复种指数是对耕地资源利用状况的一种度量,其对于指导农业生产及研究气候变化等具有重要意义。利用遥感技术进行复种指数监测,不仅客观、高效、低成本,而且可以获取更佳的空间分布信息,近些年已成为农业遥感领域的研究热点。对复种指数遥感监测进展进行了综述:首先归纳和梳理了已有的几种复种指数遥感监测方法,并分析了各种方法的优缺点;然后在总结该领域研究现存关键问题的基础上,探讨了未来的发展趋势:(1)在内容上丰富,加强特殊的作物熟制信息监测;(2)在空间上拓展,加强地形复杂区域的复种指数监测;(3)在时间上延伸,加强复种指数长期的动态变化监测。
精确的区域作物产量估计在社会食品安全生产中起着重要作用。首先讨论了常用的2种区域作物产量估计方法,包括产量监测和产量模拟。其中,作物生长模型能够反映作物的整个生长演变过程,并能最终预报作物产量,因此在区域作物产量预报中起着重要作用,但是由于作物生长模型在输入数据、模型参数和模型结构等方面存在较大的不确定性,导致最终的模拟结果也存在较大的不确定性,尤其是应用到区域尺度时,这种不确定性使得模拟结果同真实的作物产量空间分布图存在较大的不一致性。而产量监测,尤其是利用先进的多源遥感信息,可捕捉真实的区域尺度的地面作物生长信息,但是仅为瞬时信息。因此利用数据融合算法,融合模型和数据的优点,得到更为可靠的区域产量估计结果是十分有意义的。所以在详述了当前主要的作物生长模型的基础上,重点讨论了常用的2种数据融合技术,即优化方法和顺序数据同化方法,以及目前利用这两种方法在作物生长模型中融合观测信息的部分案例。
森林生物量作为森林生态系统基本的数量表征,表明了森林的经营水平和开发利用价值,并能反映其与环境在物质循环和能量流动方面的复杂关系。同时,森林生物量也是林业问题和生态问题研究的基础。以内蒙古大兴安岭国家野外生态站为研究区域,通过对机载激光雷达(LiDAR)点云数据的预处理,利用计算机编程提取LiDAR点云数据的结构参数,以植被分位数高度变量与密度变量为自变量,结合地面调查数据,建立生物量与LiDAR结构参数的回归模型(决定系数为0.69,均方根误差为0.34)。运用IDL编程对LiDAR点云块数据进行运算并生成分辨率为20 m×20 m的栅格图像,拼接后得到整个区域的地上生物量分布图,对生成的地上生物量分布图进行验证的R2为0.78,RMSE为23.09 t/hm2,平均估测精度达83%。
基于江苏省常熟市虞山地区Landsat 8 OLI影像和55块调查样地数据,利用多元逐步回归法建立森林生物量模型,并讨论了预测结果及其精确性。选择包括各波段灰度值、不同波段灰度值之间的线性和非线性组合(包括18种植被指数)、纹理信息以及主成分分析、最小噪声分离变换等在内的53个特征变量。通过分析53个特征变量与森林地上、地下生物量的Pearson相关性,进行特征变量的优化提取。结果表明:所有样地无区分分析时,地上和地下生物量的模型精度均达到0.4以上,基于3种森林类型(针叶林、阔叶林和混交林)进行地上和地下生物量建模时精度有明显提高,达到0.67以上,地上生物量和地下生物量的估测结果均为混交林优于阔叶林,阔叶林优于针叶林。
针对HJ-1A/B卫星CCD数据,建立适合于厦门海域的叶绿素a浓度反演模型,将为持续监测该海域的赤潮提供时间序列的叶绿素a浓度数据。基于2013年7月31日厦门海域水体实测光谱与叶绿素a浓度同步测量数据,及HJ\|1B卫星CCD2光谱响应函数,对各波段遥感反射率与叶绿素a浓度的相关性进行比较,证实蓝、绿波段比值与叶绿素a浓度相关性最高。对OC3模型在内的5种模型的反演结果和实测叶绿素a浓度做相关性分析,发现各模型相关系数均达到0.7以上。利用2013年7月30日实测数据对同期厦门海域HJ-1B卫星CCD2数据叶绿素a浓度反演结果进行精度验证,结果表明本地化的10指数模型在反演叶绿素a浓度动态范围较大的区域具有更高的精度。
