为了更充分地了解CO2地面源和汇的分布特征,利用中国区域地面观测数据和AIRS反演的2003年1月~2012年12月CO2三级产品分析了中国地区对流层CO2浓度在不同季节的时空分布及多年变化特征。结果表明:①AIRS反演的CO2产品与地面观测数据具有较好的一致性,相关系数0.85以上,月平均值偏差在3 ppmv以内。CO2随时间均呈增长趋势,两者呈现一致的季节波动性,卫星反演结果略有滞后。GOSAT反演CO2比AIRS偏低,两者的相关性较低;②CO2浓度呈现北高西南低的分布规律,多年月平均增长率为0.177。北方地区的CO2增长率大于南方,东部的CO2增长率大于西部;③CO2浓度整体在春季呈现增长趋势,秋季呈现减小趋势。春季CO2浓度较高主要出现在东北地区、内蒙古和新疆,多年平均浓度达到389 ppmv以上,相应地这些地区在春季和夏季CO2浓度年增加量达到2 ppmv以上。秋季CO2浓度在内蒙古和西南地区减小趋势明显。
为提高土壤水分数据同化结果的精度,将基于双集合卡尔曼滤波（Dual Ensemble Kalman Filter,DEnKF）的状态-参数估计方案与简单生物圈模型(simple biosphere model 2,SiB2)相结合,同时更新土壤水分和优化模型参数（土壤属性参数）。选用2008年6月1日~10月29日黑河上游阿柔冻融观测站为参考站,开展了同化表层土壤水分观测数据的实验。研究结果表明:DEnKF可同时优化土壤属性参数和改进土壤水分估计,该方法对表层土壤水分估计的精度0.04高于EnKF算法的精度0.05。当观测数据稀少时,DEnKF算法仍然可以得到较高精度的土壤水分估计,3层土壤水分的估计精度在0.02~0.05之间。
尽管DEnKF同化不会引入观测采样误差,但小集合仍会造成背景误差协方差矩阵存在伪相关,出现滤波发散。为了减少小集合对数据同化结果的影响,结合Lorenz96模型和DEnKF同化方案分析了协方差局地化和协方差膨胀方法对背景误差协方差矩阵、增益矩阵及同化结果的影响。实验表明:协方差局地化方法能消除背景误差协方差矩阵和增益矩阵中的伪相关,增大背景误差协方差矩阵的秩,有助于滤波算法收敛到真实解;而协方差膨胀方法不能消除背景误差协方差矩阵和增益矩阵中的伪相关,只能改善在每个同化周期内背景误差协方差系统性被低估的现象;同化过程中采用合适的局地化半径和方差膨胀因子能够较好地改善同化结果的精度。
经验模分解是具有自适应性特点的尺度变换方法。高光谱图像数据近乎连续的光谱是开展信息提取的重要信息来源,然而尺度变换会使光谱发生变化。因此,分析EMD尺度变换后高光谱图像数据的光谱保真性具有重要意义。应用CHRIS高光谱图像数据,使用光谱相关系数、光谱偏差、光谱相对偏差和光谱角等评价指标,开展EMD升尺度图像及其典型地物的光谱保真性实验,并将EMD与Mallat小波变换光谱保真性比较。实验结果得出:①1~10级EMD尺度变换后图像整体光谱保真性都较好,相关系数均在0.979以上,偏差小于55,相对偏差小于0.036,光谱角在0.041以内;②图像光谱保真性随EMD尺度变换次数增加而略有降低,且前4级变换光谱失真相对明显,后续降幅微弱;③1~10级尺度变换后7种湿地典型地物的光谱保真性都较好,其中芦苇和河流的光谱保真程度较突出,养殖水面的相对不理想;④EMD与小波变换光谱保真性比较,随着变换次数的增加EMD表现出相对稳定且较小的光谱失真。
针对建筑物在城市化发展规划、地理国情信息系统更新、数字化城市以及军事侦察等方面的迫切要求,提出将半监督鉴别分析(Semi\|supervised Discriminant Analysis,SDA)算法应用于高分辨率SAR影像的建筑区提取中,实现快速提取建筑区信息以及提高城市地物目标识别能力。以Radarsat\|2影像和TerraSAR\|X影像为实验数据,基于灰度共生矩阵计算影像的各种纹理特征;结合SDA算法进行特征提取,并以新特征作为大津法(Otsu)的输入提取建筑区;最后对分类结果进行后处理。实验结果与线性鉴别分析(Linear Discriminant Analysis,LDA)算法和局部保持投影(Local Preserving Projection,LPP)算法进行比较,结果表明:SDA算法具有较强的泛化能力,在先验类别信息较少时,适用于高分辨率SAR影像的特征提取,可以快速有效地提取建筑区信息。
