土壤肥力状况信息可以为精准农田管理提供响应依据,对近年来遥感技术在农田土壤养分监测方面的研究进行了归纳与分析,总结为直接监测方法和间接监测方法。直接监测方法主要利用土壤光谱特征监测土壤养分含量,而间接监测方法则通过不同土壤养分水平下的作物表现特征来估算土壤养分状况。在全面比较两种方法各自优缺点的基础上,指出两种方法各有优势并可互为补充,通过结合可以有效提高监测的精度与全面性,并对土壤养分遥感监测的发展进行了展望。
水文模型已成为水文研究中不可或缺的重要部分。水文模型在经过黑箱模型阶段和集总式模型阶段后,现已发展到分布式水文模型阶段。相比于传统的站点观测,遥感技术由于能够获取面源信息、资料相对易获取并有稳定的较长时序观测等优势在水文模型中获得越来越广泛的应用。同时,近年来遥感数据产品在观测能力、可靠性和准确性、多源融合技术、卫星组网技术等方面取得了长足进展。遥感数据在水文模型中的应用主要有获取驱动数据,获取参数和边界条件,获取状态变量等3种方式。近些年来由于数据同化技术的发展,通过同化遥感观测数据改善水文模型模拟结果已成为遥感数据在水文应用中的一大研究热点。当前,遥感观测仍存在不确定性较高、时空尺度问题、瞬时观测、难以获取深层土壤信息等问题需要克服,如何在水文模型中充分利用不同来源、不同尺度的观测数据将是未来水文学研究的一个重要方向。
森林覆盖区积雪的提取精度很低,由于植被冠层的遮挡,冠层下的积雪很难被提取出来。基于Landsat 8 OLI数据,针对玛纳斯河流域下游有大面积森林覆盖的特点,通过传统的积雪指数法,结合NDVI数据的积雪指数法和面向对象图像特征法分别提取积雪面积。结果表明:①传统的NDSI和S3积雪指数法无法较好地提取出森林覆盖下的积雪,提取精度分别为85.23%和87.54%。这两种方法适用于空间尺度较大\,植被覆盖面积较大的区域,并不适合所选研究区;②结合NDVI数据后的NDSI、S3积雪指数模型能大大提高森林覆盖下的积雪面积,提取精度分别达到91.47%和90.60%。在影像空间分辨率较高,流域尺度较小,林区覆盖较多的情况下可采用此方法提取积雪;③随着海拔的升高,地形阴影影响逐渐增大,NDVI辅助积雪指数方法提取林区覆盖下积雪面积逐渐减小。因此采用光谱、纹理和空间信息结合的面向对象图像特征方法提取积雪,能够较好地识别出受地形影响下的雪像元,精度达到89.75%,可以满足实际应用的需求。
积雪反照率是研究局地或全球的能量收支平衡和气候变化中的重要参数,遥感反演为积雪反照率的获取提供了便利的手段。积雪反照率大小主要取决于积雪的自身物理属性（雪粒径、形状和污染物等因子）以及天气状况,遥感反演反照率大多基于双向反射模型（BRDF）,积雪BRDF模型常使用积雪辐射传输模型获得。采用考虑了雪粒径、粒子形状以及污染物影响的渐进辐射传输理论(ART)模型,建立了MODIS积雪反照率反演算法,得到了MODIS 8 d合成积雪反照率产品。将此算法应用于具有均一积雪地表的格陵兰岛地区,并使用GC-Net实测数据进行了验证,反演的总均方根误差(RMSE)为0.018,相关系数(r)为0.83,结果表明考虑了积雪特性的ART模型能够较好地反演积雪反照率,而且反演需要的参数较少。
积雪具有很高的反照率,能反射回绝大部分的太阳短波辐射;同时,积雪是热的不良导体,其热阻隔性会抑制地表的长波辐射。因此,积雪的积累和消融会强烈地改变大气层顶的辐射平衡,进而对气候产生反馈。采用ERA-Interim再分析资料和MODIS去云积雪产品,通过改进的偏辐射扰动思想,对青藏高原地区2001~2010年积雪影响下大气层顶的辐射能量收支状况进行模拟,计算对应的积雪辐射强迫,并在此基础上估算积雪反馈。结果表明:研究区99.5%以上地区的大气层顶辐射平衡为负,即积雪对气候存在正的辐射强迫,年平均辐射强迫为3.97 W·m-2。时空分布特征表明,积雪辐射强迫的年际差异不大,但空间差异很大,其空间分布与积雪覆盖率有很强的正相关关系,在绝大多数情况下,短波反照率辐射强迫对积雪辐射强迫起着决定性作用,且青藏高原的积雪反馈强度约为9.35 W·m-2·℃-1。
