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2018
年
第
5
期
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封面故事
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中国遥感卫星
FY-3C微波成像仪海面温度产品算法及精度检验
张淼,王素娟,覃丹宇,邱红,唐世浩
2018, 22(5): 713-722. DOI: 10.11834/jrs.20187217
摘要:海洋表面温度(SST)是海洋学和气候学一个十分重要的物理因子,而卫星被动微波遥感能够穿透云层,实现全天候、大范围观测,因此利用中国FY-3C微波成像仪(MWRI)反演SST具有重要意义。FY-3C MWRI SST产品采用统计算法,首先利用MWRI降水和海冰产品剔除含降水和海冰的像元,之后选择时空间隔0.2 h和0.2°离海岸100 km以外的FY-3C MWRI观测亮温与浮标观测值进行匹配,再将全球在空间上分为4个纬度带,时间上分为12个月,并分升轨和降轨,分别建立浮标海温观测结果和MWRI亮温之间的统计关系,实现对SST的估算。将|估算海温-30年月平均海温|≥2.5 K的像元标识为51,发现这些像元基本分布在陆地边缘地区及大风速地区,剔除标识为51的像元后的精度验证结果表明:与全球浮标资料相比,FY-3C MWRI SST轨道产品升轨精度为–0.02±1.22 K,降轨精度为–0.15±1.28 K;与全球分析场日平均海温OISST相比,FY-3C MWRI SST日产品升轨精度为0.00±1.03 K,降轨精度为–0.09±1.08 K。微波辐射计的性能及其定位定标精度、上游卫星产品(降水检测和海冰检测)的精度、陆地的干扰及高风速对微波信号的影响均会造成SST估算误差,如何改进算法中风速大于12 m/s时的估算精度是下一步的工作重点。
关键词:FY-3C;微波成像仪;海面温度;产品;精度检验
288
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发布时间:2021-06-07
FY-3B/MWRI和Aqua/AMSR-E海冰密集度比较及印证
王晓雨,管磊,李乐乐
2018, 22(5): 723-736. DOI: 10.11834/jrs.20187419
摘要:本文对2011-07-01—2011-09-30风云三号B星(FY-3B)搭载的微波成像仪MWRI(Microwave Radiometer Imager)和Aqua卫星搭载的微波扫描辐射计AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer for Earth Observing System)观测数据获取的海冰密集度产品进行比较及印证。首先,逐日比较FY-3B/MWRI和Aqua/AMSR-E区域平均海冰密集度;其次,逐月比较FY-3B/MWRI和Aqua/AMSR-E月平均海冰密集度;最后,使用Aqua卫星搭载的中等分辨率成像光谱辐射计MODIS数据进行印证。MWRI和AMSR-E比较结果为(1)MWRI与AMSR-E逐日区域平均海冰密集度变化趋势一致,MWRI海冰密集度均高于AMSR-E,7—9月MWRI与AMSR-E逐日平均偏差月平均值分别为8.55%、7.67%、2.58%,逐日标准差月平均值分别为12.16%、12.08%、10.43%,二者差异逐月减小。(2)MWRI与AMSR-E月平均海冰密集度差呈现逐月递减趋势,7—9月MWRI与AMSR-E逐月平均偏差分别为7.37%、6.53%、1.51%,逐月标准差分别为4.61%、4.36%、3.64%,MWRI与AMSR-E差异逐月减小的原因是二者在密集度较低的边缘区域差异较大,而夏季随着边缘区域海冰的融化,二者差异逐渐减小。MWRI和AMSR-E海冰密集度与MODIS印证结果为:(1)密集度小于95%情况下,MWRI与AMSR-E海冰密集度均比MODIS偏高,AMSR-E更接近MODIS,MWRI高估,误差较大。(2)密集度大于等于95%情况下,MWRI与AMSR-E海冰密集度均比MODIS偏低,AMSR-E偏低更多,MWRI结果更好。
