海洋污染始终是全球热议问题,人为倾废活动是引起该类问题的主要原因,利用监测手段研究海洋倾废活动可以更好地掌握海洋环境的变化及污染程度。重点总结了传统监测方法及遥感技术在海洋倾废监测中的研究进展,进一步分析了传统方法和极轨卫星在研究中的局限性,探讨了地球同步轨道卫星在实际应用中的进步和优势,结合实际应用结果指出地球同步轨道水色卫星在目前研究过程中存在的问题,并对今后的研究方向进行了展望。
土壤重金属污染是当今重要的世界性环境问题之一。如何快速高效地获取土壤重金属含量及分布信息是进行污染风险评价及预测研究的前提。高光谱遥感具有无损、实时获取信息的优势,利用高光谱技术反演土壤重金属含量仍处于探讨阶段,对其反演机理和建模方法的研究成果进行了介绍和分析。认为充分研究不同类型土壤对重金属的吸附特性,是深入理解重金属含量反演机理的基础。加强不同土壤类型、不同污染程度的案例对比分析,发展光谱信号处理方法,引入非线性建模算法,构建重金属形态量反演模型,是土壤重金属含量遥感估算研究的重要研究方向。
利用SSM/I微波亮温数据,结合地面站点实测资料,比较Chang算法和Che算法在前苏联、中国及蒙古境内6种不同积雪类型的反演精度,结果表明:被广泛应用于全球雪深反演的Chang算法低估了前苏联境内雪深7.6 cm,相对误差为-24.3%,而分别高估中国及蒙古境内雪深9.2 cm与11.4 cm,相对误差分别为108.8%和180.9%,区域反演效果很差;针对中国境内积雪的Che算法严重低估前苏联境内雪深,整体低估21.3 cm,相对误差为-68.6%,RMSE为31.4 cm;在中国及蒙古境内反演效果有所改善。6个积雪类型中,植被较单一,地形较平坦的苔原型积雪和草原型积雪雪深的反演效果较好。 随着纬度和积雪深度的增加被动微波雪深反演有由高估变为低估的趋势。Che算法反演的雪深大体以40°N为界,以北表现为低估,以南表现为高估,另一方面,整体上该算法在雪深低于6.7 cm时表现为低高估,高于6.7 cm表现为低估;因此,全球算法应用到局部地区需要进行修正,不同下垫面性质以和气候条件下形成的积雪的被动微波反演应区别对待。
基于高级积分方程模型(Advanced Integrated Emission Model,AIEM),构建了包含宽范围土壤参数的C波段(6.925 GHz)多角度裸露土壤发射率模拟数据库,利用该模拟数据分析了不同观测角度的裸露土壤发射率极化差之间的关系。在此基础上,结合ω-τ零阶辐射传输模型发展了C波段低矮植被光学厚度反演算法,并利用地基微波辐射计观测数据开展了冬小麦的光学厚度反演。结果显示,冬小麦光学厚度反演结果与实测冬小麦LAI在变化趋势上具有较好的一致性,反演算法具有一定的可行性。
多熟种植是农业生产活动中一种重要的耕作方式,了解耕地的熟制特征,对粮食安全、土地资源管理及农业生态系统的物质循环和能量平衡具有重要意义。通过分析农作物生长发育规律与时间序列植被指数的对应关系,采用时间序列曲线谷值和峰值组成的特征时相集合描述作物生长过程,从而采用排序形态学滤波方法提取熟制信息。选取华北平原多熟制农业区为实验区,采用窗口值为13的结构元素进行排序滤波操作,并利用多时相环境星数据提取的30 m分辨率熟制信息验证MODIS结果。实验结果表明:该方法能有效提取熟制信息,总体精度达88.11%,Kappa系数0.765。该方法只需设定合理结构元素窗口值即可提取多熟制耕地区域,利于大范围推广应用。
微波散射计(QuikSCAT)和微波辐射计(WindSAT)的10 m风矢量数据是目前覆盖范围最大、持续时间最长的海面风场卫星数据产品。利用QuikSCAT和WindSAT运行时间重叠的风矢量原始轨道资料,分别与同步的全球海洋浮标实测风矢量资料进行比较。结果显示:QuikSCAT平均风速略大于浮标,平均绝对误差约为1 m/s;风向平均绝对误差在8°以下。WindSAT平均风速略大于浮标,平均绝对误差不超过0.5 m/s,均方根误差约为1 m/s;风向平均绝对误差在10°以下。在全球海域,QuikSCAT和WindSAT风矢量数据质量高,可信度极好。QuikSCAT和WindSAT在同一点上空的过境时间为准同步,并且二者的风矢量数据相关性极好,可以互相替代。
