高光谱热红外星上辐亮度图像模拟及初步应用

基于卫星数据的热红外图像模拟可以为热红外大气校正、地表温度和发射率反演和前期验证提供数据支撑,同时也可以为热红外传感器的波段设置和优化提供参考。热红外图像模拟是进行热红外定量遥感研究的有效手段。本研究利用Terra星上搭载的ASTER（Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer）遥感数据所反演得到的地表温度和发射率产品,基于高光谱辐射传输模型,模拟8—14 μm（714—1250 cm^-1）,波谱分辨率为0.25 cm^-1的星上TOA（Top of Atmosphere）高光谱热红外成像模拟数据。在此基础上,结合高光谱热红外图像数据的特点,实现了温度和发射率分离算法,以及对比了不同的基于图像的大气校正算法。结果显示,本文提出的热红外图像模拟方法可行,能够为评价不同的大气校正、温度和发射率分离算法提供有效的数据支撑。     

联合星载高光谱影像和堆栈集成学习回归算法的红树林冠层叶绿素含量遥感反演

红树林是世界上生产力最高、价值最高的湿地生态系统之一。冠层叶绿素含量CCC（Canopy Chlorophyll Content）作为红树林重要的生物物理参量,是估算其生产力和评价其健康状况的重要指标。本文利用珠海一号高光谱卫星（OHS）影像与Sentinel-2A多光谱数据计算传统植被指数与组合植被指数并构建了高维数据集,综合利用正态分布检验、最大相关系数法与变量重要性评价进行数据降维和变量优选;分别基于单一线性回归算法、机器学习回归算法和堆栈集成学习回归算法构建了红树林CCC遥感反演模型,探明北部湾红树林CCC的最佳遥感反演模型,验证OHS高光谱影像与Sentinel-2A数据反演红树林CCC的精度差异,评估SNAP-SL2P算法反演红树林CCC的适用性。研究结果表明：（1）通过数据降维和变量选择处理,从高维度OHS数据集选取了8个特征变量,其中RSI_（12,17）、DSI_（12,18）和NDSI_（6,12）组合植被指数对红树林CCC反演精度的贡献率较高;（2）联合OHS数据和最优堆栈GBRT集成学习回归模型（Score=0.999,RMSE=0.963 μg/cm²）的训练精度优于最优RF机器学习回归模型（RMSE降低了7.531 μg/cm²）,明显优于最优Lasso线性回归模型（RMSE降低了19.383 μg/cm²）;（3）在最优堆栈集成学习回归模型下,OHS数据反演红树林CCC的精度（R²=0.761,RMSE=16.738 μg/cm²）高于Sentinel-2A影像（R²=0.615,RMSE=20.701 μg/cm²）;（4）联合OHS和Sentinel-2A数据的最优堆栈集成学习回归模型反演红树林CCC的精度都明显优于SNAP-SL2P算法（R²=0.356,RMSE=49.419 μg/cm²）。研究结果论证了正态分布检验、最大相关系数法和基于XGBoost的特征选择方法有效降低了高维数据集的维度,并得到了最优特征变量;OHS数据的最优堆栈GBRT集成学习回归模型训练精度最高,是估算红树林CCC的最优反演模型;OHS和Sentinel-2A数据都能有效反演红树林CCC（R²均大于0.61）,而OHS数据的估算精度更高（R²大于0.75）;SNAP-SL2P算法不能有效反演红树林CCC（R²小于0.4）,且对红树林CCC数值存在系统性低估。     

高光谱红外谱段交叉定标与近海遥感应用试验

以MODIS红外谱段数据为基准,对高光谱红外谱段数据进行辐射交叉定标试验,同时运用高光谱红外谱段数据对近海海表水温进行了评估试验.交叉定标数据选取2012年—2013年冬、夏两季各一幅代表性图像,MODIS与高光谱红外谱段数据成像时间均为同一天白天.实验结果表明,天宫一号高光谱红外谱段数据与MODIS数据具有极好的相关性,相关系数R大于0.95;在此基础上建立了基于MODIS 32波段的辐亮度线性回归校正方程,并用于海表温度反演、检测自然与人工扰动造成的海表温度异常.基于校正数据反演的中国南北典型冬、夏代表性季节的海表温度与常识较为一致.由此表明,基于MODIS交叉定标的天宫一号数据可用于实际的业务化定量评估;同时,由于空间分辨率较高,天宫一号高光谱红外谱段数据在海水精细空间动态变化检测上表现出极好的性能.     