关键词:海冰密集度;FY-3B/MWRI;Aqua/AMSR-E;比较;印证;MODIS;冰水识别
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发布时间:2021-06-07
技术方法
高光谱激光雷达提取植被生化组分垂直分布
高帅,牛铮,孙刚,覃驭楚,李旺,田海峰
2018, 22(5): 737-744. DOI: 10.11834/jrs.20187244
摘要:对地高光谱激光雷达可以获得观测对象含有高光谱属性的全波形激光雷达回波,为探测植被生化特征的立体分布提供了新的遥感探测手段。基于此仪器开展室内试验,提出了植被生化组分垂直分布提取方法。首先,针对仪器的特点,提出了高光谱激光雷达全波形数据处理的方法;其次,以火炬花为例开展了室内扫描,并对获取的高光谱激光雷达数据进行了处理,获得带有高光谱属性的激光雷达点云数据;最后,根据植被指数与生化组分的关系,提取了叶绿素和胡萝卜素的生化组分垂直分布结果。研究结果表明,在植被顶部生化组分含量较低,叶绿素a普遍低于0.5 mg/g,胡萝卜素低于0.2 mg/g,而在中部叶片处,生化组分含量明显较高,与红色(顶部)和绿色叶片(中部)在植被垂直方向的分布一致,这表明基于仪器开展植被生理生化参数垂直分布遥感反演具有极大的应用潜力。
关键词:高光谱激光雷达;生化组分;垂直分布;全波形;点云分布
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发布时间:2021-06-07
WorldView-2影像双介质摄影测量的浅海地形测绘试验
曹斌,朱述龙,邱振戈,曹彬才
2018, 22(5): 745-757. DOI: 10.11834/jrs.20187066
摘要:主要研究利用高分辨率WorldView-2卫星影像和双介质立体摄影测量方法进行浅海地形测绘的可行性,同时解决双介质立体摄影测量精定位算法(即折射改正算法)适用性差的问题。首先依据通用的双介质物像几何关系,提出了一种普适的双介质立体摄影测量折射改正算法;然后以海南省三沙市甘泉岛、珊瑚岛周围浅海区域为试验场,利用两个地区的WorldView-2立体影像,运用双介质立体摄影测量方法进行了浅海地形测绘试验。试验成功提取到了两个地区浅海海底的数字高程模型(DEM)。其中,甘泉岛地区的浅海DEM精度达到2.08 m(剔除其中的高程异常点后的结果)。研究表明:提出的折射改正算法,无论“空中同名光线延长线是否相交”都是适用的,且能改善浅海地形测绘精度。在水体清澈、无海浪情况下,利用相应的WorldView-2立体影像和双介质立体摄影测量方法进行浅海地形测绘是可行的。
关键词:WorldView影像;双介质立体摄影测量;精定位;折射改正;浅海地形;测量精度
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发布时间:2021-06-07
特征提取策略对高分辨率遥感图像场景分类性能影响的评估
钱晓亮,李佳,程塨,姚西文,赵素娜,陈宜滨,姜利英
2018, 22(5): 758-776. DOI: 10.11834/jrs.20188015
摘要:高分辨率遥感图像场景分类方法主要涉及两个环节:特征提取以及特征分类,分类器的设计已经相对成熟,当前工作的重点是特征提取策略的研究。为了进一步推动特征提取策略的研究,将特征提取策略对高分辨率遥感图像场景分类性能的影响进行了定性和定量评估。首先,回顾了高分辨率遥感图像场景分类的发展历程;然后,对现有高分辨率遥感图像场景分类方法的特征提取策略进行分类总结,并从理论上将各类特征提取策略对场景分类性能的影响进行定性评估;最后,在3个规模较大的数据集上对多种特征提取策略进行实验对比,将不同特征提取策略对场景分类性能的影响和各数据集的复杂度进行定量评估。
关键词:高分辨率;场景分类;特征提取策略;手工特征;数据驱动特征;深度学习
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发布时间:2021-06-07
多特征约束的高分辨率光学遥感影像道路提取
戴激光,杜阳,方鑫鑫,王杨,苗志鹏
2018, 22(5): 777-791. DOI: 10.11834/jrs.20188055