利用卫星遥感监测积雪分布相比地面观测具有明显优势,目前基于FY-3卫星数据在积雪监测方面的研究较少。借鉴现有积雪卫星遥感监测算法,研究出适用于FY-3/VIRR资料的积雪判识方法,利用归一化积雪指数和多波段综合阈值实现积雪判识,提取积雪信息生成区域二值化积雪分布图。通过实例分析验证算法有效可行,并与MODIS积雪产品MOD10及其L1B数据NDSI判识结果进行对比,说明算法判识结果良好。研究表明,FY-3卫星数据可作为积雪遥测的可靠资料来源,可延用于积雪监测与灾害预警业务系统中,促进国产卫星数据的应用与推广。
像元尺度上积雪面积比例与雪水当量的关系是将积雪遥感面积数据引入水文模型的有效手段。以冰沟流域为例,利用合成孔径雷达ENVISAT-ASAR数据反演得到积雪面积、雪水当量信息,分析了500 m像元尺度上积雪面积比例与雪水当量的关系。结果表明:①在积雪面积比例未达到全覆盖饱和状态,雪水当量和积雪面积比例呈正相关关系,积雪面积比例控制着雪水当量的最大值,但由于受到地形的影响,关系不显著;②当考虑地形因子影响,即将坡度、坡向、海拔、积雪面积比例与雪水当量进行多元线性回归,回归系数的显著性水平均小于0.05,相关系数(r)达到0.841。因此,在高分辨率地形因子已知的情况下,结合遥感积雪数据,可建立良好的积雪面积比例和雪水当量之间的关系,有利于高分辨率积雪面积比例数据在寒区分布式水文模型中的应用。
地物光谱特征分析是对地物进行分类和匹配的基础,目前高光谱遥感技术应用在精细物种识别中主要采用波谱分析的方法。重点探索非线性空间里的相似性测度方法,由于光谱曲线表征复杂光谱成像的非线性过程,论文从空间目标的整体形状描述非空集合之间的差异,采用Fr′echet距离、Hausdorff 距离、Euclidian距离分别定义光谱特征曲线的距离,设计算法测量光谱向量之间的非线性相似程度。结果表明,采用Fr′echet距离、Hausdorff 距离、Euclidian距离度量光谱相似度的精度依次减弱,但依据Fr′echet距离的算法时间复杂度略高。基于Fréchet距离的方法充分考虑了曲线上点的位置信息及整体曲线的走势问题,其在精度、抗噪能力等方面均有提升,从而为分析光谱特征提供了可能的新途径。
物候是指示气候变化的关键因子,遥感技术的快速发展为物候监测提供了新的途径。遥感叶面积指数(LAI)产品包含了主要的物候信息,并广泛应用于植被物候的监测。了解不同数据产品在提取植被物候信息上的差异是评价遥感产品对物候期监测适用性的重要方面。以东北三省为研究区域,使用非对称性高斯函数拟合法进行数据平滑,利用动态阈值法提取MODIS、CYCLOPES和GLASS叶面积指数(LAI)产品的生长季开始时间(SGS)\,生长季结束时间(EGS)和生长季长度(LGS)。研究表明:MODIS和GLASS产品提取的SGS、EGS和LGS比较接近,整体上一致性较好;CYCLOPES产品提取的SGS多数情况下晚于MODIS和GLASS产品而EGS早于MODIS和GLASS产品。通过可利用的实地物候观测数据验证表明:MODIS和GLASS产品提取林地的SGS与物候观测值比较接近,EGS略晚于物候观测值,CYCLOPES产品提取的林地的SGS和EGS更加可靠。
大气平均作用温度Ta是地表温度遥感单窗算法中一个关键的参数,利用2008~2011年全国123个探空站点资料,针对大气水汽量的垂直分布特征,分析了利用近地层气温T0估算大气有效平均温度的可行性;进一步分析了T0和Ta之间的相关性,建立了适合我国地区大气平均温度估算的最佳模型Ta=44.97098+0.80512 T0,模型的决定系数R2为0.859,均方根误差为4.198 K。通过对44幅HJ\|1B/IRS热红外图像地温反演的敏感性分析,结果表明:模型估算的Ta用于地表温度反演时的误差为1.734 K;当大气透射率τ很小时,模型估算的Ta误差对地温反演很敏感,较小的估算误差会给地温反演带来很大的误差;随着大气透射率τ的增加,Ta的估算误差对地温反演的敏感性逐渐降低。
结合主动微波遥感和被动光学遥感反映地表植被的各自优势,发展了一种主被动遥感协同估算干旱区草原植被生物量的模型。该模型将植被覆盖度作为水云模型的附加参数,将总体散射分为植被覆盖区散射和裸土区散射两部分,将水云模型应用到了植被覆盖稀疏区域。利用改进的水云模型和双极化ASAR数据,通过建立方程组估算植被生物量。将该方法用于乌图美仁草原植被生物量的估算,验证了该方法的有效性。结果表明:该主被动遥感协同估算模型能够成功地估算干旱区草原植被生物量,并且取得了较好的估算精度(R2=0.8562,RMSE=0.1813 kg/m2)。最后,分析了该方法估算植被生物量的误差来源。
