考虑边界区域的地表覆盖分类精度评价方法

地表覆盖作为地表状况的直接反映,与全球物质能量循环、气候变化以及人类社会经济活动等密切相关.地表覆盖分类数据通常利用遥感图像进行分类得到,其数据质量对全球环境监测及其变化研究与决策支持等过程有重要的影响.因此,对分类结果进行精度评估是地表覆盖分类的重要步骤.由于影像上不同地物类型边界处往往存在较多的混合像元,使得分类时处于边界处的像元分类精度相对低于内部像元,直接导致了类内自身的分类精度异质性增大,分类精度评估的不稳定性也随之增大.本文基于传统的分层抽样(stratified sampling,SS),提出了一种考虑边界区域的分层抽样方法(stratified sampling considering edges,SSCE).理论推导及实验结果表明,SSCE对总体精度(overall accuracy,OA)和kappa估计的准确性和稳定性均优于SS方法,主要结论为:在样本点总数较少的情况下,SSCE对分类精度估计的准确性高于SS方法;在相同的容许误差下,SSCE方法所需的样本数小于SS方法;分类图像中类内边界区域与内部区域分类精度的差异越大、其面积比例越均衡,SSCE方法越能准确地进行精度估计.因此,本文提出的SSCE方法能够以更少的样本获取代价、更高的准确性和稳定性对地表覆盖数据进行分类精度的评估.     

顾及多元知识的GlobeLand30检核优化模型

综合运用自然、生态和人文等多元知识辅助计算机遥感自动分类,确保大区域地表覆盖遥感数据产品质量是多年来国际上致力于解决的科技难题.在全球30m地表覆盖遥感数据产品GlobeLand30的研制过程中,作者提出了一种顾及多元知识的检核优化模型,对基于"像元-对象"的遥感自动分类结果进行知识化检核,发现和修改错分/漏分问题.首先归纳总结全球地表覆盖分布相关的先验知识,凝练出有关地表覆盖的地域地形分布规律、时间连续性和空间关系等质量检核知识规则;继而发展了基于网络化服务平台的交互式协同检核技术,辅助发现与定位分类异常区域,并依据各类别最小图斑规定判定错分/漏分,进而标注和发布错误信息,供研制人员用于修改优化.以林灌草和裸地数据为例,抽取10%的图幅,进行优化前后的分类精度对比分析,得知质量明显改善,精度提高最多达到17.47%.运用该模型,对GlobeLand30数据进行了逐类检核与优化处理,有效地减少了错漏分问题,2010期产品的总体精度达到83.50%.这一模型还可用于其他全球或区域的地表覆盖数据产品研制.     

基于居民点密度的人口空间化及在四川九寨沟7.0级地震中的应用

采用核密度估计法得到甘肃省村级居民点密度后,运用基于居民点密度的人口密度空间化计算公式获得甘肃省1 000m×1 000m的人口密度空间格网图。经检验,格网化结果达到了较高的精度,可满足防震减灾工作对高精度人口分布信息的需求。以四川九寨沟7.0级地震甘肃境内Ⅵ度区为例,利用ArcGIS空间分析功能,将格网人口数据和统计单元人口数据分别与地震烈度进行叠加,对比受灾人口估算结果。研究结果表明,基于公里格网的受灾人口估算方法避免了行政区划分割造成的数据分配错误,能够合理反映行政单元内部的人口分布,从而保证灾情快速评估结果的实际性和有效性。     

全球30m分辨率人造地表遥感制图研究

伴随着全球人口增长与经济发展,城镇化进程预计将在全球范围内持续加速,而人造地表是城镇化在地表覆盖上的直接体现.一方面,人造地表的扩张为工业生产、经济活动、人员居住等提供合适的场地;另一方面,人造地表深刻改变了地球的自然表面,进而影响地表热量交换、水文过程以及生态系统等自然过程.因此,对全球人造地表进行精确制图对于自然科学与社会科学等相关领域研究都具有重要意义.本研究以全球2000与2010年两个基准年的30m分辨率遥感影像为基础,完成了全球两期30m分辨率的人造地表制图任务.首先,根据人造地表的地理内涵与30m分辨率影像上提取的可行性,从斑块层面上提出适用于该尺度的人造地表定义;其次,考虑到人造地表的光谱复杂性与空间异质性,对现有像素级分类与对象级分割技术进行组合,以实现较高精度的人造地表斑块提取;最后,通过人工编辑与质量控制的手段,进一步保证全球范围内的人造地表制图精度.独立精度评价结果显示,该地表覆盖分类产品的用户精度达到80%以上.可以认为,该套产品是目前全球尺度上,人造地表或相关地表覆盖类型产品中分辨率与精度都最高的分类成果.该数据将为开展全球城镇时空格局分析、生态环境健康诊断等相关研究工作提供重要的基础数据.     