摘要:针对复杂场景中的遥感影像道路提取问题,论文提出了一种多特征约束的影像道路提取方法,并开展了论文方法可行性论证。该方法首先,根据道路宽度的先验知识以及道路的几何特征,提出一种改进的线段二次提取模型,利用线段长度和道路宽度确定候选道路种子点集;其次,输入道路结构信息,基于道路辐射特征对候选道路种子点进行整体匹配评价;再次,当候选道路种子无法符合辐射特征要求时,提出一种浅色机动车检测模型,以此将浅色机动车结果作为道路上下文特征,利用道路上下文特征对候选道路种子点进行分析;然后,构建道路拓扑分析模型,依据道路拓扑特征对候选道路种子点进行最终验证;最后,对提取道路种子点进行优化处理,并提出道路跟踪及拟合方法。通过不同复杂场景、不同分辨率高分辨率遥感影像下开展的不同方法实验结果对比分析表明,相对于其他商用软件ECognition和Erdas的方法,本方法自动化程度更高,运行效率高,适用于解决道路类型多样化、几何光谱噪声大的复杂场景道路提取问题。
关键词:信息提取;道路种子点;多特征;约束;道路提取;高分辨率;光学
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发布时间:2021-06-07
面向灾后水体遥感信息提取的知识决策树构建及应用
陈超,傅姣琪,随欣欣,鲁旭,谭安辉
2018, 22(5): 792-801. DOI: 10.11834/jrs.20188044
摘要:灾害发生以后,悬浮物质、波浪和水深等“同物异谱”会导致水体信息提取不完整,而阴影、沥青路面、浓密植被等“异物同谱”也会降低水体信息提取精度。针对此问题,提出一种特征知识引导的灾后水体信息提取方法。首先,分析水体遥感图像特征(光谱特征、几何特征、纹理特征、空间关系特征),构建灾后水体信息提取知识决策树;其次,对遥感图像进行面向对象分割,获取对象基元,并计算特征参数;然后,在知识决策树的支持下提取灾后水体信息;最后,对水体信息提取结果进行后处理,以去除噪声和填充孔洞。选取“5·12汶川地震”遥感图像开展验证实验,结果表明,水体信息提取结果位置准确,边界清晰,生产者精度和用户精度分别为0.85和0.94,该方法能够有效提取复杂背景下的灾后水体信息。
关键词:特征知识;决策树;汶川地震;灾后水体信息;精度评价
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发布时间:2021-06-07
D-InSAR技术的积雪深度反演
刘洋,李兰海,杨金明,陈曦,张润
2018, 22(5): 802-809. DOI: 10.11834/jrs.20187125
摘要:积雪深度是大量气候、水文、农业及生态模型的重要输入变量。选用欧空局Sentinel-1主动微波数据,利用合成孔径雷达SAR(Synthetic Aperture Radar)差分干涉测量技术的二轨法,根据积雪相位与雪深之间的转换关系,反演新疆天山中段的巴音布鲁克盆地典型区的积雪雪深分布,提出了基于InSAR二轨差分的雪深估计方法,反演得到2016年12月18日的空间分辨率为13.89 m的雪深分布。研究表明:(1)对Sentinel-1数据进行正确的预处理以后,可以应用SAR差分干涉测量技术的二轨法反演区域雪深分布。但由于像对相干性和积雪状态的差异,积雪深度超过10 cm,可以获取较准确的雪深反演结果,R=0.65,反演误差的均方根误差RMSE=4.52 cm,平均相对误差为22.42%,反演雪深结果均比实测结果略偏低;而当雪深小于10 cm时,雪深反演值较实测值存在较大的误差,相对误差均高于34.52%,且反演雪深值均比实测值偏高。(2)雪深反演精度受高程及实际雪深的差异影响显著,另外雪深反演精度也受限于干涉像对相干性。结果表明,对于获取区域积雪雪深,InSAR技术较光学及被动微波遥感具有非常广阔的应用前景。
关键词:雪深;Sentinel-1;D-InSAR;误差分析;相干性
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发布时间:2021-06-07
遥感应用
PCA和布谷鸟算法优化SVM的遥感矿化蚀变信息提取
吴一全,盛东慧,周杨
2018, 22(5): 810-821. DOI: 10.11834/jrs.20187068