基于2010年4月在昆承湖采集的野外实验数据,建立了适用于昆承湖的QAA固有光学量反演模型。结果表明:该模型可以得到较高精度的反演结果。所有验证点在411~700 nm波段范围内,反演总吸收系数和实测总吸收系数的决定系数R2都高于0.984,平均相对误差ε都低于14.5%。在440、488和532 nm 3个波段处,总吸收系数反演值和实测值决定系数R2分别为0.655、0.742和0.826,平均相对误差ε分别为6.5%、3.6%和3.4%,精度较高。反演后向散射系数与和参考后向散射系数在440、488和532 nm处均具有较好的相关性,且532 nm处反演后向散射系数与实测总悬浮物浓度决定系数为0.624,呈正相关,反演后向散射系数具有一定的可信度。该模型能够为昆承湖固有光学量的反演提供一条有效途径。
为了推进FY-3A/MWHS数据与国外同类载荷遥感数据的同化应用,针对FY-3A/MWHS业务L1数据尝试开展大气吸收通道在轨辐射校验,通过瞬时星下点交叉比对(SNO)方法,完成MWHS与美国NOAA卫星同类载荷AMSU\|B轨辐射基准的交叉传递。两个同类载荷遥感数据的对比分析表明:MWHS大气水汽吸收线附近的主探测通道与AMSU-B对应通道天线亮温变化特征一致;以辐射校验为基础,可以将AMSU\|B在轨辐射基准传递到MWHS冷空辐射修正量,实现微波探测器在轨辐射基准的归一化。辐射交叉校验技术,为两个同类微波探测器在轨遥感数据的融合应用以及在数值天气预报中多源数据的同化应用奠定了基础。
为提高光谱数据光谱信息和纹理信息利用率,提出基于自动子空间划分和粗集理论的光谱与纹理特征优选方法。该方法在传统子空间划分法的基础上,利用粗集约简思想对不同类别地物光谱特征进行约简,得到基于光谱的初选波段,再利用灰度共生矩阵法计算出初选光谱波段的纹理信息,并约简优选,得到基于光谱和纹理信息的终选波段。利用黑河生态水文遥感试验中所获取的机载高光谱数据CASI,开展该方法的实证研究。对原始光谱波段、初选光谱波段和终选波段进行SVM(Support Vector Machine)分类,结果表明:与原始光谱数据相比,经过光谱初选得到的初选波段和增加纹理优选的终选波段,总体分类精度分别提高了0.84%和2.78%,Kappa系数分别提高了0.01和0.035;对地物纹理信息进行深度挖掘可以进一步提高遥感影像分类精度。
由于技术条件的限制,一个传感器很难同时具有高空间分辨率和高时间分辨率。然而,在高分辨率尺度上监测地表景观季节性变化的能力是全球的迫切需要,融合周期短、覆盖范围广与分辨率高、周期长的遥感数据是一种较好的方法。基于AVHRR时间分辨率高和TM空间分辨率高及其数据积累时间长的特点,选择若尔盖高原为研究区域,在改进ESTARFM方法的基础上,对TM NDVI和AVHRR NDVI进行融合,构建高时空分辨率的NDVI数据集。研究结果表明:该方法能有机结合AVHRR NDVI的时间变化信息与TM NDVI的空间差异信息,有效实现高时空分辨率NDVI数据集的重构,3景预测高分辨率NDVI与MODIS NDVI产品相关系数分别达到了0.89、0.91和0.85。该方法能够在时间上保留高时间分辨率数据的时间变化信息,同时在空间上反映高空间分辨率数据的空间差异信息,从而为有效构建相对高分辨率时间序列NDVI数据集提供了可能的方法。
针对现有阴影检测误检水体为阴影及阴影增强导致非阴影区域信息改变的问题,提出基于统计信息分析的主成分变换水体识别与剔除方法,并结合蓝光抑制算法和阴影同质区统计信息实现阴影补偿。首先使用归一化阴影指数(Normalized Difference Umbra Index,NDUI)实现阴影区域的初始检测,然后利用主成分变换后水体统计信息与阴影统计信息的差异实现水体的识别与去除,并结合小区域去除和数学形态学方法完成阴影区域的检测,最后使用蓝光抑制算法和阴影同质区的统计信息分别对H、I、S分量补偿,并将结果转换回RGB色彩空间完成阴影补偿。以不同地区的高分辨率WorldView2影像和UltraCam D影像对提出的方法进行测试,结果表明:该方法可有效解决水体误检测为阴影的问题,且能够降低阴影补偿对非阴影区域的影响。