植物吸收性光合有效辐射分量(FPAR)是描述植被结构以及与之相关的物质与能量交换过程的基本生理变量。选取内蒙古呼伦贝尔谢尔塔拉镇针茅和羊草草甸草原为研究对象,利用2013年5次地面实测实验,通过HJ\|I CCD高分辨率卫星影像建立统计模型,从而实现对该研究区MODIS/FPAR产品的验证与分析。1 km HJ/FPAR“真值”与MODIS/FPAR产品值的变化趋势基本一致,并且二者具有较好的一致性,R2达到了0.6762。MODIS/FPAR产品能够很好地反映呼伦贝尔草甸草原在整个生长季的长势及物候变化,这是因为研究区样地尺度上HJ/FPAR和MODIS/FPAR产品值不但变化趋势相一致,而且相关系数R2高达0.9148。无论在同尺度(1 km)还是整个研究区尺度,MODIS/FPAR均有一定的高估现象。研究结果对了解和进一步使用该地区的MODIS/FPAR产品具有重要的指导意义。
针对国内缺少系统性生物多样性遥感评价技术方法与案例的现状,结合国家重点生态功能区县域生物多样性评价工作要求,基于遥感技术优势与特点,建立了县域尺度生物多样性遥感监测与评价方法,并开展实例应用,动态监测了研究区生物多样性时空变化情况。监测结果显示:研究区生物多样性在2000~2010年以降低区域为主,其面积占研究区总面积的77.24%,而提高区域只占22.58%。通过实例分析表明:所建立的方法能够监测县域尺度的生物多样性现状及其时空变化情况,能在“面”尺度上获取生物多样性空间信息,相对于生态调查的传统方法,具有时效性强、操作简便、效率高等优势,可以应用于县域尺度生物多样性监测与评价。
以疏勒河流域为研究区,探讨了干旱区湿地的遥感影像自动提取方法。以Landsat 8卫星影像数据为主要数据源并辅以数字高程模型(DEM),利用改进的干旱区湿地指数(MAZWI)、归一化植被指数(NDVI)、地表反照率(Albedo)、灰度共生矩阵(GLCM)的非相似性分量等识别指数构建决策树模型,对研究区湿地进行提取,并将结果与最大似然分类结果进行对比。结果表明:该方法在一定程度上提高了湿地提取的精度,与最大似然分类结果相比总体精度和Kappa系数分别提高了6.52%和0.124。证明决策树法是干旱区水域湿地自动提取的一种有效手段。
快速城市化改变了下垫面物理性质和地气相互作用,影响了气候及环境变化,如何通过合理的时空尺度对我国城市过程进行监测与认知是我国城市化发展战略的迫切需求。以京津冀城市群为研究区,利用改进的夜晚灯光指数(VANUI)对京津冀城市群2001~2012年的城市化发展过程进行了监测,对比了VANUI指数与传统夜间灯光指数对城市区域的监测能力差异及其优势所在,为京津冀地区未来城市化发展战略规划服务。结果表明,VANUI城市指数能很好地弥补夜晚灯光指数在城市区域饱和的缺陷,并能够较好地反映城市区域的空间格局及相应的细节信息。根据VANUI结果,2001~2012年间京津冀城市群扩张了约一倍,其中城市扩张速度最快的为河北省唐山市。从整个研究区域来看,在此10年间,VANUI以接近线性的发展趋势增加,从统计结果来看,2004~2007年及2009~2012年为研究区域VANUI普遍增长的时期。
应用阈值法对遥感图像上的水体目标进行提取时,水陆分割阈值的确定是其难点。以MODIS地表反射率数据为数据源,首先统计大量MODIS地表反射率影像第6波段的水陆分割阈值的范围作为先验阈值范围；然后将历史存档的研究区水体边界矢量叠加到图像上,并且将矢量边界向外扩大一倍,使得扩大后的范围内的水体和陆地面积相当；最后统计扩大后区域的第6波段的灰度直方图,并寻找先验阈值范围内的最小值作为最佳的水陆分割阈值进行水体提取。克服了统计直方图双峰谷值作为分割阈值的传统方法容易受到地物复杂性及噪声影响的难题,使得水陆分割阈值的确定变得更加简单、高效,实现了针对遥感影像上水体目标的自动提取,大大提高了水体提取的效率。