摘要:为了进一步提高遥感矿化蚀变信息提取的精度,本文提出了一种基于主成分分析PCA (Principal Component Analysis)和布谷鸟算法优化支持向量机SVM (Support Vector Machine)的遥感矿化蚀变信息提取方法。首先,通过波段比值法增强研究区遥感图像中的矿化蚀变信息,并获得比值图像;然后,对比值图像进行主成分分析,进而提取训练样本;接着,利用SVM对训练样本进行训练,同时采用布谷鸟算法求取SVM的最优核参数及惩罚因子,构造最优SVM模型;最后,运用最优SVM模型完成矿化蚀变信息提取。选择青海省五龙沟地区为研究区,提取羟基及铁染蚀变信息。实验结果表明,与主成分分析法、基于光谱角法和SVM的方法、基于粒子群和SVM的方法及基于波段比值、PCA和粒子群优化SVM的方法等4种方法相比,本文方法获得的遥感矿化蚀变信息和已知矿点的吻合度最高,提取效果最好。
关键词:遥感;矿化蚀变信息提取;主成分分析(PCA);支持向量机(SVM);布谷鸟算法;波段比值法
298
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发布时间:2021-06-07
MERSI和MODIS卫星监测京津冀及周边地区PM
2.5
浓度
陈辉,厉青,王中挺,孙云,毛慧琴,程斌
2018, 22(5): 822-832. DOI: 10.11834/jrs.20187123
摘要:京津冀及周边地区是中国PM
2.5
污染最重的区域之一,利用卫星遥感技术监测大范围的PM
2.5
时空分布变化是一种先进的重要手段。本研究首先基于暗像元算法利用FY-3B/MERSI与AQUA/MODIS对京津冀及周边区域进行了遥感AOT反演和验证分析;然后,引入气象资料和地面观测资料利用GWR模型反演了区域PM
2.5
浓度,并对遥感反演结果进行了交叉验证评估,综合对比分析了MERSI和MODIS的气溶胶及PM
2.5
遥感监测能力;最后,利用MERSI数据对2017年第一季度京津冀及周边区域的PM
2.5
月均浓度时空分布变化情况进行了初步探索分析。结果表明:FY-3B/MERSI在气溶胶及PM
2.5
遥感监测能力方面略优于AQUA/MODIS,MERSI反演的1 km分辨率AOT和PM
2.5
与地面站点实测结果的决定系数R
2
分别为0.76 μg/m
3
和0.79 μg/m
3
,均方根误差分别为0.26 μg/m
3
和28 μg/m
3
,平均绝对误差分别为0.16 μg/m
3
和15 μg/m
3
,能基本满足对京津冀及周边区域PM
2.5
的精细化监测需要。2017年第一季度京津冀及周边区域PM
2.5
月均浓度遥感监测结果表明该区域的PM
2.5
空间分布格局与地形地貌关系密切,高值区整体上沿太行山脉成带成片;从时间变化来看,1—3月呈逐月下降的趋势,其中3月份PM
2.5
区域浓度较1月和2月有大幅下降。这说明FY-3\MERSI遥感反演产品能为环境质量监测和环境管理工作效果评估提供有效参考,本研究对国产卫星在大气环境遥感业务中的大力发展应用有重要参考意义。
关键词:京津冀及周边;FY-3B/MERSI;AOT;PM
2.5
;卫星遥感
292
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发布时间:2021-06-07
机载激光雷达及高光谱的森林乔木物种多样性遥感监测
董文雪,曾源,赵玉金,赵旦,郑朝菊,衣海燕
2018, 22(5): 833-847. DOI: 10.11834/jrs.20187354
摘要:利用机载LiDAR和高光谱数据并结合37个地面调查样本数据,基于结构差异与光谱变异理论,通过相关分析法分别筛选了3个最优林冠结构参数和6个最优光谱指数,在单木尺度上利用自适应C均值模糊聚类算法,在神农架国家自然保护区开展森林乔木物种多样性监测,实现了森林乔木物种多样性的区域成图。研究结果表明,(1)基于结合形态学冠层控制的分水岭算法可以获得较高精度的单木分割结果(R
2
=0.88,RMSE=13.17,P<0.001);(2)基于LiDAR数据提取的9个结构参数中,95%百分位高度、冠层盖度和植被穿透率为最优结构参数,与Shannon-Wiener指数的相关性达到R
2
=0.39—0.42(P<0.01);(3)基于机载高光谱数据筛选的16个常用的植被指数中,CRI、OSAVI、Narrow band NDVI、SR、Vogelmann index1、PRI与Shannon-Wiener指数的相关性最高(R
2
