考虑目标光谱差异的机载离散激光雷达叶面积指数反演

利用间隙率模型反演LAI（Leaf Area Index），需要同时获取冠层间隙率和消光系数，后者与冠层叶倾角分布有关。基于点云数量构建激光雷达穿透指数LPI （LiDAR Penetration Index），用以代替冠层间隙率GF （Gap Fraction），并利用间隙率模型反演冠层LAI是利用LiDAR PCD（LiDAR Point Cloud Data）数据反演冠层LAI主要思路。冠层和背景的光谱差异是影响PCD数据中冠层和背景点云数量的重要因素，因此从LPI到GF的校正需要获取背景和冠层的后向散射系数比（μ=ρg/ρv）。本文基于PCD数据中点云强度进行μ值获取，用以实现LPI到GF的校正；在假设区域内叶倾角满足椭球形叶倾角分布的基础上，利用样地尺度下的多角度GF，采用有约束的非线性最优化方法获取椭球形叶倾角分布参数χ，实现冠层消光系数的获取；最后利用间隙率模型实现基于PCD数据的LAI反演。本文探讨了基于PCD数据进行冠层LAI反演时，样地尺度Rxy_Tile、样方尺度Rxy_Plot以及进行背景和冠层分割的高度阈值Ht对模型的影响。结果显示，由于区域内地衣植被广泛覆盖，基于点云强度的μ 值接近1，符合区域特点；经过μ值校正后的GF对冠层间隙率具有较好的反映能力（R2=0.78,RMSE=0.09）；对于优势种明显的区域，基于样地尺度内多角度GF的χ值反演受样地内冠间大间隙的影响，选择合适的样地尺度能够减小LAI反演过程中的系统性误差；结合地面参考数据，确定的最优Rxy_Tile、Rxy_Plot和Ht分别为950 m、10 m和2.6 m，在此基础上反演的LAI与地面测量数据具有高度的一致性（R2=0.84,RMSE=0.51）；与Rxy_Plot相比，基于间隙率模型的LAI反演对Ht的选择更为敏感。     

基于遥感数据的多年平均物候不确定性研究

多年平均物候能够反映植被生长发育节律的均衡状态，是植被物候模拟与预测的关键参数之一。遥感已广泛用于地表物候监测，是空间多年平均物候信息的重要来源。然而，基于遥感的多年平均物候存在不同计算方法，如先确定每年时序曲线的物候点再求平均值（平均法），以及先求多年平均时序曲线再确定物候点（参考曲线法）。上述方法的结果可能存在差异，但目前尚缺乏对这一不确定性及其影响的认识。针对该问题，本研究利用2001年—2016年遥感植被指数数据，分别在平均法和参考曲线法下提取中国森林生长季起始时间的多年平均值（SOSˉ），比较SOSˉ的差异（△SOSˉ）及其空间异质性；进一步选取物候研究中常用指标，即以SOSˉ为基础的温度“季前时长PD（Preseason Duration）”，分析SOSˉ不同计算方法对物候—气候关系的潜在影响。结果表明，（1）不同方法下的SOSˉ差异显著，总体上平均法小于参考曲线法（-2.6±2.2 d，占88%），其中存在8.0%和6.0%的有效像元其动态平均法和固定平均法小于参考曲线法超过7 d，主要分布在东南丘陵地区。（2）△SOSˉ具有显著的空间异质性，主要表现为随年均温的升高而减小（Slope=0.07 d/℃，P<0.01），随年均降水的增加而增大（Slope=-0.0005 d/mm，P<0.01）。（3）不同方法下的PD存在差异，约40%有效像元的差异（△PD）超过5 d（其中近50%的像元△PD超过15 d），主要分布在东南丘陵和西南山区。研究结果将为遥感地表物候的模型空间参数化应用提供有益参考。     