2013年2月11日Landsat 8在加州范德堡空军基地发射升空,其携带的热红外传感器为反演地表温度提供了一种新的数据,但目前尚没有针对Landsat 8 热红外波段反演地表温度的算法。针对Landsat 8第10波段特征,对现有反演地表温度的单窗算法进行了参数修正,得到了用Landsat 8第10波段反演地表温度的单窗算法系数。为了评价修正后算法的精度,用MODTRAN模拟地表温度为20、30和40 ℃时大气水汽含量分别为1.0、1.5、2.0和2.5 g·cm-2传感器高度处的热辐射值,再将模拟数据用修正后的单窗算法反演地表温度,结果表明:地表温度越低、大气水汽含量越低,误差越小;模拟结果的平均误差为0.74 ℃。说明基于Landsat 8 第10波段用修正后的单窗算法反演地表温度是可行的,该方法可为地表温度反演提供一种途径。最后以滇池流域为例,基于2013年4月20日的Landsat 8热红外数据反演了滇池流域的地表温度,并分析了滇池流域地表温度的分布特征。
利用地面激光雷达三维点云数据,在已有的枝干结构重建方法基础上,提出了一种利用点云密度,结合间隙率模型反演的单木总叶面积,在冠层内分体元添加树叶的方法,重建完整的单木三维结构。该方法成功应用于基于光线追踪方法模拟的点云和野外实测点云数据,实现了单木三维结构重构。重建的单木叶面积与真实叶面积相对误差小于0.9%,方向间隙率的相对误差不超过4.0%。实验结果表明:重建单木三维结构与真实结构在目视效果和定量评价两方面都具有较好的一致性。
氮素是作物需要最大量的营养元素,严重影响作物的生长发育和产量品质。高光谱遥感对氮素含量进行反演,具有快速、低耗及非损伤性等优势。提出了一种多光谱指数和SVM模型相结合的方法,选取不同生育期和不同病害严重度的加工番茄细菌性斑点病的病叶,同时测定病叶的氮素含量。通过相关分析、线性回归的绝对系数R2和F值,优选了光谱指数PSSRb、ND705、GMI\|2和PTBSc,作为SVM模型的输入变量,反演氮素含量和不确定性分析。结果表明:SVM模型反演氮素含量的真实值与预测值的相关系数为0.849,均方误差MSE为0.012,平均相对误差为0.007。与单光谱指数PSSRb和GMI\|2构建的指数模型比较,SVM模型的预测能力更强,真实值与预测值拟合方程的绝对系数R2最大(R2=0.720)。说明多光谱指数的SVM模型,提高了加工番茄细菌性斑点病氮素含量的反演精度,同时为多波段协同反演氮素含量提供了新的思路。
信噪比是用来评价遥感影像质量一个重要的辐射特性参数。通过合适的方法精确地测定出遥感影像对应的信噪比参数,可以帮助数据提供者或用户更好地预测和提高遥感影像的信息提取能力。现有的信噪比测定方法大多基于中低空间分辨率遥感影像进行,并不能很好地适用于高空间分辨率遥感影像。针对现有信噪比测定方法的这一局限性,从高空间分辨率遥感影像本身特点出发,通过自适应地划分DN值子区间,以一定百分比最小局部标准差的平均值估算每一DN值子区间对应的噪声大小,进而估算每一DN值子区间对应的信噪比。该方法充分考虑了高分遥感影像内空间细节信息、边缘信息以及纹理信息较强而使得均值区域很难获取的特点。研究表明:改进的方法对于估算高分遥感影像信噪比具有较好的适用性。
提高图像分割算法的精度与速度对遥感影像的解译工作具有重要意义。提出了一种基于区域生长的遥感图像分割算法,包括的两个步骤分别是局部最优合并和全局最优合并。第一步注重提高图像分割的速度,在其具体实现中引入了一个局部最优合并的阈值,以减少错误的合并;第二步侧重提高图像分割的精度,在其实现过程中利用了一种高级数据结构红黑树来提高搜索最优合并区域的速度。最后,利用模拟的遥感影像和Orbview\|3高分辨率影像开展了图像分割实验。利用一种监督的图像分割精度评价方法,定量评价了该方法的性能。实验结果表明:该方法在分割精度和分割速度方面都取得了令人满意的效果。