=0.37—0.45,P<0.01);(4)在研究区,利用以30 m×30 m为窗口的自适应模糊C均值聚类算法可预测的最大森林乔木物种数为20,物种丰富度的预测精度为R
2
=0.69,RMSE=3.11,Shannon-Wiener指数的预测精度为R
2
=0.70,RMSE=0.32。该研究在亚热带森林开展乔木物种多样性监测,是在区域尺度上进行物种多样性成图的重要实践,可有效补充森林生物多样性本底数据的调查手段,有助于实现生物多样性的长期动态监测及科学分析森林物种多样性的现状和变化趋势。
关键词:植物多样性;物种丰富度;激光雷达;高光谱;单木分离;聚类
366
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发布时间:2021-06-07
无人机多光谱影像的天然草地生物量估算
孙世泽,汪传建,尹小君,王伟强,刘伟,张雅,赵庆展
2018, 22(5): 848-856. DOI: 10.11834/jrs.20186388
摘要:地上草地生物量是衡量天然草地生态系统的重要指标,是草地资源合理利用和载畜平衡监测的重要依据。为了快速、准确、有效地估算天然草地地上生物量,掌握其变化规律,以天山北坡天然牧场为研究区,分析其地上生物量的时空分布特征。根据研究区阴坡与阳坡不同的草地类型和植被种类,利用多旋翼无人机获取的高分辨率多光谱影像(含近红外波段),结合地面实测数据,在进行天然草地地上生物量与植被指数相关性分析的基础上,运用回归分析方法,建立生物量和多种植被指数的估算模型。结果表明:考虑地形因子(阴阳坡)之后,植被地上生物量与各植被指数的相关性系数显著提高;不同坡向,同一植被指数拟合精度差异较大;同一坡向,各个植被指数的敏感性也有所不同。总体上,比值植被指数(RVI)与阴阳坡草地生物量拟合效果最好,模型精度均达到75%以上。利用植被指数建立的生物量估算方法结果与实际相符,可为天然草地生态系统检测和草地资源合理利用提供方法和依据。
关键词:天然草地;生物量;多光谱影像;阴阳坡;估算模型;无人机
382
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发布时间:2021-06-07
Landsat 8地表温度反演及验证—以黑河流域为例
孟翔晨,历华,杜永明,曹彪,柳钦火,李彬
2018, 22(5): 857-871. DOI: 10.11834/jrs.20187411
摘要:地表温度是区域和全球尺度地表物理过程的一个重要参数,目前已有的地表温度产品空间分辨率较低,缺乏高空间分辨率的地表温度产品。Landsat系列卫星提供了大量免费的高空间分辨率遥感数据,然而对应的高空间分辨率地表温度产品还未见到,为了获取长时间序列的高空间分辨率地表温度数据,针对Landsat 8 TIRS数据提出了一个物理单通道地表温度反演算法。该算法首先利用ASTER全球地表发射率产品(ASTER GED)结合Landsat 8地表反射率产品计算Landsat 8影像的地表发射率,然后利用快速辐射传输模型RTTOV结合MERRA大气廓线数据对热红外影像进行大气校正,最后利用物理单通道地表温度反演算法得到地表温度。利用黑河流域HiWATER试验2013年—2015年15个站点的实测地表温度数据对本文方法和普适性单通道算法进行了验证,同时对验证站点的空间异质性进行了分析。结果表明,本文方法和普适性单通道算法估算的地表温度整体精度均较高,能够获取高精度、高空间分辨率的地表温度数据,可以服务于城市热岛效应、地表蒸散发估算等相关研究。
关键词:Landsat 8;ASTER GED;RTTOV;物理单通道算法;地表发射率;地表温度
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发布时间:2021-06-07
机载激光雷达森林垂直结构剖面参数的沿海平原人工林林分特征反演
刘浩,张峥男,曹林
2018, 22(5): 872-888. DOI: 10.11834/jrs.20187465
