异函数参数作为代价函数的输入,通过最小化目标变量的估计方差,实现传感器网络节点在各层的空间分布,准确地捕捉区域内部的异质性。结果表明,分层后各层的异质性相对于总体都有所下降,优化的节点空间布局具有较好的属性代表性,对于异质性较强的局部区域,有较高的样本密度。
利用1984~2009年国际卫星云气候学计划(ISCCP)D2数据集的平均云量(MCA)资料,提取了中亚地区不同区域平均云量的时间序列特征,并利用平均云量时间序列平稳性、季节性等特征将中亚地区云量划分为3类:月平均云量时间序列季节性非平稳类型、月平均云量时间序列普通非平稳类型和月平均云量时间序列平稳类型。从分类结果看,中亚地区云量总体呈现非平稳特征。月平均云量时间序列季节非平稳类型云量主要集中在哈萨克斯坦和新疆地区,月平均云量时间序列普通非平稳类型云量主要分布在哈萨克斯坦北部和中部偏东一直延伸到新疆的条带地区,月平均云量时间序列平稳性类型云量主要分布在阿姆河流域。从平均云量结果看,中亚地区1984~2009年的总体平均云量为 64.69%,最高为1984年的66.50%,最低为1999年的62.38%,最高和最低平均云量之间相差4.12%。中亚地区平均云量变化趋势为先下降后上升,并在中间发生了一次震荡,但总体呈现出下降的趋势。
地表真实面积很难直接测量和计算,一般利用投影面积代替地表面积。在地形起伏较小的平原地区,地表真实面积和投影面积相差不大,但在地形起伏复杂的山区,两者差异较为明显,为计算地形起伏复杂的横断山区地表面积,选取西藏自治区昌都县作为研究区,推导了地表粗糙度的地学意义,基于地表粗糙度地学意义计算地表真实面积并定量分析了地表真实面积与垂直投影面积之间的差异。实验结果表明:相同土地覆被下,DEM分辨率越高,地表真实面积与垂直面积差异越大;草地、灌木林地、有林地、疏林地和难利用地的地表真实面积与其垂直投影面积差异较大,分别占垂直投影面积的11.275%、13.447%、16.586%、13.644%和17.282%,对于地形起伏复杂的山区而言,地表真实面积与垂直投影面积之间的差异不容忽视;坡度越大,地表真实面积与垂直投影面积之间的差异越明显,当坡度>75°时,差异迅速增大。基于地表粗糙度地学意义可快速获取地表真实面积,若建立典型地区地表粗糙度数据库,可为该地区土地利用变化、森林资源调查和作物面积估产等提供更加科学有效的数据。
在地球科学领域中,自相似性非常普遍,围岩蚀变作为一种地学特征并以遥感异常反映在影像上,其像元亮度—面积模式符合一定的分形理论。利用分形理论的求和法进行遥感蚀变异常的提取和分级可以弥补门限法和灰度直方图目视方法确定突变点的不足,再次利用分形的盒维数方法可得到研究区遥感蚀变异常的分形特征。以云南昭通毛坪铅锌矿ETM+遥感影像数据为信息源,采用主成分分析法(PCA)计算出反映矿区遥感蚀变异常的主分量,再对异常主分量进行像元灰度值和像元个数的统计并采用分形方法对蚀变异常信息进行分析和蚀变异常级别的划分,最后利用分形的盒维数法得到毛坪铅锌矿遥感蚀变异常信息的分形特征并与传统门限化方法进行了对比研究。研究表明区内遥感蚀变异常信息具有统计上的分形特征,分形方法确定异常限要比传统的门限化方法选取蚀变阈值更为准确;分维值与异常级别存在一定的正相关关系;分维高值区与蚀变信息密集区相一致。