近海养殖调查在海岸带资源开发利用规划、环境保护与沿岸海上交通规划中处于重要地位。利用遥感技术开展近海养殖调查与分析,是当前的海岸带与湿地遥感的热点方向之一。以福建省宁德市三都澳海区为实验区,在分析近海养殖的渔排和海带/紫菜养殖区光谱特征的基础上,建立用于近海养殖区快速检测的光谱特征指数,在此基础上利用统计均值纹理与阈值检测算法,并结合近海养殖区的几何形状判断,实现了不同类型近海养殖区的高精度自动提取。实验结果表明:该方法能够快速准确地监测不同类型养殖区的分布情况,总体检测精度达到90%以上,可以为管理部门科学地规划管理海岸带养殖区提供有效的信息支持和辅助决策分析。
针对我国海洋二号卫星微波散射计（HaiYang-2 Scatterometer,HY2-SCAT）数据存在的空间分辨率较低、无法满足对于地球冰冻圈、生物圈探测需求的问题,以其数据拓展应用为目标,开展了微波散射计高分辨率后向散射系数（σ0）图像重构技术仿真研究。采用仿真的方法实现并对比了AART(Additive Algebraic Reconstruction Technique)、MART(Multiplicative Algebraic Reconstruction Tehnique)、SIR(Scatterometer Image Reconstruction)3种分辨率增强的图像重构算法,得出了AART 算法没有噪声抑制能力、MART 算法噪声抑制能力较弱、SIR 算法具有较强的噪声抑制能力,能更好地重构图像,达到分辨率增强效果的结论。然后采用HY2\|SCAT 测量L1B 数据对结论进行了验证,重构了岛屿的地貌特征,得到了分辨率增强、细节丰富、边界清晰的重构图像;重构后的图像还可以应用于植被、冰盖和台风观测等地球地理学研究领域。
山地人工林景观的DEM构建是对景观地形信息进行描述的基础的研究内容,也是人工林景观面积、结构和蓄积量等信息提取的重要因子,具有重要的研究意义。通过无人机平台获取影像,采用立体像对拼接的方式生成正射影像并提取DEM信息,并与GPS测量数据、ASTER GDEM和SRTM数据进行比较分析。结果表明:在该区域无人机影像构建的DEM与实测高程差距最小（RMSE=8.96）,具有比ASTER GDEM（RMSE=13.68）和SRTM（RMSE=11.81）更高的精度;在每个样方内的最大高程差值与最大树高最为接近（RMSE=1.813）,说明无人机DEM能够反映出更多的冠层与地面分层信息,在山地人工林景观DEM构建中表现出较大潜力。
胡杨、柽柳是干旱荒漠区生境的指示种,其树冠提取是荒漠生境遥感定量监测的基础。以塔里木河下游胡杨、柽柳为研究对象,基于QuickBird数据,使用光谱单数据源SVM、光谱结合纹理SVM、面向对象分类和最大似然分类法提取树冠。结果表明:①光谱结合纹理SVM比光谱单源SVM分类精度高9.65%,冠幅估测精度高7.18%,表明高分辨影像上纹理是提高分类精度的重要因素;②面向对象分类法精度最高,分类总体精度86.47%,较光谱单源SVM提高15.67%,较光谱结合纹理SVM提高6.02%,较最大似然法提高22.58%,其冠幅估测精度达87.45%。它兼顾面向对象影像分割与支持向量机方法优点,有效利用分割对象光谱、纹理和空间等信息,较好地解决了其他方法“同物异谱、异物同谱”造成提取树冠破碎的问题,使树冠提取具有较好的稳定性和较高精度。
星载微波散射计是目前唯一能够同时测量海面风速和风向的传感器,在海洋科学研究中发挥着重要作用。散射计获取的地物后向散射只有经过地理定位才能得到包含地物位置信息的有效物理量。因此,散射计地理定位是数据预处理的重要组成部分,与遥感数据的质量密切相关。扇形波束旋转扫描散射计具备扇形固定波束散射计和笔形波束旋转扫描散射计的优势,目前还没有实现在轨运行。基于其工作方式的特殊性,详细分析了该散射计的扫描方式,给出了一种适用于该散射计的地理定位方法,得到了最终的定位结果。然后分析了影响定位结果的误差源,讨论了卫星姿态对于定位结果的影响情况,最终利用HY\|2卫星产品评价了该地理定位算法的相对精度指标。