基于垂直订正和湿度订正方法估算川渝地区逐小时PM2.5

针对PM_2.5污染比较严重的川渝地区，本研究利用日本静止葵花卫星（Himawari-8）反演的气溶胶光学厚度（AOD）进行垂直订正和湿度订正估算川渝地区2017年—2018年09：00—16：00时的PM_2.5浓度。首先，基于气象观测的能见度（vis）数据与消光系数σa(λ)之间的关系，引入“标高（Ha）”对气溶胶光学厚度进行垂直订正；其次，根据匹配的气象和环境监测数据对每一个站点逐一拟合1—12月份的吸湿增长因子，并采用反距离加权空间插值（IDW）方法构建吸湿订正因子网格，从而进行湿度订正估算。研究结果表明，经垂直订正和湿度订正后，相比AOD与PM_2.5之间的相关性，“干”消光系数σdry与PM_2.5的相关性显著提高，相关系数（r）由0.12—0.45提高至0.32—0.69；验证09：00至16：00时卫星估算结果，相关系数（r）均大于0.7，均方根误差（RMSE）为18.59±2.26 μg/m³；提取所有观测站点进行验证，r=0.82，RMSE=18.64 μg/m³。     

SAR与光学遥感影像的玉米秸秆覆盖度估算

秸秆是农田生态系统的重要组成部分。秸秆覆盖度（CRC）的遥感估算可以大范围、快速地获取地面秸秆覆盖信息，对保护性耕作的推广具有十分重要的意义。基于Sentinel-1 SAR影像和Sentinel-2光学影像分别构建了雷达指数与光学遥感指数，结合吉林省梨树县春秋两期实地采样数据，探究遥感指数与玉米秸秆覆盖度的相关性。为进一步提升玉米秸秆覆盖度的估算精度，结合雷达指数与光学遥感指数，采用最优子集回归的方法建立玉米秸秆覆盖度的估算模型，完成研究区的玉米秸秆覆盖度估算制图。结果表明：土壤质地分区建模可有效解决土壤异质性问题，提升反演精度。各遥感指数在秋季高覆盖时期的表现均优于春季低覆盖时期。STI和NDTI指数在光学遥感指数中表现最好，R²分别为0.701和0.697，而在雷达指数中，基于余弦矫正法的γVH0指数与实测CRC的相关性最高，R²为0.564。结合雷达指数与光学遥感指数能够有效地提高秸秆覆盖度估算精度，在最优子集回归法下基于结合指数构建的回归模型最优，R²为0.799，RMSE为13.67%，达到了较高的精度。研究结果为秸秆覆盖度估算的精度提升提供了一种新思路。     

组合表面Bragg散射模型共极化SAR海表面风速反演

组合表面布拉格散射模型CSBS（Composite Surface Bragg Scattering）由布拉格（Bragg）散射模型和几何光学模型组成，是海洋微波散射的经典模型，可用于星载合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar）海表面风场反演。研究指出，Bragg散射模型仅适用于中等入射角条件，几何光学模型则更适用于小入射角情形。然而，如何确定中等和小入射角的阈值，即CSBS模型最优入射角的选取目前尚无定论。基于142景成像于美国东西海岸和中国东海的RADARSAT-2精细四极化SAR影像数据和海洋浮标数据，本文提出了一种最优局地入射角查找算法，分别对VV和HH极化SAR数据进行最优入射角阈值的选取。结果显示，局地入射角14°和16°分别为VV和HH极化影像CSBS模型反演风速最优入射角。基于最优入射角的选取，本文在0—15 m/s海况区间内利用CSBS模型对VV和HH极化SAR影像开展风速反演实验，并将反演风速与浮标风速进行对比。结果显示，基于VV和HH极化数据的CSBS模型反演风速与浮标风速均方根误差分别为2.15 m/s和2.32 m/s，相关系数分别为0.79和0.75，两者具有良好的一致性。本文研究结论表明基于最优入射角设置后的CSBS模型在海面风速小于15 m/s条件下具有良好的应用性，后续研究将更加关注CSBS模型在高海况以及交叉极化SAR数据情况下的应用。     

Dense RFB和LSTM遥感图像舰船目标检测

针对当前遥感图像舰船目标检测精度不佳问题，本文构建舰船目标数据集STAR，提出基于Dense RFB和LSTM多尺度舰船目标检测算法。该算法首先在SSD网络基础上设计了浅层特征增强模块，基于人眼视点图采用Dense RFB特征复用和膨胀卷积增大感受野的尺度和种类，增强浅层网络对细节特征的提取能力；其次设计了深层多尺度特征金字塔融合模块，采用FPN和LSTM思想，基于反卷积和残差网络对深层不同尺度特征进行融合，增强网络结构非线性和特征层的表征能力；最后加入聚焦分类损失函数进行联合训练，有效避免了正负样本失衡问题。在遥感图像舰船数据集上实验，本文所提舰船目标检测算法精度均值达到81.98%，检测速度达到29.6帧/s。此外，遥感图像中成像模糊、被遮挡、部分被裁剪等舰船目标的检测效果也优于原有经典算法，实验结果表明该算法对遥感图像舰船目标检测的泛化能力较强，有效地提高了遥感图像舰船目标检测的精度。     