面向地震应急的人口空间化方法研究——以云南省大理白族自治州为例

为提高震后受灾人口估算精度和灾区人口空间分布可视化表达效果,以云南省大理州为研究区,结合FROM-GLC10地表覆盖数据和NPP/VIIRS夜间灯光数据,基于乡镇人口统计数据,展开人口空间化方法研究,制作了大理州50 m×50 m人口格网数据。使用相关系数、相对误差和平均相对误差对人口模拟结果进行了检验,以漾濞5.1级地震和云龙5.0级地震为例对模拟结果进行了应用分析。结果表明:①结合FROM-GLC10地表覆盖数据和NPP/VIIRS夜间灯光数据的人口空间化可以有效提取人口空间分布范围,并区分人口空间分布的差异性;②乡镇模拟人口与实际统计人口的相关系数R~2为0.955,平均相对误差为14.306%,82%的乡镇相对误差在±20%以内,人口模拟数据精度较高;③2次地震的灾区人口模拟数据与实际统计数据的相对误差分别为-1.67%和-2.27%,人口空间分布模拟结果可以直观反映灾区人口分布情况,研究成果可为震后辅助决策提供数据支持。     

一种新的高精度全球对流层天顶延迟模型

对流层延迟是影响高精度卫星导航定位的关键因素,也是大气科学研究的重要数据.针对已有全球对流层延迟模型的模型方程未同时顾及高程、纬度和季节变化以及模型构建时仅使用单一格网点数据等问题,本文提出了一种对流层天顶延迟(ZTD)全球模型构建的新方法,即引入滑动窗口算法将全球剖分为大小一致的规则窗口,利用2008—2015年全球大地观测系统(GGOS)大气格网产品构建每个窗口同时顾及高程、纬度和季节因子的全球ZTD新模型(GGZTD模型).联合未参与建模的2016年全球GGOS格网产品和2016年全球316个IGS站精密ZTD产品,检验了GGZTD模型的精度和适用性.结果表明:以GGOS大气格网ZTD产品和IGS站ZTD产品为参考值,GGZTD模型在全球的精度分别为3.58 cm和3.62 cm,相对于UNB3m模型和目前标称精度最优的GPT2w模型计算的ZTD信息,GGZTD模型在全球表现出了最优的精度和稳定性,其精度相对于UNB3m模型具有显著的提升(精度提高了30%以上),相对于GPT2w模型仍具有一定的改善;在ZTD计算时GGZTD模型相对于GPT2w模型显著地减少了模型参数,尤其相对于GPT2w-1(减少了99%).GGZTD模型只需输入位置与时间和依赖相对较少的模型参数则能在全球获得高精度和稳定的ZTD信息,极大地提升了模型的计算效率.     

基于时空双变网格的起伏地表变坐标系正演模拟方法（英文）

坐标变换法通过将物理空间的曲网格映射为计算空间的矩形网格,将起伏地表转化为水平地表,同时将物理空间的波动方程转化为计算空间的波动方程,在计算空间完成数值模拟,坐标变换的方法对处理起伏自由边界具有较好的适应性和应用效果。本文在传统坐标变换方法的基础上,根据计算区域速度差异采用不同的网格大小和采样时间步长,提出了一种基于时空双变网格的起伏地表坐标变换正演模拟方法。在编程实现算法的基础上,通过典型模型波场模拟试算结果分析可知:(1)变网格方法与常规方法波场模拟误差在0.5%左右;(2)变网格方法计算效率视不同的变网格区域面积及变网格大小可提高几倍量级,在本文模型和计算参数下提高约5倍。(3)在满足模拟精度及频散条件要求下,变网格方法较全局细网格算法能显著节约计算内存。为此,针对起伏地表数值模拟,本文方法具有较高的模拟计算精度和一定的适应性。     