面向地质应用的天宫一号成像光谱数据评价

天宫一号高光谱数据是继美国Hyperion之后,另一种可应用于地质领域的成像光谱数据.面向地质应用特点与需求,针对反射率产品开展全面、定量的数据质量评价对于深化应用研究具有重要意义.但是,由于航天成像光谱数据与地面实测波谱空间尺度差异甚大,在荒漠戈壁区选取自然地物进行波谱测试,并对其开展评价,特别是定量评价,非常困难.本文以航空HyMap数据为传递,完成了天宫一号成像光谱数据质量的定量评价.结果表明,在矿物识别采用的主要短波红外谱段,天宫一号高光谱数据的信噪比明显优于Hyperion数据.采用2190—2230 nm、2310—2355 nm两个谱段的吸收深度初步对天宫一号高光谱短波红外数据真实性进行了评价,经过校正后,天宫一号数据Al-OH、Mg-OH/CO₃^2-矿物大类或组合的漏提率从71%、67%减小至29%、28%,可有效提高弱信息的检出率.     

海水背景下不同浓度的甲烷含量高光谱定量反演

在油气资源遥感探测中，通过烃渗漏引起的海表面甲烷气浓度异常来探测海底气藏是最直接的方法之一。为了更好地识别海表甲烷异常，提高遥感反演精度，对海表甲烷气含量进行定量光谱分析研究。设计室内甲烷波谱测试平台，获取海水背景下不同含量甲烷高光谱数据为数据，对光谱数据预处理及进行比值导数光谱法，并提取光谱吸收特征参数，对甲烷含量与光谱参数之间进行相关性分析，构建甲烷含量的反演模型。比值导数光谱法确实抑制了海水背景信息，突出了甲烷特征。1650—1664 nm和2180—2210 nm波段范围的光谱参数与甲烷含量相关性显著；其中，波谷、波深、面积、斜率与甲烷含量显著相关。基于2180—2210 nm波段范围建立的波谷、波深、面积、斜率四元回归方程y=-14.356 - 5931.796x₁ - 4325.081x₂+241.481x₃+7531.973x₄拟合效果最好，R²为0.9817；且在此波段范围内基于波深建立的单变量甲烷反演模型y = 2047.571x - 9.758，R²为0.9741，比基于其他变量所建立的反演模型效果要好。成功获取了和海水背景下甲烷含量线性相关显著的对应波段和吸收特征，可为利用多/高光谱遥感预测勘探海表面甲烷气浓度提供一定的理论和技术依据。     

机载高光谱热红外数据的地表温度和发射率反演与应用

机载高分辨率遥感是高分对地观测的重要部分,其中高分辨率高光谱热红外数据的光谱发射率可以用于矿物识别,是对可见光遥感地物识别的有效补充。机载高光谱热红外传感器TASI（Thermal Airborne Hyperspectral Imager）在8—11.5 μm范围内设置了32个波段,在国内外常被用于地表热辐射信息、矿产资源探测等领域。本文利用2018-10在新疆富蕴县研究区的TASI航空飞行数据,首先基于再分析大气廓线NCEP数据与MODTRAN实现了TASI高光谱热红外数据的大气校正,并在基础上发展了温度与发射率分离方法TES（Temperature and Emissivity Separation method）反演研究区地表温度与发射率,采用多波段热辐射计CE312测量的地面发射率对反演结果进行了有效验证,结果表明波长大于9.6 μm的波段的发射率误差约为0.01。最后,结合反演的TASI发射率光谱曲线,采用光谱角度匹配方法提取了研究区高岭石的空间分布。研究工作涉及的相关算法与应用成果可为星载高分辨率热红外载荷数据的应用提供了相关参考。     

FY-2静止卫星红外通道的高光谱交叉定标

介绍利用高光谱探测器IASI和AIRS对FY-2静止气象卫星VISSR红外通道进行绝对交叉定标的方法,并且基于FY-2E业务运行以来的历史数据对该方案进行可靠性检验和误差分析。结果表明,基于两个独立仪器得到的高光谱定标结果间具有很好的一致性;高光谱定标的亮温偏差基本上呈正态随机分布没有明显的系统偏差,平均亮温偏差小于0.07K,标准差约1.4K,其中亮温大于290K时,平均偏差小于0.2K,亮温大于220K时,平均偏差小于1K,低温端平均偏差约为3K;本文方法与目前FY-2EL1文件中提供的定标结果相比有明显改善,精度平均提高大于1K,低温端2—3K。长时间统计分析结果证明文中采用高光谱交叉定标方案稳定可靠,精度能够满足定量应用需求。     