网格计算作为分布式计算在科学计算领域的发展方向,可以为对地观测数据的处理提供强大的计算力。在分析遥感信息服务网格节点(Remote Sensing Information Service Grid Nodes,RSSN)中网络数据传输和负载均衡两个关键问题的基础上,提出了一种有效的基于游程编码和Huffman编码的数据压缩方法和基于“计算端元”的任务分配策略,该方法针对遥感影像特点进行有效数据压缩,具有较好的压缩比,达到了17%,且能实现任务负载均衡。并在遥感信息服务网格节点计算平台上,以中国范围内1 km分辨率气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)反演计算为例,从压缩率和计算时间效率方面验证和分析了上述方法的有效性。
与脉冲体制相比,线性调频连续波合成孔径雷达在小型化方向具有明显的优越性。针对在无人机等运动平台对雷达小型化的实际需求,设计并实现了一种小型化、低成本的调频连续波 SAR系统。分析了调频连续波体制雷达高分辨率成像的基本原理,详细阐述了该雷达系统的设计思想和关键技术。最后给出了雷达系统校飞实验的成像结果,验证了系统的有效性。
宽空间覆盖、高观测频率传感器往往具有较大的观测视场,大观测视场带来的问题是不同位置和不同时间的太阳—观测几何不同。因此,在半经验的核驱动BRDF模型基础上,提出一种新的模型用于遥感数据太阳—观测几何归一化,利用植被指数组成的二次多项式作为基于核驱动的半经验BRDF模型中体散射部分和几何光学散射部分的核系数,并使用目标在不同时间的多角度观测数据反推用于太阳—观测几何转换的模型系数。分别利用红色和近红外波段的模拟数据和真实观测数据对模型进行验证,结果表明新提出模型的模拟值与真实观测值具有较好的一致性,能够应用于遥感图像的太阳—观测几何转换。
针对全极化SAR影像的建筑区特性,提出了一种基于极化特征共生矩阵的城区建筑密度分析方法。首先将极化特征与共生矩阵结合,在考虑建筑区极化散射机理和建筑朝向作用的同时,兼顾了建筑区的空间排列信息,在此基础上为了增强建筑密度的局部区域特性,将共生矩阵特征进行 K\|means 聚类,结合图像分块形成标号直方图统计矢量,进而对该直方图统计矢量进行矢量量化实现 SAR 影像城区的建筑密度分级。RadarSat\|2全极化 SAR 影像城区建筑密度分析的实验表明,该方法既适用于建筑朝向复杂城区也适用于建筑排列整齐城区的密度信息提取。
由于传统蚁群算法搜索空间大,算法时间复杂度高等,导致基于传统蚁群算法的高光谱数据波段选择算法(ACA-BS)耗时长,算法效率低下,且易陷入局部最优。而多态蚁群算法能大大缩小算法的搜索空间,降低算法时间复杂度。因此,研究设计了基于多态蚁群算法的高光谱数据波段选择算法(PACA-BS)。从算法运行时间、波段子集的类别可分性及信息量、总体分类精度等方面对算法进行对比分析。用于实验的数据为Hyperion和AVIRIS高光谱影像。实验结果表明:PACA-BS的运行时间较ACA-BS大大减少;对Hyperion影像进行降维时,基于PACA-BS的运行时间约为ACA-BS的一半。两种算法获得的波段子集的类别可分性大小较为接近,但PACA-BS获得的波段子集的信息量和总体分类精度优于ACA-BS。研究表明PACA-BS是一种效率较高的高光谱波段选择算法。
介绍了高分一号卫星影像在测绘生产中的管理与Web应用,探索使用PostGIS数据库进行海量遥感影像管理应用的方法。在数据生产中,利用影像元数据信息进行影像管理,结合测绘生产任务实现影像存储、检索、浏览以及影像产品的管理。结合辅助数据,进行生产进度管理、产品质量管理。在网络服务中,利用PostGIS数据库和瓦片地图数据库相结合的方式,实现卫星影像的网络共享服务,拓展了测绘产品的服务模式。