澜沧江流域糯扎渡水库消落带植被的物种组成、空间分布特征及地形解释

澜沧江最大梯级水库——糯扎渡水库运行之后,消落带许多原有植被物种被淹消亡,造成大面积次生裸地以及严重水土流失现象.消落带植被亟待生态修复,但缺乏基本数据支撑和参考.2020年7月,基于轻型无人机支持下的3S技术,结合现场调研,采用神经网络模型、空间叠加分析、景观格局指数以及典型相关性分析等方法,提取了糯扎渡水库典型消落带植被分类图及地形数据,定量分析了研究区本土物种组成、面积、覆盖率、分布特征、景观空间格局及地形解释.结果显示,研究区消落带植被覆盖率达74.13%,涵盖18种植物,物种数量仅占蓄水前的18.9%,原生植物仅剩飞机草（Chromolaena odorata）存活,物种组成趋于简单,以一年生草本和多年生草本为主,分别占比55.56%、33.33%,菊科占据优势,苍耳（Xanthium sibiricum）、狗牙根（Cynodon dactylon）、牛筋草（Eleusine indica）和藿香蓟（Ageratum conyzoides）为主要优势物种,分别占比47.41%、29.39%、9.37%和4.56%,可作为生态修复备选物种.地形因子对消落带植被影响大小：高程>地表起伏度>水体距离>坡度>地形湿度指数>坡向.研究区优势植物均呈聚集分布,消落带中下部、上部分别以苍耳和狗牙根斑块为主导,苍耳和狗牙根在斑块优势度、连通性以及形状复杂性方面均远大于牛筋草和藿香蓟,表现出了较强的生存潜力.苍耳在地表起伏度0~1.26 m区段覆盖良好,狗牙根、牛筋草在地表起伏度0.78~2.07 m区段覆盖良好,当地表起伏度>2.07 m,植被生长困难.植被景观格局的破碎化程度、斑块形状复杂性分别与地表起伏度呈正相关、负相关,即地表起伏度越大导致植被景观格局越破碎和斑块形状越简单,进而导致种群生存力减弱.     

1974-2017年洪湖湿地自然保护区景观格局演变及驱动力分析

利用Landsat系列遥感影像数据（1974、1979、1984、1990、1996、2001、2006、2009、2014和2017年）解译得到的土地利用/土地覆盖变化（LUCC）结合研究区44年的气温、降水量、水位等气象水文数据,构建LUCC经验统计模型和计算景观格局指数,探讨1974-2017年洪湖国家级自然保护区景观格局变化的主要驱动因素.研究结果表明：土地利用强度指数由1974年的207增加到2017年的249.36,人类开发利用湖滨带的程度增强,到2017年约有30%的自然湿地转化为坑塘、农田和滩地及建设用地.不同地表覆盖类型的景观格局指数均发生了较大变化,2000年以后湖滨带逐渐形成了以养殖为主的低矮围景观.总体上景观趋于破碎化、连通性降低、稳定性变弱.洪湖湿地自然保护区土地利用强度指数与景观格局综合指数呈较显著的正相关,两者的相关系数为0.84,土地利用强度增加则景观更加破碎、斑块之间的连接程度减弱、区域的景观聚集度下降和景观异质性增加.总体而言,洪湖湿地自然保护区受人为干扰影响明显,开展封湖育草自然恢复与建立植被恢复示范区相结合,构建自湖滨至湖心的梯度变化完整的湿生植被-挺水植被-漂浮植被-浮叶植被-沉水植被的水生植物群落,退耕还草、退垸还湖、修复湖滨带植被,大幅度提高洪湖的自净能力,增加其水生植物多样性,实现湿地的有效修复,改善其结构和功能,维系洪湖湿地生态系统的平衡.     

顾及空间相关性的遥感震害指数与地震烈度回归模型研究

传统的遥感烈度评估方法,采用普通最小二乘法来建立遥感震害指数与地面等效震害指数之间的关系,再经过地面等效震害指数转化为地震烈度,忽略了数据之间的空间相关性。为使结果更加准确,本研究通过建立顾及空间相关性的遥感震害指数与地震烈度的回归关系,并以"四川芦山7.0级地震"为例进行实验验证,结果证实顾及空间相关性的回归模型的稳定性和准确性优于普通线性回归模型。     

区域航磁资料在预测松辽盆地北部区域地温场中的应用

分析了应用区域航磁资料研究区域地温场的方法,提出了在探井井温资料控制下采用指数形式的方法计算地温梯度,并建立起居里深度与近地表地温梯度、指数因子的关系,给出了求取近地表地温梯度、指数因子的方法及公式,推导了不同深度地温及平均地温梯度的计算公式.通过对松辽盆地北部区域地温场计算结果分析认为,应用区测航磁资料结合一定数量的井温资料可较好地预测区域地温场,为盆地评价提供较为可靠的地温场资料.     