孤东油田土壤石油类含量的高光谱反演模型

土壤中石油类含量的检测对石油污染的预防与治理具有重要的实际意义。本文首先进行孤东油田土壤样品高光谱反射率的室内测定及石油含量的检测,然后利用单变量预测模型和逐步回归方法分析了土壤光谱特征参数与石油类含量之间的线性和非线性关系,结果表明:包络线分析的第三折线段斜率与石油类含量相关性最好,该段斜率的三次曲线函数为石油类含量的最佳单变量估算模型。标准正态变量变换对光谱的预处理效果最好,利用变换后光谱建立多元模型,其调整的判定系数R²是0.826,总均方根RMSE是0.531,且自变量个数较少,为最优预测模型。本文提出的利用高光谱数据检测土壤中石油类含量的方法,为土壤石油类污染检测提供了一种有效的新思路。     

HJ-1B 热红外波段在轨绝对辐射定标

针对HJ-1B 红外相机(IRS)热红外通道特点, 利用青海湖辐射校正场进行HJ-1B 热红外绝对辐射定标, 提 出新的场地定标算法, 并通过实测数据和Landsat5-TM数据对不同定标系数进行真实性检验分析, 发现该场地定标 算法获得的系数比原始系数精度提高约0.6%—3%, 总体精度为1K 左右。研究结果表明文章提出的定标算法适用 于不具备观测冷空间能力的卫星传感器在轨绝对辐射定标, 得到的定标系数合理可靠。     

高分五号大气痕量气体差分吸收光谱仪观测数据的火山喷发SO2总量反演

火山喷发产生的高浓度SO₂气体及其远距离输送会对全球气候变化和航空飞行安全产生重要影响。卫星遥感技术以大面积连续观测、高时空分辨率等优势成为大气SO₂监测的重要手段之一。作为中国第一颗紫外可见光波段的高光谱载荷,高分五号卫星大气痕量气体差分吸收光谱仪（GF-5 EMI）通过探测地球大气或表面反射、散射的紫外辐射来解析SO₂总量的分布和变化。本文首先基于大气辐射传输模型SCIATRAN,选择中低纬地区地表类型均一的海洋区域像元,模拟了典型大气条件下的晴空天顶反照率,用以评价EMI载荷天顶观测光谱的精度。其次,基于TROPOMI L1 Radiance辐亮度数据和DOAS反演原理,经477 nm O₄云筛选、光谱定标、慢变剔除、斜柱转垂直柱等步骤后,获得同一火山喷发区域的SO₂总量反演结果并与TROPOMI官方offline L2 SO₂产品进行对比分析。最后,利用GF-5 EMI UV-2通道观测数据,采用DOAS算法反演获得GF-5 EMI大气SO₂总量,并将反演结果与国际同类载荷S5P/TROPOMI SO₂总量结果进行比较分析,评判GF-5 EMI在全球火山活动SO₂变化监测方面的能力。结果显示,300—400 nm波段范围内,海洋区域采样点EMI观测光谱值低于SCIATRAN模拟光谱值,EMI与TROPOMI观测光谱呈现出相似的系统性偏差。基于高空间高光谱分辨率的TROPOMI L1 Radiance辐亮度数据、315—327 nm、325—335 nm和360—390 nm共3个波段窗口、以及上述DOAS反演原理获得的SO₂结果与TROPOMI官方发布的offline L2 SO₂产品结果相关性较高,两者的相关系数可达到0.97—0.99,相对偏差在3%—9%。GF-5 EMI能够获取火山喷发SO₂排放的时空分布特征,并与国际同类载荷TROPOMI反演结果具有较高的空间一致性,能够满足全球火山喷发监测、预警及其气候影响研究的应用需求。     

动态调整权重的光谱匹配测度法分类的研究

提出了动态调整权重的光谱匹配测度的分类方法，它可以根据不同影像、不同分类目的等自适应调整光谱距离和光谱形状测度在分类中的权重，从而达到正确分类的目的。通过对高光谱影像分类的试验，验证了该方法的正确性。     