对资源三号卫星(ZY\|3)数据影像特征进行科学分析与应用研究,为ZY\|3数据优化利用与广泛应用提供可靠的借鉴。分别从单波段数据信息量、多波段数据相关性及各波段数据地类间可分性分析原始数据,ZY-3多光谱数据以band4信息量最丰富,与其他波段相关性小,地类间光谱距离最大,其次是band3与band2,而band1各项指标最差。将band4、3、2组合后,进行多光谱数据与全色数据分辨率融合,进一步分析融合后数据,对于土地覆被调查,主成分分析影像视觉最好,而乘积方法信息量最丰富。
基于2010年3个时期的TM遥感影像数据,应用像元二分模型进行北京地区的植被盖度反演。并根据野外实际测量数据研究植被盖度的季节变化情况。应用3个时相的TM数据,分别计算像元二分模型中的参数NDVIsoil和NDVIveg获得了北京地区不同时间的植被盖度信息。进一步应用实地监测的植被盖度数据进行精度验证。结果表明:反演的植被盖度与实地测量植被盖度具有较好的相关性,从散点图上看,数据点多集中在1∶1线附近,3个时期两者间的相关系数均大于0.8,并且2010年的3期植被盖度图像显示的季节变化与地表实际测量的植被盖度季节变化类似。
当前SIFT特征分层配准方法中存在特征点匹配复杂度高以及不同时相地物变化导致特征点误匹配等问题,提出一种基于SIFT特征的“低分辨率配准\,高分辨率验证”快速逐层遥感图像配准方法。该方法针对同源同分辨率不同时相的遥感图像,通过在金字塔的低分辨率图层匹配特征点对并建立仿射变换模型,在金字塔的高分辨率图层评估并修正模型。实验表明：提出的方法在保证配准精度的前提下,有效提高了配准算法的效率。
元数据标准不仅是规范管理数据资源、实现数据资源最大化共享的基础,同时也对多种类型数据的入库过程进行一定程度的约定和规范,以确保数据的全面性和准确性。因此,基于不同学科的数据特点,在元数据标准建立的基础上,构建各学科数据库和数据信息平台,以确保科学数据的最大化利用。根据多年冻土及其主要环境因素的数据特点,以地理信息元数据国际标准ISO 19115为模板,参考生态、资源环境、气象和地质等元数据标准,确定了冻土元数据标准编制原则,并较为详细地阐述了冻土元数据实体包之间的层级关系和组织结构、内容及特点。并在此元数据标准基础上,实现了“青藏高原多年冻土本底调查信息系统”。通过本项工作,期望能够进一步促进冻土数据管理和共享。
机载激光雷达(LiDAR)技术的出现为地面汽车目标检测提供了新的途径。为了从机载LiDAR点云数据中提取汽车对象,根据不同地物的属性特征,提出了一种航空影像辅助下的城区机载LiDAR汽车目标检测方法。首先利用形态学开重建滤波完成地面和地物的分类,然后在地物点的基础上结合正射影像,通过归一化植被指数(NDVI)特征完成对植被和非植被地物的初步分类,最后在非植被地物的基础上,根据地物对象的形状特征及高程信息完成汽车和建筑物及阴影植被等非汽车对象的分类,从而完成汽车目标的提取工作。3个实验区的计算结果表明:该方法能有效从LiDAR点云中提取汽车目标,正确度和完整度的均值分别为95%和85%,满足实用性要求。
地理信息系统(Geographical Information System,GIS)在文献计量学中的应用是GIS应用拓展的一个新方向,近10年来得到越来越广泛的应用,特别是在空间相关信息展示和查询等方面发展迅速。为了方便非GIS专业人员应用GIS技术进行文献计量信息挖掘、制图和空间分析等操作,利用开源GIS软件DotSpatial开发文献计量GIS工具,可以满足用户数据导入、指标计算、图层和视图操作以及制图输出等需求。研究结果显示:通过研发的文献计量GIS工具可以比较快捷地实现文献指标的空间展示和制图目的。
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