基于FY-3B/MWRI数据的青藏高原地区地表发射率反演

以青藏高原地区为研究区域,利用FY-3B/MWRI(Microwave Radiation Imager)一级亮温数据和NCEP(the National Centers for Environmental Prediction) FNL(Final)全球业务分析资料,通过简化的微波辐射传输方程反演了晴空大气条件下的地表微波发射率.进而根据IGBP(International Geosphere-Biosphere Program)陆表覆盖分类数据,进一步分析了青藏高原地区微波地表发射率的频谱和空间分布特征,并分析了反演误差的来源.结果表明:青藏高原地区微波地表发射率的空间分布、频谱特征都与地表覆盖类型分布特征高度吻合,呈现出西北部地表发射率极化差异大,东南部极化异差小的分布特征.本研究中地表发射率的反演误差主要来自降水像元判别方案、再分析资料的时空匹配.还需要进一步研究定量误差,以期提高反演精度,进而建立长时间序列的地表发射率数据库,为青藏高原地球物理参数的遥感反演提供数据支持.     

基于快速聚类方法的30m分辨率中国土地覆盖遥感制图

大范围遥感土地覆盖制图通常费时费力.本文采用一种基于特征空间变换的快速聚类方法(CBEST)对覆盖中国的508景Landsat Thematic Mapper(TM)影像进行土地覆盖制图.将中国划分为50个生态分区,每个生态分区内采用CBEST方法对TM影像进行快速聚类,CBEST平均聚类时间约为每2 min一景;通过对自动获得的光谱簇人工土地覆盖类型识别,归并光谱簇,绘制30 m空间分辨率的中国土地覆盖图,统计土地覆盖类型面积,生成主要土地覆盖类型专题图.采用2159个分布全国的验证样本对制图结果进行精度验证,得到总体精度为71.7%,Kappa系数为0.641.与当前两套全球地表覆盖产品(FROM-GLC和GlobCover 2009)的局部对比表明CBEST分类结果在各类型土地覆盖面积统计及视觉效果上存在优势.     

基于多源数据集成的多分辨率全球地表覆盖制图

全球地表覆盖数据产品(如地表覆盖,植被连续场)最高空间分辨率已达到30 m.不同领域的用户对于这些产品的精度和空间分辨率有着不同的需求.基于此,本文从制图精度和空间分辨率两方面对现有的30 m地表覆盖数据进行改进和分析.首先通过将两套30 m全球地表覆盖产品(FROM-GLC、FROM-GLC-seg(Segmentation))与两套粗分辨率全球产品(基于夜间灯光数据的不透水层NL-ISA、MODIS城市产品MODIS-urban)进行集成,生成了30 m分辨率的地表覆盖新产品FROM-GLC-agg(Aggregation).随后,采用了分辨率低于30 m的数据集(如MODIS地表覆盖产品MCD12Q1,全球地表覆盖产品GlobCover2009,MODIS水体掩模产品MOD44W等)对FROM-GLC-agg进行后处理以进一步消除类别混淆.经过多源数据合成的新地表覆盖数据产品中来自30 m分辨率全球地表覆盖产品的象元仍占98.9%.在此基础上,通过众数聚合和比例聚合这两种升尺度方法生成了8套粗分辨率(250 m,500 m,1 km,5km,10 km,25 km,50 km和100 km)全球地表覆盖数据集来满足不同应用的需求.通过基于混淆矩阵的精度比较表明FROM-GLC-agg的总体精度为65.51%,该精度显著优于先前的两套30 m地表覆盖产品.多源数据合成后的30 m分辨率数据以及升尺度处理后的250 m,500 m,1km分辨率数据的最高总体精度分别为69.50%,76.65%,74.60%和73.47%.对采用众数聚合法得到的不同分辨率下地表覆盖类型的面积偏差分析显示,当分辨率超过5 km时,大部分植被类型会有至少5%的面积偏差.因此,对于需要使用粗分辨率地表覆盖数据作为输入的用户,建议使用包含了准确地表覆盖类型占比的比例聚合数据.     