探索利用我国HJ-1卫星CCD数据,运用深蓝算法开展长江三角洲地区气溶胶光学厚度反演的可行性,并将结果与其他气溶胶光学厚度产品进行比较。针对HJ-1A和HJ-1B数据,反演结果分别与MODIS气溶胶光学厚度产品以及AERONET地基观测数据进行对比验证。结果表明:深蓝算法得到A星、B星的反演结果与MODIS气溶胶产品呈显著相关,但在数值上普遍高于MODIS产品;反演结果与AERONET站点数据之间的误差介于0.008~0.364之间,研究时段内站点数据缺乏,未对误差进行严格的统计分析。基于深蓝算法的HJ\|1卫星数据反演结果虽然在数值上与MODIS气溶胶光学厚度产品存在系统性偏差,但在空间上能够较好地反映长江三角洲地区大气气溶胶分布状况,且具有空间分辨率高的优势。
利用Aqua卫星上AIRS传感器的近地表和500 hPa气压层高度的CO数据,研究了中国东北地区2012年CO时空分布特征及其变化趋势,并结合MODIS火点资料以及NCEP/NCAR的风场资料,分析了当地的生物质燃烧以及周边国家和地区CO远距离输送对研究区CO浓度的影响。研究结果表明:近地表CO浓度高值出现在冬季和春季,低值出现在夏季和秋季,2011~2013年连续3 a的CO浓度与火点数的相关关系均在0.52左右,显著相关。此外,CO的分布还与当地的供暖时间、人口密度和工业分布有关:CO的高值时间与中国东北地区冬季供暖时间基本一致,人口和工业集中地区的CO浓度偏高,人口稀少的内蒙古草原CO浓度值偏低；根据NECP/NCAR的风场资料,中国东北地区500 hPa气压层高度全年受来自西伯利亚和蒙古国的西北风影响,东北地区,尤其是内蒙古自治区\,西伯利亚和蒙古国常年有大量火点,在500 hPa气压层高度的CO浓度受西伯利亚和蒙古国的影响。生物质燃烧能够反映农作物收获时间,CO浓度的时空变化规律也能在一定程度上反映我国农作物的时空分布特征,具有重要的研究意义。
稀土矿的无序开采既造成了稀土资源的浪费,也导致了矿区及其周边生态环境的恶化。以江西省赣州市为例,建立了一套适用于稀土矿开采导致的植被净初级生产力(NPP)损失遥感评估方法,该方法充分利用了高、中、低3种分辨率遥感数据的优势,涵盖了基准参考区选择、植被受损范围界定、低分辨率植被NPP数据降尺度等关键技术环节。将该方法应用于研究区2013年的植被NPP损失评估,结果表明:① 截止2013年,赣州市稀土开采造成的植被直接破坏面积为31.74 km2,间接受损面积为44.48 km2。随着距矿区的距离增大,植被间接受损面积呈指数下降(R2= 0.96,P<0.01);② 2013年,赣州市稀土开采导致的植被NPP总损失量为3.87×1010gC,其中直接损失占总损失的77.81%,间接损失占总损失的22.89%,说明在稀土矿开采导致的生态破坏评估中,间接受损量不容忽视。文章构建的植被NPP损失评估方法可为其他类似矿区的生态破坏评估提供解决思路,研究结果可为稀土矿区生态评估、稀土定价以及矿区的生态环境管理提供依据。
基于GOME-2 level 1B数据利用最优估计反演算法获得了GOME-2臭氧廓线产品,分析了GOME-2对流层臭氧反演产品的误差和信息量等特征,并对比验证了紫外光谱仪GOME-2与热红外光谱仪TES 反演的对流层臭氧柱总量及其敏感性。结果表明:GOME-2对流层臭氧柱总量反演随机误差在10%以内;GOME-2相对TES的对流层臭氧柱总量偏小5%~20%;晴空下GOME-2对流层臭氧反演的敏感性随高度增加而上升,接近TES的敏感性垂直分布;在有云条件下,GOME-2和TES的云下部分信号都被屏蔽,在云顶之上GOME-2臭氧反演敏感性明显高于热红外仪器TES。
遥感数据提供了估算区域蒸散的重要数据源,基于VFC/LST参数空间构建了改进的遥感蒸散模型（EML）。在EML中,每个像元构建其专属的理论参数空间,并基于水分亏缺指数(WDI)实现目标像元的蒸散估算。使用SMACEX实验观测数据对模型进行评估,区域尺度的模型评估使用来自于Landsat 7 ETM+的遥感参数。评估结果表明EML可以实现可靠的区域通量估算。潜热通量估算的平均绝对误差(MAD)和均方根误差(RMSD)分别为62.20和74.17 W/m2,感热通量估算的MAD和RMSD分别为43.37和49.02 W/m2。使用传统的梯形参数空间模型(TIM)与EML进行对比,结果表明EML模型克服了TIM模型的主观性和不确定性。研究结果表明:EML模型能够实现可靠的蒸散估算,且优于传统的梯形参数空间模型TIM,并适用于非均匀下垫面的蒸散估算。