混合稀疏表示模型的超分辨率重建

超分辨率重建是当前卫星遥感数据空间分辨率提升的重要技术，但目前现有的超分辨率重建方法在处理具有复杂地物特征的影像时效果往往不佳。当遥感影像中包含有各种非均匀地物信息时，难以构建一种通用的模型来解决遥感影像的病态问题。基于此，本文结合图像稀疏表达与非凸高阶全变分理论，提出了一种混合稀疏表示模型的新型超分辨率重建方法（MSR-SRR）。这种方法以遥感图像在多重变换域的稀疏性表达作为先验概率模型，通过正则化方法来完成超分辨率重构，不仅保留了超分重建结果影像的边缘信息，而且对影像中产生的“阶梯效应”进行了适当的平滑处理。该方法利用迭代重加权l1交替方向乘子方法进行求解，提高了算法的运行效率，改善了影像质量。为了证明所提出方法的有效性，MSR-SRR结果与非均匀插值、POCS和IBP等传统超分方法的重建结果进行了对比验证。结果表明，MSR-SRR方法的图像清晰度平均提升了31.74%，PSFs半峰宽度最大，高斯方差值达到1.8415，效果明显优于其他方法。为进一步评估MSR-SRR结果的实用性，本文以高分四号卫星（GF-4）影像作为样例，利用支持向量机（SVM）分类方法对超分重建前后的影像进行了分类试验和精度验证。结果表明，超分辨率重建后的影像结果相对于原始影像的分类结果，Kappa系数提升了9.7%，OA值提升了5.96%。这表明MSR-SRR方法可以有效提升影像清晰度，丰富影像纹理细节，增强图像质量，有效提升影像分类精度。     

“一带一路”沿线国家1992年—2015年土地覆盖变化的时空格局及其驱动力分析

土地覆盖变化影响局域的能源和水平衡，并在全球范围内促进碳的净排放。基于欧空局气候变化倡议项目最新发布的1992年—2015年300 m分辨率的全球土地覆盖数据集，本文分析了1992年—2015年“一带一路”沿线主要土地覆盖类型变化的时空特征及其驱动力。研究结果表明：1992年—2015年沿线耕地、草地和建设用地面积分别增加190.00×10³ km²、57.97×10³ km²和260.39×10³ km²，森林、灌木、湿地和水体面积分别减少61.14×10³ km²、34.22×10³ km²、74.28×10³ km²和44.41×10³ km²。2000年—2015年与1992年—2000年相比，沿线土地覆盖变化的区域空间格局基本一致，但区域变化呈现了新的特征。东南亚区建设用地扩张明显加速，耕地面积增速下降，森林面积减速上升，灌木面积减速下降明显；东亚区建设用地持续高速扩张，耕地面积持续减少，森林面积减速明显下降，草地面积持续增加；中东欧区建设用地扩张速度明显下降，耕地面积减速上升；俄罗斯建设用地扩张持续缓慢，森林面积稳中有升，草地和灌木面积增速下降。分析进一步显示人口增长、气候变化、社会经济发展和政府相关政策是造成沿线国家土地覆盖变化的主要驱动因素。     

超体素约简和谱聚类结合的机载LiDAR点云单木分割

为提高机载LiDAR点云数据的单木分割精度和效率，本文提出了一种基于Nystr?m的谱聚类算法。该算法基于谱聚类方法，同时引入了mean shift体素化和Nystr?m方法，在保持谱聚类算法优越表现的同时，大幅降低了谱聚类算法的空间和时间复杂度。首先，用mean shift方法将点云数据转换到体素空间以合理压缩数据量，使用带有体素权重的高斯相似度函数在体素空间中构造相似图。然后，使用Nystr?m方法计算相似度矩阵的近似特征向量和特征值。接下来，使用K-means方法在特征空间中进行聚类，并将结果映射回原始点集以获得单木的聚类点。最后，直接从单木聚类中获取单木参数。在黑龙江省孟家岗林场的实验结果表明：本算法有效改进了谱聚类算法，以牺牲5%的分割精度为代价将分割效率提升了约96倍；与K-means方法相比，本算法在分割精度和计算效率方面均表现更优；从分割结果中提取的树高参数具有较高的精度，R2和RMSE值分别为0.86和1.62 m。本文提出的基于Nystr?m的谱聚类算法是一种有效的机载LiDAR点云分割方法，可以用来进行单木点云分割和单木因子提取。     