条带噪声的存在不但妨碍高光谱图像的目视判读,而且制约高光谱遥感的定量应用。针对小波变换法条带噪声去除过程中遇到的条带噪声和图像有用信息难以有效分离的问题,根据小波变换的方向性和数学显微镜特性,提出了一种新的基于小波变换的条带噪声去除方法。这种方法首先对含有条带噪声的图像进行一定层数的小波分解;然后对每一层分解得到的与条带噪声分布方向相同的子图像再进行一定层数的小波分解,从而实现条带噪声和图像有用信息的有效分离,将含有条带噪声的子图像置零;最后利用小波反变换得到去除条带噪声的图像。以欧洲空间局PROBA卫星上搭载的CHRIS高光谱数据为例,采用相关系数(R)、结构相似度(SSIM)和峰值信噪比(PSNR)3个定量指标,对比分析了新方法与矩匹配法、傅立叶滤波法和小波阈值法的条带噪声去除效果。结果表明新方法去噪后的图像具有最高的R、SSIM和PSNR,新方法能够有效地去除高光谱图像中的条带噪声,同时较好地保留了原始图像的有用信息。
由于受到16 d重访周期与云等对数据质量的影响,具有时间与空间连续性的Landsat 8 OLI观测数据难以直接获取。考虑地物分布的空间自相关性,提出一种基于STARFM模型改进的局部自相关时空数据融合模型(LASTARFM),以新疆维吾尔族自治区喀什地区叶城县为研究区,利用Landsat 8 OLI数据和MODIS数据的红光波段和近红外波段进行融合方法测试。结果表明:利用LASTARFM模型得到的融合影像,与真实影像NDVI相关系数达到0.92;在局部空间自相关性低的区域比STARFM模型影像反映出更多地物细节,具有更高的融合精度;在土地利用类型发生显著变化的区域与真实影像具有一定差异。
针对数据同化过程中模型的非线性问题,通过分析对比得出了一种适合强非线性系统的迭代集合Kalman滤波(IEnKF)。在Lorenz\|63模型的框架内,比较分析集合Kalman滤波(EnKF)、迭代集合Kalman滤波(IEnKF)和迭代扩展卡Kalman滤波(IEKF)在集合数、观测误差方差、放大因子和模型步长不同时同化性能差异,由此探讨这3种方法的优劣。研究结果表明:随着集合数的增加,3种算法的同化性能都得到了一定的改善;放大因子的增大,使其同化性能变差且EnKF呈现出多重波峰波谷的现象;3种方法的均方误差(RMSE）随观测误差方差和模型步长的增大而增大,其同化精度都变差;而IEnKF同化性能最优,更具有鲁棒性。
电力线三维模型是输电线路安全和增容分析的基础,机载/直升机激光雷达技术已经成为电力三维模型重建的重要技术手段,但少有研究涉及分裂导线的高精度建模。通过分析分裂导线点云数据的特点,提出一种基于点云分段、聚类分析和曲线拟合的分裂导线精细三维重建方法。最后利用获取的四分裂导线点云数据,考虑实际作业中可能遇到的点云缺失、密度偏低等情况,对算法进行了测试和分析。结果表明:该算法能够自适应地识别点云中分裂导线的数目,分离不同分裂导线的点云,建模结果可以满足输电线路安全分析的要求。
对当前国际经典和前沿的6种代表性的端元提取算法进行比较研究,包括SPP\|N\|FINDR、VCA、SPICE、PCOMMEND、MVSA和MVC\|NMF,通过理论和实验两种方式对这些算法进行综合性对比和分析,总结其优势和存在的问题。通过模拟和真实数据实验得出:SPP-N-FINDR算法的抗噪声能力不如其他5种算法；VCA和MVSA的稳定性较好；MVC-NMF和SPICE无需知道端元数目,且能直接得出丰度矩阵,自动化程度较高；PCOMMEND在真实高光谱图像中提取端元的结果最好,能直接得出丰度矩阵,但若端元数量为素数时精度会下降。研究成果将为今后围绕这些算法的相关研究提供必要的理论支持和参考。
元胞自动机模型(CA)常用于图像亚像元定位,它将混合像元剖分为亚像元,再利用端元组分的丰度及像元空间分布的特点,将亚像元赋予不同端元组分得到各端元组分的空间分布情况。但其存在迭代次数过多、进化过程“不充分”以及结束迭代的条件不明确等缺点。针对上述问题,对亚像元定位CA算法进行了3方面的改进。结果表明:最终的亚像元定位结果调整后Kappa系数虽然平均只提高了4.1%与3.7%,但迭代次数大幅减少,均在5次以内得到最优结果;运行时间大幅下降,仅占原方法的25.8%,使得CA的运行效率得到了显著提高。此外明确了CA的终止条件,使得面向亚像元定位的CA算法更具实际应用价值。
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