介绍了遥感模型集成平台的设计思路,关键技术的实现方法。对定量遥感研究中使用的遥感模型进行集成,使用统一的框架将模型封装并发布,通过集成平台来实现多个模型的统一调用,借助集成平台内置的二次开发语言来实现模型变量的赋值,循环,判断等逻辑操作,将多个模型之间的输入输出自动关联,实现单一模型无法实现的复杂模拟,以辅助开展定量遥感研究工作。最后,在设计开发的集成平台上,开展了一组模拟实验以验证集成平台的正确性。
有效的波段选择方法可以极大地提高高光谱图像处理速度的同时改善处理效果。为了自动判断低信噪比波段,提出了一种基于小波变换的图像信噪比估计(SNR estimation,SNRE)方法,利用小波变换后对角方向上的高频成分估计噪声方差并计算信噪比。将该方法分别结合基于方差和相关系数(V_COR)的最优索引指数、最大信息量(MI)、高阶矩(偏度或峰度)结合信息散度(K3_KL)等3种基于信息量的波段选择方法后选择波段。将这些改进后的波段选择方法应用于高光谱异常检测。实验结果表明SNRE预选波段结合MI和K3_KL选择波段用于异常检测能进一步提高检测精度。
基于多尺度的高分辨率遥感影像分类方法研究,可以为滨海湿地动态监测、规划保护提供更详尽的湿地分类信息和更快速的数据获取方法,对湿地保护具有重要意义。选取连云港青口河入海口处湿地为研究区,以高分辨率遥感影像WV\|Ⅱ和航空遥感影像为数据源,利用多尺度分割方法将影像分割成不同层次的实体对象；在不同层次,以实体对象为单元,结合光谱、形状、纹理等不同影像特征,进行滨海湿地分类研究,结果表明:利用该方法分类后,研究区各种湿地类型都达到较高精度。基于多尺度分割的影像分类方法能充分利用各种影像特征完成湿地分类,有效地减少了遥感影像中的“椒盐”现象,提高了分类精度；选择适宜的分割尺度和分割参数是基于多尺度分割的遥感影像分类方法提高精度的前提。
时相和归一化植被指数(NDVI)时间序列特征在农作物分类提取方面具有重要的应用价值。以黑龙江红星农场为研究区,利用多时相环境星HJ\|1 A/B CCD数据及其多期平滑重构后的NDVI时间序列曲线特征,在对象尺度上采用决策树算法开展了农作物分类研究,通过与单独利用多时相遥感数据分类结果的对比分析,研究了增加NDVI时序曲线特征对分类精度的影响。结果表明:面向对象分类方法得到的地块较为规则,平滑了地块内部同种作物间的噪声,避免了“椒盐现象”,适合于我国东北地区农作物分类识别;利用NDVI时序曲线特征参与分类,增强了不同作物之间的光谱差异,提高了作物分类精度,比仅使用3个多时相HJ\|1 A/B CCD数据分类精度提高了5.45%,Kappa系数提高了0.09。通过该研究探讨了NDVI时序曲线特征在作物分类中的应用,拓展了遥感数据在农业领域的应用范围,具有推广价值。
针对已提出的各类云去除方法在实际应用中存在的局限性,将时空数据融合模型引入到云去除方法中。首先基于MODIS数据提供的时间维变化信息和辅助时相TM数据提供的空间信息,应用增强时空适应反射率融合模型(ESTARFM)得到了目标时相似TM合成数据;然后用TM合成数据替换掉目标时相TM影像中被云及其阴影覆盖区域的数据。在修复后的影像中替换区域与非云区域色调基本一致。通过非云区TM合成数据间接对替换云及其阴影区数据的精度进行定量评价。结果表明:相对于真实TM影像,非云区域合成数据各波段均值差异都在1%以内;各波段的相对误差分别为16.29%、12.92%、13.47%、12.87%、9.71%和11.84%,且各波段的相关系数均大于0.7;非云及其阴影区融合影像数据间接表明填补云及阴影区数据各波段的总体精度优于83%。因此,所提出的方法能够修复TM影像中被云及其阴影覆盖区域的数据,提高MODIS与TM数据的利用率。