红外焦平面探测器信息获取与预处理电路设计

针对中国科学院上海技术物理研究所研制的1500元红外线列焦平面探测器的输出特性,提出了以低噪声运放为核心的信息获取电路和以FPGA(Field Programmable Gate Array)为核心的数据预处理的设计方案,实现了驱动电路和探测器的良好匹配,较好地发挥了探测器高灵敏度的特性.测试结果表明,该方案不仅对系统获得优于50 mK噪声等效温差的高灵敏度成像起到了重要作用,足够宽的量化设计还保证了系统的动态范围和图像的丰富层次.该设计方案已成功应用在一些其他类型的红外焦平面探测器中.     

HY-1A卫星COCTS数据条带消除的两种定量化方法比较

HY-1A卫星是中国第一颗海洋遥感卫星,水色水温扫描仪(COCTS)是其主要探测器。由于各探测单元的信号响应特性不同,导致COCTS数据含有大量条带噪声。这严重影响了图像的质量和可视性,对资料的定量化应用也是十分不利的。为了解决这个问题,本研究采用矩匹配及直方图匹配法,对COCTS数据进行条带消除。结果表明,两种方法都是有效的,能够在消除条带的同时保持数据原有的物理意义,并避免细节特征的丢失。但是从整体效果看,直方图匹配法更好一些。本研究的结果同样适用于其他以并扫方式获取数据的遥感器的条带消除。     

热红外遥感器温度灵敏度提升手段简析

热红外遥感器主要使用遥感手段感应地物热红外辐射信息,可用于识别地物和反演地表温度参数。由于热红外遥感器在夜间的工作工作能力优于可见光,且环境适应性好,已广泛应用于资源调查、生态环境监测、灾害评估以及军事目标探测识别等领域。随着工程应用及科学研究的不断深入,提升热红外遥感器的探测灵敏度需求日益迫切。热红外遥感器的温度灵敏度与遥感器自身收集目标能量的能力和遥感器系统噪声特性相关。其中,遥感器系统噪声由光子噪声（景物辐射和遥感器本体背景辐射共同到达焦平面处的光子的波动）、探测器组件噪声、电路噪声共同组成。在成像谱段、积分时间、探测器及视频电路参数固定的条件下,光学系统降温能够减小其自身背景辐射,降低光子噪声,提升系统的温度灵敏度。本文通过仿真分析量化了光学系统辐射与光路设计、光学系统工作温度以及探测器冷屏设置的关系,并以某热红外遥感器为例验证了光学系统温度对热红外遥感器温度灵敏度的影响。文中的仿真分析方法和验证情况对于热红外遥感器的设计研制有参考意义。     

中国海洋卫星及应用进展

中国十分重视海洋遥感及其监测技术的发展,初步形成了具有优势互补的海洋遥感观测体系,并发挥了显著的经济和社会效益。其中,海洋一号(HY-1A/B)卫星已经广泛应用于中国海温预报业务系统、冬季海冰业务监测、夏季赤潮和绿潮监测、海岸带动态变化监测、近岸海水水质监测和渔业遥感监测等方面。海洋二号(HY-2A)卫星不仅填补了中国海洋动力环境卫星遥感的空白,也是目前国际上唯一在轨运行的集主被动微波遥感器于一身的综合型海洋动力环境卫星,具备同时获取风场、有效波高、海面高度和海面温度的能力。通过卫星获得的数据提高了中国海洋环境监测与灾害性海况预报的水平,为国民经济建设和国防建设、海洋科学研究、全球变化研究等提供了可靠的遥感数据,同时还在国际对地观测体系中发挥了重要作用,受到国内外用户的高度认可。海洋一号和海洋二号卫星系列为中国建立完善的海洋环境立体监测体系奠定了坚实基础。根据国家发展和"一带一路"建设的实施,在加快建设海洋强国、维护海洋权益和加快发展海洋经济的进程中对海洋遥感的发展也进一步提出了更高的要求和更紧迫的需求。为此,紧紧围绕国家海洋强国战略需求,在《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015年—2025年)》中专门规划了海洋观测卫星系列,服务于中国的海洋资源开发、环境保护、防灾减灾、权益维护、海域使用管理、海岛海岸带调查和极地大洋考察等方面,同时兼顾陆地和大气观测领域的需求。在充分继承已有HY-1A/B、HY-2A、高分三号(GF-3)和中法海洋卫星(CFOSAT)成功研制经验和应用成果的基础上,发展多种光学和微波遥感技术,建设新一代的海洋水色卫星和海洋动力环境卫星,具备卫星组网观测能力;发展海洋监视监测卫星,构建优势互补的海洋卫星综合观测体系。通过空间基础设施的建设,海洋遥感卫星必将在建设海洋强国的进程中发挥出重要作用。     