医学影像分割是图像分割中的难点,具有重要的应用价值。针对医学影像的特点和图像分割算法的性能差异,提出了一种水平集医学图像分割改进算法。首先通过曲线演化仿真,得出水平集算法核心-速度函数;其次选定速度函数实现对图像的粗略分割,将灰度值较大的区域设置成灰度值较小的值,通过仿真演化准确找到图像中目标区域;最后利用选定的速度函数通过初始算法,经过一定次数的迭代操作后实现了医学影像的准确分割。实验结果表明:该算法可以精确地找到肿瘤所在区域,具有较好的分割性能和一定的鲁棒性。
针对激光雷达三维点云数据量大,当计算机内存有限时进行点云读取与处理存在严重滞后的问题,提出了一种叠加型金字塔索引结构。首先,采用一种基于点云最小外包络的不均匀分块策略,将点云数据划分成若干独立的数据块；待分块完成后,利用提出的叠加型索引结构对每个分块构建金字塔；最后,将生成的金字塔按照指定的文件结构存储,生成索引文件。利用机载实测点云数据开展了验证实验,结果表明:该算法有效地降低了索引文件占据的计算机空间资源,实现了海量三维点云数据在有限内存空间的快速显示。
为了提高MODIS_L1B含有条带噪声的波段5和波段27的影像质量,基于MODIS的扫描特性提出了一种通过扫描带行均最大值判断条带噪声行的方法。去除影像的噪声行时,在波段5的单行邻域插值法基础上,针对波段27提出了一种相邻多行插值方法。最后,通过对比原始数据和去条带噪声后数据的差值图、行均值图和数值分析来证实条带噪声处理效果。结果表明:该方法可以精确判断这两个波段影像的所有条带噪声行,且对条带噪声去除效果较好,去除条带过程简单且适用于复杂场景的光谱图像。
在线水文或陆面过程模型服务可以为广泛的网络用户提供数据分析、预报预警和决策支持等功能。随着科学数据共享环境发展的日趋成熟,如何便捷地利用丰富的在线数据资源成为在线模型的新挑战。当前的在线模型服务研究对于复杂多样的模型数据和参数需求的标准化不足,且缺少与科学数据中心的紧密协作。建立了一个模型服务器、数据服务器、客户端三方紧密协作的在线模型服务方案。结合一般性工作流程,基于标准化的服务接口来构建在线的水文和陆面过程模型和数据服务,重点介绍了在线服务架构、主要接口及实现的关键技术,包括模型数据和参数的传递和格式转换、数据服务器数据查询的实现和模拟结果的返回。这套方案充分利用了模型服务器的计算优势和科学数据中心的资源,可以被复制和扩展到其他类似应用。
以内蒙古呼伦贝尔草甸草原为研究区域,利用2013年6期地面实测数据,结合HJ\|1A/B CCD高分辨率影像,经过辐射校正与模型建立,对研究区域草原生长季的MODIS/LAI产品进行验证。结果表明:在时间上,MODIS/LAI产品能够较好地反映草原的长势与物候变化。在空间上,由于MODIS/LAI产品输入数据的不确定性,MODIS/LAI产品与地面情况存在一定偏差(ΔLAI=0.59 m2/m2),在呼伦贝尔草甸草原草场整个生长季都存在高估现象,平均相对误差为40%。在生长初期和末期,较大的地表异质性使MODIS/LAI产品高估现象较严重;生长中期高估现象减小,相对误差在30%以内。研究结果对了解该地区的MODIS/LAI产品精度与使用该地区MODIS/LAI产品具有重要指导意义。
Chang算法及改进算法是被动微波遥感雪深反演算法中较简单的经验算法。为了评价改进的Chang算法在东北地区的适用性,对改进的Chang算法进行分析与验证。从空间上,选取了84个野外数据采样点和48个气象站点对改进的Chang算法进行分析与验证。结果表明:森林下垫面改进的Chang算法会低估雪深3.6 cm,而农田下垫面改进的Chang算法会高估雪深1.5 cm。从时间序列上,选取五营、呼中、庆安和巴彦4个气象站点2012年11月15日~2013年2月28日的时间序列雪深数据,对改进的Chang算法进行分析与验证。结果表明:森林下垫面改进的Chang算法会低估雪深,五营站点低估雪深13.7 cm,呼中站点低估雪深8.3 cm,农田下垫面改进的Chang算法会高估雪深,庆安站点高估雪深3.4 cm,巴彦站点高估雪深0.8 cm。无论从空间上还是时间序列上,验证结果都表明,农田下垫面时改进的Chang算法的精度比森林下垫面时要高。此外,站点雪深不变而改进的Chang算法反演的雪深却在增大,这可能是由于期间雪粒径不断增大的缘故。