中国正在经历快速地城市化过程,及时又准确地掌握城市化过程对我国社会经济发展具有重要的实际意义。以Landsat\|TM和ETM+为主要数据源,通过多端元光谱混合分析法(MESMA)提取北京建成区不透水层的时空演变信息。在Ridd的V\|I\|S(植被—不透水层—土壤)概念模型框架下,基于最小噪音变换(MNF)将TM或ETM+的6个光谱波段转换成MNF空间,并定义4种端元光谱分别代表植被、高反射率地表、低反射率地表和土壤,同时构建北京建成区端元光谱数据库。然后在MATLAB软件包中实现MESMA模型程序,依次提取北京市6个时段的不透水层信息。研究结果表明:MESMA方法能够提高植被、土壤和不透水层提取精度,相对误差分别为14.6%、17.3%和11.9%。研究结论充分说明MESMA方法应用到一个时间序列的中分辨率多光谱遥感影像是非常有效的。MESMA光谱分解方法能高效实现北京城市动态变化和城市扩张的监测。
MODIS地表反射率产品(MOD09A1)是MODIS系列化数据产品中一项重要而基础性的产品。在实际应用中发现该数据产品中仍然继承了原始数据固有的条带缺失问题,且随着数据投影转换,缺失数据在表现为条带状的同时,表现出新的分布特点,以往的插补方法不再适用。利用MOD09A1数据集中描述MODIS数据获取和处理质量的QC数据逐一确定单个缺失像元的准确位置,采用其8邻域内的非缺失像元均值对缺失像元进行插补,在对非条带信息不产生影响的前提下实现了MOD09A1缺失条带的去除,从而确保了该产品数据的质量。选用不同年份不同天数的3景数据进行处理,并将模拟的条带缺失数据采用本文方法处理的结果与真实数据比较,以及将同一条带缺失数据采用不同方法处理的结果比较,结果显示本文方法对于MOD09A1数据条带去除优于以往的方法,并具有普适性和可靠性。
随着各种高性能SAR成像传感器的广泛使用,海量的SAR图像为各种对地表观测提供了更加丰富的研究依据。基于SAR图像,在复杂场景中提出了一种基于图论及河道轮廓模型相融合的河道提取方法。首先考虑到河道轮廓曲线的复杂性,提出一种河道轮廓分段建模的方法,将复杂的曲线河道轮廓形式化近似为规则直线线段的组合,进而分段采用最小外接矩形窗的组合准确地对河道区域进行描述。建立了一种更加适用于河道提取的图像分割规则,实现对河道区域的准确分割。在此基础上,利用河道轮廓特征的先验知识,根据区域最小外接矩形的形态和连通性对河道区域进行识别。实验结果表明:该方法与常用的基于灰度阈值判别的方法相比,不仅能够有效提取出河道区域,提取结果有效覆盖90%以上的真实区域,还能够较好地抑制背景信息,提取结果仅包含约2%的背景区域。
综合利用ISODATA分类、地图综合、离散地物去除和岸线追踪等技术,通过ENVI和ArcGIS实现了海岸线遥感信息的提取。以1979、1987、2000和2005年4期Landsat影像为基础数据,提取了杭州湾海岸线;将提取的目标海岸线重采样为30~960 m等10种空间分辨率,从而计算分维数并分析其变迁。研究表明:1979~2005年杭州湾海岸线长度增加了近37.5 km,其中北岸增加的长度(24.9 km)大于南岸(12.5 km);同时,杭州湾海岸线具有显著的分形特性,其中1979~1987年分维数增大,1987~2000年降低,而2000~2005年则为增大。宁波、绍兴、嘉兴、金山、奉贤和芦潮港6个重点海岸的岸线变迁表明,隶属上海市的海岸线受泥沙淤积、港口建设、沿海工业建筑和土地开发等的影响较大;而隶属浙江省的海岸线受自然条件、近海水产养殖和滩涂围垦等的影响较大。
在中国东北、华北、华中、华南、西北、青藏、内蒙古7个自然地区分别选择典型区A、B、C、D、E、F、G,以Landsat TM/ETM+影像分类结果为参考数据,采用亚分数混淆矩阵对5种大尺度土地覆盖数据集的精度进行定量评价,为数据集的使用提供科学依据。亚分数混淆矩阵可避免参考数据与待评价数据尺度转换时引入的误差,能反映不同优势类比重情况下数据集的总体精度和分类方法误差。结果表明:GLC2000在全部典型区的总体精度最高,为65.64%;UMD总体精度最低,为43.06%。GLC2000在主要土地覆盖类型为林地和耕地以及草地区域具有较高的分类精度;UMD在各区域的分类精度均最低或较低。5种土地覆盖数据集对于城镇、其他的分类精度在各典型区均较低;对于草地和水体的分类精度则是在西北干旱区和青藏高原区的典型区较高。