NASA系列算法(Chang,NASA96 和Foster算法)是被动微波遥感反演雪深、雪水当量的简单、实用的经验算法,并经过了很多学者大范围的算法验证和改进。为了进一步评价NASA系列算法在东北地区的时空适用性,于长春净月潭区域选定了一个以农田和森林为主的10 km×10 km 被动微波遥感混合像元,在时间上连续观测整个干雪期(2014年12月至次年2月)的积雪参数和气象数据,结合FY3B卫星搭载的微波成像仪(MWRI)亮温数据,对NASA系列算法精度进行了评价分析。结果表明:对于雪深的反演,Chang算法和NASA 96算法前期反演效果较好,后期随着时间的推进高估雪深的趋势愈加明显。由于考虑了森林覆盖率的影响,NASA 96算法的反演精度更高。两种算法最大高估值分别是24.46和14.62 cm,这是因为期间雪性质不断变化,尤其是雪粒径不断增大的缘故。Foster算法也严重高估了雪水当量,可能是由于积雪类型的分类系统未必适合于东北地区的积雪特征。本文的积雪连续观测数据为认识东北地区的积雪特性奠定了基础,对算法的时间序列验证与分析为雪参数反演算法的进一步改进提供了可靠依据。
基于SPOT-VGT数据,由短波红外、红和蓝波段反射率计算了表征地表土壤湿度的可见光—短波红外干旱指数(VSDI),通过对1 km空间分辨率的VSDI影像进行空间升尺度处理,采用多种函数建立了25 km空间分辨率AMSR\|E土壤湿度数据与VSDI指数的关系,发现二者关系最符合S型曲线模型,拟合残差在空间上呈现随机分布的特征。基于S曲线函数关系下的1 km预测土壤湿度和残差值,对AMSR-E土壤湿度进行降尺度模拟,得到1 km空间分辨率的土壤湿度。将原始AMSR-E土壤湿度和实测数据对降尺度结果分别比较验证后,表明基于该方法获得的土壤湿度模拟精度较高。
斑状植被在世界范围内的干旱半干旱区、海岸滩涂均有分布。近年来,有关斑状植被形成、时空格局演替的研究受到了越来越多的关注。斑状植被分布及其时空动态是其中重要的研究方向之一,它是植被演替机制研究的基础,也是表征生态系统中植被长期变化的关键指标之一。以现代黄河三角洲类圆形植被斑块为研究对象,将其分为裸斑区、明显类圆形植被斑块区和隐性类圆形植被斑块区等三大类,通过1996、2005、2007、2010和2012年5个时相多源遥感影像的人机交互目视解译,首次给出了现代黄河三角洲这三大类区域的分布范围,在此基础上分析了其时空动态。结果表明:现代黄河三角洲类圆形植被斑块在空间分布上存在明显的梯度分布和动态演替规律,具有海域—光滩—裸斑区—明显类圆形植被斑块区—隐性类圆形植被斑块区高程梯度分布的普遍特征;类圆形植被斑块的直径、植被覆盖度、植被平均高度以及土壤全盐量可作为判别新老斑块的直观标志;10 m、5～6 m分辨率的多光谱图像能够较好划分3种类圆形植被斑块区,但对于斑块面积变化的测量精度仍显不足,1 m甚至更高分辨率图像的运用将会弥补这一缺陷。研究结果可为将来现代黄河三角洲斑状植被格局及演替机制的深入研究提供参考。
对刺槐林健康状况进行准确分类制图,是进行刺槐林健康状况评估与生态修复的前提。以高分辨率IKONOS影像、基于影像提取的不同窗口、不同灰度共生矩阵纹理信息以及反映局部空间自相关的Local Getis-Ord Gi(Getis统计量)为数据源,结合实测生态样方数据,利用多决策树的组合分类模型随机森林(RF)对刺槐林健康进行分级,对6种方法的分类精度进行了比较且对分类变量的重要性进行了排序。结果显示:19 m×19 m是最佳纹理计算窗口;灰度共生矩阵均值是最优纹理变量;基于波段4计算的Getis统计量对RF分类具有最重要的作用;较之利用全部光谱、纹理和Getis统计量的80个波段/变量,利用前向选择得到的前16个重要性变量进行RF分类,获得了最高的分类精度(总精度为93.14%,Kappa系数为0.894)。研究证实了从高分影像提取的空间特征信息有助于提高对具有规则分布格局的人工刺槐林健康等级的分类精度;前向选择方法可以利用较少的预测变量获得较高的分类精度。