SeaWiFS与HY-1卫星COCTS的系统交叉辐射校正

海洋一号(HY-1)卫星是中国第一颗海洋环境遥感卫星。由于卫星上没有太阳定标装置,而且其上搭载的水色水温扫描仪(COCTS)一直存在漂移的问题,所以必须不断对其进行辐射校正,所述内容就是其辐射校正方法之一。美国宽视场水色扫描仪(SeaW iFS)提供了高精度的水色数据,如一类水体上的离水辐亮度及叶绿素浓度等被国际水色遥感界作为参照的基准。以SeaW iFS反演的归一化离水辐亮度和气溶胶参数对COCTS遥感器的辐射校正系数进行了系统校正。该方法可以对COCTS的定标系数进行长期监测。结果表明,校正后的COCTS水色数据产品精度得到了很大的提高。     

FY-3C微波成像仪海面温度产品算法及精度检验

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。     

海洋目标的HY-2A卫星微波散射计在轨辐射定标研究

HY-2A卫星微波散射计主要用于测量海表面的风速和风向,为了满足其风速和风向的测量精度要求,必须对其进行在轨辐射定标。本文基于散射计在开阔大洋的观测数据,利用经过定标的seawinds散射计后向散射系数数据,分析了海洋目标定标法的定标精度,结果表明定标精度可以达到0.15 dB,且模式函数对定标结果的影响为系统偏差,说明海洋目标定标法需要选用高精度的模式函数。然后,采用相同的海洋目标定标算法,实现了HY-2A卫星微波散射计的在轨辐射定标,获得HY-2A卫星微波散射计VV极化的定标系数为-1.79 dB,HH极化的定标系数为-1.73 dB。最后,利用NDBC浮标观测数据,检验HY-2A卫星微波散射计反演的风矢量精度,证明获得的定标系数可以明显提高HY-2A卫星微波散射计反演风矢量的精度。     

卫星海洋水色遥感信息特征量的研究

首先从卫星海洋水色遥感机理出发,提出了水色遥感信息的两个特征量──归一化反照率（Ａｌｂｅｄｏ）和辐射信噪比（ＳＮＲ）。其次,针对中国“九五”期间计划发射的海洋水色卫星的轨道参数和安装在卫星上的水色扫描仪（ＣＯＣＴＳ）水色通道为对象,上中国海区为遥感目标,通过两个特征量的模拟计算结果,进行了大洋和沿岸两类不同水体信息特征量的比较。最后,研究了信息特征量的时间和空间响应。研究的结果为中国计划发射的海洋水色卫星图像质量预测和应用潜力的评估提供了一定的科学依据。     

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.     

Gravitational perturbation theory for intersatellite tracking

 An analytical gravitational perturbation theory for the intersatellite tracking range and range-rate measurement between two satellites is developed. The satellite-to-satellite tracking (SST) range data measure the difference between the position perturbations of two satellites along the direction of the intersatellite range. The SST range-rate data measure the difference between the velocity perturbations along the direction of the intersatellite range, and the difference of the position perturbation along the direction perpendicular to the intersatellite range (cross-range). The SST range and range rate depend on different orbital excitations for mapping the gravity field. For the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), approximately 97% of the geopotential coefficient pairs produce perturbations with a root-mean-square larger than 1 m on the range and 0.1 m/sec on the range rate based on the EGM96 gravity field truncated at degree and order 140. Results in this study showed that ocean tides produce significant perturbations in the range and range-rate measurements. An ocean tide field with a higher degree and order (>70) is required to model the ocean tide perturbations on the intersatellite range and range-rate measurement. Received: 17 May 2000 / Accepted: 3 September 2001