植被覆盖度是城市生态环境评价的一个重要指标。针对亚热带城市异质植被覆盖特征,选择像元尺度的植被指数(NDVI)转换模型、亚像元尺度的植被—土壤两端元模型(V-S Model)和植被—高—低反射率三端元模型(V-H-L Model) 在TM影像上估算植被覆盖度,并结合野外实地调查对比验证3种模型的估算精度及其适用性。结果表明模型尺度和背景亮度对植被覆盖度估算有着不同程度的影响。NDVI转换模型整体高估覆盖度为27%,V-S模型和V-H-L模型整体低估覆盖度分别为23%和5%;验证结果证明:NDVI转换模型对高密度(＞60%)植被的估算结果最好,低估4%;V-H-L模型对中密度(40%~60%)和低密度(＜40%)植被的估算结果最优,仅低估2%,并受背景亮度的影响最小。因此,NDVI转换模型适用于高密度植被覆盖度的估算,亚像元尺度下的V-S模型和V-H-L模型适用于低、中密度植被覆盖度的估算,并以V-H-L模型估算较为准确。
通过采用小基线InSAR技术,将离散的DInSAR观测连接起来,获取吉林省九台营城矿区线性地表形变量,通过去除大气延迟相位计算非线性形变量,进而获取时间上连续的沉降场。经实地调查验证,InSAR计算结果较好地吻合了矿区开采范围和地表建筑物破坏情况。最后分析了营城矿区2012年沉降的分布和地表形变随时间的变化情况,揭示矿区沉降漏斗的分布、发展和演化规律。
稀土资源是现代科技所需的重要资源,由于其有很高的经济价值,稀土资源的开采活动越来越频繁,过度开采现象严重,对稀土矿区的实时监控成为保护环境资源的重要环节。遥感技术在监测土地利用变化方面已经有了完善的技术方法。相较于普遍使用的Landsat\|TM/ETM+数据,我国研发的HJ卫星(中国环境与灾害监测预报小卫星)数据具有更短的重访周期,能够对稀土矿的开采进行更加有效的检测。通过结合Landsat\|TM/ ETM+与HJ\|1/CCD数据,根据矿区植被覆盖度的变化及时监测稀土矿区活动情况,对江西定南地区20 a来稀土矿区开采变化情况进行监测,并提出保护建议,为实现矿产资源的可持续发展提供理论依据。
以甘肃省古浪县冰草湾地区1991、2000和2009年3期Landsat TM影像为数据源,采用基于对象的影像分类方法提取研究区各时期的土地利用/土地覆盖信息,在此基础上分析了研究区土地利用结构变化、土地利用类型转换关系和导致土地利用变化的驱动力因素。结果表明:采用基于对象的影像分类方法精度较高,可以达到准确提取土地利用/土地覆盖信息的目的;1991~2009年,冰草湾地区农田和居民用地的面积持续增加,并向沙漠和盐碱地方向扩张,呈现“人进沙退”的格局;2000~2009年各种土地利用类型之间的相互转换速度明显低于1991~2000年,土地利用状况呈现趋于稳定的趋势。造成土地利用/土地覆盖变化的主要驱动力是引黄灌溉和生态移民工程的实施。
面对日益恶化的海洋环境和不断减少的海洋资源,科学、规范地管理各种海洋资源对于渔业资源的可持续发展十分重要。结合地理信息系统利用渔业空间数据建立渔业分析模型,可为合理开发海洋渔业资源提供基本依据。介绍了在ArcGIS Server平台发布渔业空间数据和渔业分析模型服务,实现渤海渔业管理系统设计和开发的方法与过程,系统采用B/S架构基于Flex环境开发。通过要素服务和地理处理服务在客户端实现渔业数据的在线编辑及调用渔业分析模型,同时采用BlazeDS开源库和JavaScript语言,在Tomcat服务器的支持下实现服务器与客户端的数据通信,最终实现高效的渔业数据查询、可视化以及鱼群分布的分析和模拟。
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