针对北山方山口地区急需在老矿山深部及外围寻找新矿体的问题,以蚀变矿物为研究对象,通过ASTER遥感数据提取含Fe3+、含Al-OH、含Mg-OH、含CO2-3和含石英的遥感蚀变异常,并结合野外验证和典型矿床的遥感剖析,总结遥感蚀变异常分布与区域成矿的关系,圈定遥感找矿预测区,为区域成矿规律研究提供依据。实验结果表明:研究区5种蚀变矿物提取结果正确率均超过80%,且遥感蚀变异常的分布与物化探异常具有较高的吻合度,已知金属矿(化)点也几乎都落在蚀变异常区内或边缘。遥感异常与成矿关系的分析表明以共生方式呈现的线性Fe3++ (Al-OH)+(Mg-OH)的蚀变矿物组合对研究区岩浆热液型矿化(特别是金矿化)有较好的指示意义。另外,基于相似类比法圈定的遥感找矿预测区也比较令人信服,在5处遥感找矿预测区内,野外查证已发现局部区域存在良好的矿化线索,这可为后续地质矿产调查提供有效指示信息。
选取乌苏里江中下游干流50 km缓冲区为研究区,以1989、2000和2013年的Landsat TM、OLI遥感影像为数据源,利用面向对象的分类方法获取湿地信息;在GIS技术支持下,选取斑块类别面积(CA)、面积所占比例(PLAND)、最大斑块面积指数(LPI)、平均斑块面积(AREA\|MN)、斑块数(NP)、斑块密度(PD)等景观格局指数,分析了研究区1989~2013年湿地的景观格局动态特征。结果表明:面向对象的分类方法能够准确提取湿地信息,并且有效地避免“椒盐现象”;1989~2013年,该区水田、水库/坑塘、运河/水渠、灌丛沼泽增加和河流、湖泊、草本沼泽、森林沼泽减少;大量草本沼泽转为水田为该区湿地变化主要特征;1989年湿地类型以草本沼泽为主,2013年水田的斑块面积略高于草本沼泽斑块面积;湿地景观变化区主要分布于中国一侧的挠力河流域和穆棱河流域;天然湿地景观破碎化程度逐年加深,人工湿地景观趋于聚集,人为干扰是导致湿地景观格局变化的主要动力;中俄两国境内湿地景观变化程度差异显著,中国境内大量天然湿地转为人工湿地;俄罗斯境内的湿地变化微小,天然湿地保存较好。农田垦殖是导致两国湿地景观破碎程度差异的主要原因。
通过对抚仙湖流域1974年MSS,1990 年TM,2000、2006、2009、2012年ETM+、2014年OLI数据的土地利用/覆被(LUCC)、复合植被指数、水土流失、土地沙化和土壤含水率各指标的获取,构建流域土地退化评价模型,开展抚仙湖流域土地退化评价研究,并采用层次分析法(AHP)构造包含上述5种指标的判断矩阵,利用层次分析软件对判断矩阵的计算分别获得上述退化指标的权重,通过GIS空间分析方法完成对抚仙湖流域土地退化的动态监测与评价并由此提出退化防治综合措施。结果表明:抚仙湖流域土地退化从1974~1990年总退化面积趋势急剧上升,到2000和2006年土地退化面积又有小幅下降,2009和2012年期大幅下降,土地退化总面积到2012年为200.27 km2达到历史最低,2012~2014年总退化面积又有小幅增加,但增幅不大。
遥感反演是区域尺度上近地面颗粒物数据获取的有效手段。利用激光雷达观测的消光系数垂直分布、地面相对湿度、风速等数据,对无锡市MODIS(中分辨率成像光谱仪)气溶胶光学厚度(AOD)产品进行垂直、湿度和风速订正,并用研究区域中7个地面站点的PM10和PM2.5浓度监测数据对订正结果进行评估。结果表明:经过订正的MODIS AOD产品与地面监测数据具有良好的相关性,其中与PM10的决定系数达到0.452,与PM2.5的决定系数达到0.449,说明MODIS AOD产品经相关订正后,可用于无锡及其附近地区地面空气污染的监测。在MODIS AOD产品的垂直订正方面,利用激光雷达数据的订正效果好于利用能见度数据的订正效果。在遥感与实测数据的相关性季节变化方面,夏季相关性最高,秋季次高,春季较低,冬季最低。
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