摘要:中国是世界上人工林面积最大的国家,实时、定量、精确地获取人工林林分特征对于人工林资源监测、管理以及全球碳循环具有重要意义。以北亚热带沿海平原人工林为研究对象,借助机载激光雷达LiDAR(Light Detection And Ranging)点云数据并结合地面实测的55个样地来反演人工林林分特征。首先,构建冠层高度分布剖面CHD(Canopy Height Distribution)和枝叶剖面FP(Foliage Profile);然后,通过Weibull函数分别对CHD和FP进行拟合并提取Weibull参数作为特征变量(第1组);同时,还直接基于点云提取了LiDAR高度变量HRM(Height-Related Metrics)和冠层密度变量DRM(Density-Related Metrics) (第2组);最后,结合地面实测数据和两组特征变量构建了多元回归模型用于预测各林分特征(即林分密度、平均胸径、胸高断面积、Lorey’s树高、蓄积量和地上生物量)。结果表明:(1)与只使用基于点云的特征变量(即第2组)相比,结合点云特征变量(第2组)和冠层垂直结构剖面特征变量(第1组)的各林分特征预测精度均有所提升(ΔAdjustedR
2
=0—0.13, ΔrRMSE=0.08—3.65%);(2)对各林分特征预测的结果中,Lorey’s树高(Adjusted R
2
=0.85, rRMSE=7.66%)和蓄积量(Adjusted R
2
=0.84, rRMSE=14.27%)的预测精度最高,地上生物量(Adjusted R
2
=0.78, rRMSE=14.15%)、胸高断面积(Adjusted R
2
=0.73, rRMSE=14.70%)和平均胸径(Adjusted R
2
=0.64, rRMSE=15.05%)次之,林分密度(Adjusted R
2
=0.58, rRMSE=26.16%)的预测精度最低;(3)Weibull函数较准确地反映了亚热带人工林垂直冠层结构,可以有效提高林分特征反演精度。
关键词:激光雷达;冠层垂直结构剖面;Weibull;枝叶剖面;点云特征变量
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发布时间:2021-06-07
GLONASS卫星SNR信号的雪深探测
周威,刘立龙,黄良珂,黎峻宇,陈军,陈发德,邢尹,刘林波
2018, 22(5): 889-899. DOI: 10.11834/jrs.20187126
摘要:利用GNSS-MR(Global Navigation Satellite System Multipath Reflectometry)技术反演积雪深度是近年来一种新兴的卫星遥感技术。目前大多数研究仅使用GPS(Global Position System)数据限制了该技术的发展,为了扩展GNSS-MR算法的应用,介绍了基于GNSS-MR算法的雪深反演模型。首先,通过多项式拟合分解GLONASS观测数据获取高精度的信噪比残差序列;然后,利用Lomb-Scargle谱分析法对其进行频谱分析可解算雪深值。选取IGS中心的YEL2站2015年11月到2016年6月共243天的GLONASS卫星L1波段反射信号的SNR数据进行实例分析,并以美国国家气象数据中心提供的加拿大Y-H (Yellowknife Henderson)气象站的实测雪深数据为真值,将反演雪深与实测雪深进行对比验证。所得实验结果如下:(1) 与GPS卫星的反演值相比,基于GLONASS-MR (GLONASS Multipath Reflectometry)技术反演积雪深度的精度同样能达到厘米级,RMSE仅3.3 cm,反演值与实测值的空间分布趋势一致且相关性较强,其相关系数R
2
高达0.969;(2) 不同的积雪深度对信噪比的振幅频率与垂直反射距离具有直接影响;(3) 对同一卫星而言,信噪比的频谱振幅强度峰值与其对应的反演值存在线性相关;(4) 在相同条件下,采用多颗GLONASS卫星数据比单颗GLONASS卫星数据反演雪深的效果明显更优。基于反演的高时间分辨率产品,分析该地区雪深日变化的情况,实验结果表明基于陆基CORS站的GLONASS-MR技术在用于实时、连续的雪深变化监测方面具有良好的潜力和可行性。
关键词:GNSS-MR;格洛纳斯卫星系统(GLONASS);信噪比;雪深反演;Lomb-Scargle谱分析
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发布时间:2021-06-07
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