基于特征分区的建筑物数据空间化研究

针对现有基于多因素的建筑空间分布格网化模型未考虑建筑物空间分布异质性的问题,提出基于特征分区的建筑物数据空间化模型。以四川省雅安市为例,利用影响建筑物空间分布的因子进行建筑物特征一致性分区,选取土地利用、高程、坡度、坡向、河流距离、道路距离、地形起伏度7类影响因子,基于分区结果分别研究建筑物空间分布与各影响因子之间的关系,分区构建基于多因素的建筑物数据空间化模型,生成雅安市300 m格网建筑物空间分布数据。研究结果表明,分区构建的建筑物空间分布格网化模型有效提高了建筑物空间分布数据的精确度与准确性。     

基于Airy均衡理论的空间重力异常构建

为了满足高分辨率重力数据的需求,研究了基于Airy均衡理论构建空间重力异常的理论与方法,指出顾及地形位与均衡位影响的必要性,并详细分析了密度及补偿深度对计算结果的影响,给出了顾及计算效率的取舍建议.针对系统偏差较大的问题,给出了修正方案.某试验区计算结果表明,利用均衡理论构建的空间重力异常在10′分辨率控制点下能够达到10mGal精度.     

一个针对被动微波AMSR-E数据反演地表温度的物理统计算法

用MODIS的地表温度产品和AMSR-E不同通道之间的亮度温度回归分析表明用89GHzV 做地表温度反演主通道的精度最高. 用AIEM模型模拟表明, 土壤粗糙度和土壤水分变化引起土壤辐射率变化可以通过不同极化波段的差值得到有效的消除, 从而克服了被动微波反演地表温度中辐射率不稳定的困难. 通过回归系数分析表明, 不同的地表覆盖类型的辐射机制是不同的. 要精确地反演地表温度, 至少对地表分成三种覆盖类型, 即水覆盖的地表、雪覆盖的地表以及非雪和水覆盖的地表. 以MODIS地表温度产品作为评价标准, 物理统计方法的平均精度在2~3℃.     

一个非均匀密度分布的人口房屋格网数据模型

介绍了人口、房屋数据空间化的方法,以伊犁地区为例建立了一个符合非均匀密度分布的公里格网人口和房屋数据模型,并将其进行空间化,最后利用实地调查数据对结果进行了验证。通过数据检验,公里格网的人口密度数据、房屋密度数据客观地反映了伊犁地区统计单元内承灾体的空间分布,具有较高的精度,为地震应急救援和决策提供可靠的依据。     

曲线坐标系因式分解程函方程及其走时计算

地震波走时广泛应用于静校正、层析成像、Kirchhoff偏移成像、地震定位等研究.复杂地表条件是影响走时计算精度的重要因素.近年来,发展的曲线坐标系程函方程为精细刻画起伏地表条件下的地震波走时场特征提供了新的思路.然而,基于有限差分程函方程的求解方法不可避免地受到震源奇异性的影响,即震源附近波前的曲率较大,此时使用平面波近似假设的差分格式会导致较大误差.而震源误差会随着波前的传播到达整个计算区域,从而影响整个区域的求解精度.针对该问题,本文借鉴因式分解的思想,推导建立了曲线坐标系因式分解程函方程,并针对性地发展了其数值求解方法,从根源上解决了复杂模型走时计算中的震源奇异性问题.数值实例表明因式分解法能够有效降低震源误差,显著提高起伏地表走时计算的精度和效率,为起伏地表地震波走时计算提供更佳的选择,在复杂模型的地震资料处理中展现出广泛的应用前景.     

浅谈兰州市国情监测数据在国土三调中的作用

地理国情监测已进入常态化监测,数据成果已在多个领域发挥重要作用。甘肃省全国第三次土地调查于2018年全面启动,争取利用两年时间,全面掌握地类分布及利用状况。那么2017版地理国情监测数据中的地表覆盖分类数据作为现阶段最新、最全的地类数据,其现势性与分类精度完全达到三调精度。本文将结合兰州市地理国情监测数据探索地类转换的方法及经验。