3D Visualization for the Analysis of Forest Cover Change

Abstract

Visualization techniques have been developed to recreate natural landscapes, but little has been done to investigate their potential for illustrating land cover change using spatio‐temporal data. In this work, remote sensing, geographic information systems (GIS) and visualization techniques were applied to generate realistic computer visualizations depicting the dynamic nature of forested environments. High resolution digital imagery and aerial photography were classified using object‐oriented methods. The resulting classifications, along with preexisting land cover datasets, were used to drive the correct placement of vegetation in the visualized landscape, providing an accurate representation of reality at various points in time. 3D Nature's Visual Nature Studio was used to construct a variety of realistic images and animations depicting forest cover change in two distinct ecological settings. Visualizations from Yellowstone National Park focused on the dramatic impact of the 1988 fire upon the lodgepole pine forest. For a study area in Kansas, visualization techniques were used to explore the continuous human‐land interactions impacting the eastern deciduous forest and tallgrass prairie ecotone between 1941 and 2002. The resulting products demonstrate the flexibility and effectiveness of visualizations for representing spatio‐temporal patterns such as changing forest cover. These geographic visualizations allow users to communicate findings and explore new hypotheses in a clear, concise and effective manner.     

频谱组合法中的椭球改正

本文首先讨论了频谱组合法中的椭球改正,推导了椭球改正的计算公式,并且在我国范围内进行了实际计算,最后得出了对于精化我国大地水准面有益的结论。     

估算混合植被叶绿素含量的理想波段分析

应用Lopex数据库评价了19个波谱指数对物种的敏感性, 分析了叶绿素含量与波谱反射率以及波谱导数的相关性, 目的在于探寻对叶绿素含量变化的敏感性, 对物种和叶片结构变化不敏感的理想波段, 应用大尺度遥感数据估算混合植被冠层叶绿素含量。分析结果表明：红边指数对混合植被的叶绿素含量具有较好的指示作用；估算冠层叶绿素含量的理想波段为698—710nm附近较窄的波段范围；对于波谱导数, 估算混合植被叶绿素含量的理想波段范围为720—735nm和535—550nm附近波谱导数。     

地物波谱研究现状及方法的初步探讨

地物波谱特性是遥感技术应用的物理基础,是遥感定量分析的基础,地物波谱研究是遥感基础研究的重要内容。文中阐述了几种典型地物的波谱特征,介绍了测量方法及影响因素,并对国内外波谱数据库建设现状作了描述和分析,系统总结了前人研究成果后对地物波谱研究的发展方向提出了构想。     

基于高光谱卫星遥感数据的UPDM分析方法

提出了一种用于处理多高光谱卫星数据的UPDM分析方法。研究结果证明．该方法应用干Landsat／TM(ETM^-)、Terra／MODIS和ADEOS—II／GLI等高光谱卫星传感器时．光谱重构均方根误差小于0．029适用于研究高光谱卫星遥感数据。     

基于层次密度分析的遥感影像分割方法

传统的全局性密度分析指标往往无法适应局部集群分布特征,提出一种新的层次密度分析方法,达到自适应遥感影像分割的目的,取得了较好效果.     

全张量重力梯度数据的谱表示方法

在文献「１」的基础上,进一步研究全张量重力梯度数据的全局和局部分量的广义球谐谱表示和轨道根数据表示,并给出了广义球谐函数与球谐函数这间的关系,从理论上得到了全张量重力梯度数据的描述方法和由全张量重力梯度网格数据恢复全球重力位谱系数的基本公式,本文对全张量重力梯度数据的谱表示和谱分析所做的工作,对由重力梯度张量的部分分量恢复全球重力位普系数有一定的参考价值。     

一种新的网目印刷光谱预测模型

在分析纽伦堡和克拉普光谱预测模型的基础上，提出了一种新的网目印刷光谱预测模型。实验结果表明，新光谱预测模型的光谱预测值与理想值的吻合度明显高于其他模型。     

水体光谱测量与分析Ⅰ：水面以上测量法

水色遥感的基础之一是水体光谱特征测量与分析。水体光谱特性包括两个方面 :表观光学特性(AOPs)和固有光学特征 (IOPs)。该文主要讨论与水色遥感基本参数直接相关的表观光学量的测量与分析。现场表观光谱的测量从方法上可分为两类 :剖面测量法和水表面以上测量法。两种方法相对独立 ,适用范围上具有互补性。该文主要针对水面以上测量法进行讨论。水色遥感一般要求表观光谱特性的测量必须能够导出离水辐射率LW、归一化离水辐射率LWN、遥感反射率Rrs、和刚好处于水面以下 0 -深度的辐照度比R等。国际上有关水色的测量规范中 ,仅有针对大洋一类水体的。中国的近岸水体和湖水绝大部分是二类水体 ,因此该文也将对二类水体光谱测量的有关参数化问题进行讨论。同时 ,对数据分析处理中的一些关键参数的确定 ,提出新方法