观测试验是遥感产品真实性检验的基础,通过观测试验获取的像元尺度参量真值,能确定遥感产品质量,增强其在应用领域的价值。在遥感产品真实性检验理论和方法基础上,探索构建遥感产品真实性检验试验观测靶场构建的框架,针对不同分辨率遥感产品,提出建立特征均匀靶场和非特征均匀靶场的构思;并以中国科学院怀来遥感综合试验站为例,分析了构建两种靶场的可行性,概述了目前靶场构建的进展,分析了改进的方向。以此为后期遥感产品真实性检验的观测试验提供一种思路。
海洋对全球气候、气象、环境和经济发挥着重要作用,因此,有必要对其进行监测、研究及预测发生在海洋内部和海洋表面的运动过程。海面风场信息、海面波浪谱信息能够体现并反演海洋气象、海洋动力学特性、海洋资源、海洋污染情况、海洋经济性和海岸环境。波谱仪(SWIM,Surface Wind Investigation and Monitoring)和微波散射计(SCAT,Scatterometer )可以用于获取海面波浪谱信息和海面风场信息。首先对这两套载荷系统进行了介绍,并简要对基于这类主动微波遥感载荷配置的卫星设计进行了任务分析,最后给出了基于波谱仪、微波散射计联合使用在小卫星平台应用背景下卫星系统级设计的几个主要方面进行了研究和分析。
基于背景多层次分离的遥感矿化蚀变信息提取模型,以地物的波谱特征和遥感技术的物理机制为基础,以“矿化蚀变岩波谱特征分析—视反射率图像计算—“背景”多层次分离—蚀变信息增强—蚀变信息提取”为技术流程,能快速、准确地提取矿化蚀变信息。以新疆焉耆县哈都虎拉山一带为研究区,以最新的Landsat8\|OLI多光谱数据为数据源,将该模型用于提取研究区的黄钾铁矾蚀变岩石信息,共提取出80余处黄钾铁矾蚀变岩石出露点,其中有两处黄钾铁矾蚀变岩石集中分布区,为研究区的找矿工作提供了重要线索。
基于MODIS数据分析了2000~2010年祁连山区植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)的空间变化特征。结果显示:祁连山区植被NPP并不高,多年平均植被NPP仅为121.95 gC/(m2· a),自东向西植被NPP逐渐减少。不同植被类型其NPP具有明显差异,大体上为:常绿阔叶林>平原草地>常绿针叶林>典型草地>农田>高寒草甸草地>荒漠草地>落叶针叶林。祁连山区植被NPP变化在区域间也存在差异。植被NPP呈增长趋势的地区主要分布在青海年南山、拉脊山、达坂山和青海湖及其西侧,约占47.30%;乌鞘岭东部及以东的地区(约占1.97%)植被NPP呈减少趋势。降水是祁连山区植被NPP变化的主要因素,气温对植被NPP的影响并不明显,不合理的人类活动可能是造成部分区域植被NPP减少的重要原因。
卫星遥感是监测大雾的重要手段,利用静止气象卫星监测海上大雾,可以得到时间分辨率比极轨卫星更高、空间覆盖比地面观测更连续的大雾产品。采用分级判识太阳高度角阈值和归一化大雾指数(NDFI)的方法,反演了2008年至今浙江海雾的逐时分布,并将静止卫星(MTSAT)遥感大雾监测结果与近5年地面大雾观测和2013年春季能见度自动观测记录作对比,结果显示遥感反演的总体精度分别为68.4%和69.6%,且空间分布上与地面观测相吻合。表明该方法可突出雾与其他地物的差异,且判识方法简单,实用性强,准确率较高;实时监测浙江海上大雾是可行的,具有良好的业务应用前景。不同时段正确率的验证结果显示,该方法更适用于海雾频发的冬春季以及白天的监测。
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