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。     

光学与微波植被指数协同反演农作物叶面积指数的可行性分析

光学遥感是目前反演植被叶面积指数LAI（Leaf Area Index）的主要手段,但是当叶面积指数较大时存在光学遥感信息饱和、反演精度显著降低的问题。叶面积指数和平均叶倾角对光学、微波波段范围内反射和散射特性都有重要影响,主要表现在植被结构参数的变化可以引起冠层孔隙率和消光截面大小的改变。本文以典型农作物玉米为例,通过构建统一的PROSAIL和MIMICS模型输入参数,生成一套玉米全生长期光学二向反射率和全极化微波后向散射系数模拟库和冠层参数库。通过对模拟数据与LAI敏感性和相关性分析得出：（1）光学植被指数MNDVI_{(800 nm,2000 nm)},在LAI为0—3时敏感,基于MNDVI与LAI的回归模型可以估算LAI变化 0.4的情况,RMSE是0.33,R²是0.958。（2）微波植被指数SAR_{SRVI(1.4 GHz HH,9.6 GHz HV)},在LAI为3—6时敏感,基于SAR_SRVI与LAI的回归模型可以估算LAI变化1的情况,RMSE为0.22,R²是0.9839。研究表明,采用分段敏感的植被指数,协同光学和微波遥感反演玉米全生长期叶面积指数是可行的。     

全球海洋次表层温度异常遥感反演的季节时空变化特征

卫星遥感反演海洋内部多时相、大尺度热力结构信息对于了解海洋内部复杂、多维的动力过程有重要意义。本文采用随机森林回归模型，利用卫星遥感观测的海表参量（海表高度异常（SSHA）、海表温度异常（SSTA）、海表盐度异常（SSSA）和海表风场异常（SSWA）），反演不同季节、不同深度层位（1000 m深度以上）的海洋次表层温度异常（STA），并用Argo实测数据作精度验证，采用均方根误差（RMSE）、归一化均方根误差（NRMSE）以及决定系数（R²）评价模型在全球及洋盆尺度上的反演精度。结果显示，全球海洋16个深度层位的平均R²在春、夏、秋、冬四季分别为0.53、0.60、0.54、0.66，NRMSE分别为0.051、0.031、0.043、0.044。随着季节的变化，模型反演性能有所波动。模型在印度洋的反演效果最佳，不同季节、不同深度层位上的平均R²和RMSE分别为0.71和0.18 ℃，而大西洋的反演精度最低，平均R²和RMSE分别为0.46和0.25 ℃。研究表明随机森林模型适用于全球不同季节的STA遥感反演，且在不同洋盆上均有较好的反演效果；不同季节上，上层STA有明显变化信号，空间异质性显著，但300 m以深，STA信号较弱且基本不随季节变化。本研究可为长时序、大尺度海洋内部参量信息遥感反演与重建提供依据，有助于进一步发展深海遥感方法。     

利用Sentinel-2影像超分辨率重建的红树林冠层氮含量反演

氮素是植被整个生命周期的必要元素,红树林冠层氮素含量（CNC）遥感估算对红树林健康监测具有重要意义。以广东湛江高桥红树林保护区为研究区,本文旨在基于Sentinel-2影像超分辨率重建技术进行红树林CNC估算和空间制图。研究首先基于三次卷积重采样、Sen2Res和SupReMe算法实现Sentinel-2影像从20 m分辨率到10 m的重建;然后以重建后的影像和原始20 m影像为数据源构建40个相关植被指数,采用递归特征消除法（SVM-RFE）确定CNC估算的最优变量组合,进而构建CNC反演的核岭回归（KRR）模型;最后选取最优模型实现CNC制图。研究结果表明：基于Sen2Res和SupReMe超分辨率算法的重建影像不仅与原始影像具有很高的光谱一致性,且明显提高了影像的清晰度和空间细节。红树林CNC反演波段主要集中在红（B4）、红边（B5）、近红外波段（B8a）以及短波红外波段（B11和B12）,与“红边波段”相关的植被指数（RSSI和TCARIre1/OSAVI）也是红树林CNC反演的有效变量。基于3种方法重建后10 m的影像构建的模型反演精度（R²val>0.579）均优于原始20 m的影像（R²val=0.504）;基于Sen2Res算法重建影像构建的反演模型拟合精度（R²val=0.630,RMSE_val=5.133,RE_val=0.179）与基于三次卷积重采样重建影像的模型拟合精度（R²val=0.640,RMSE_val=5.064,RE_val=0.179）基本相当,前者模型验证精度（R²cv=0.497,RMSE_cv=5.985,RE_cv=0.214）较高且模型变量选择数量最为合理。综合重建影像光谱细节及模型精度,基于Sen2Res算法重建的Sentinel-2影像在红树林CNC估算中具有良好的应用潜力,能为区域尺度红树林冠层健康状况的精细监测提供有效的方法借鉴和数据支撑。     

O2-O2云反演算法及其在TROPOMI上的应用

利用遥感技术对大气环境污染进行监测时，云是影响痕量气体反演精度的重要因素，因此在痕量气体反演中需要对云的影响进行校正，通常使用的云参数主要是有效云量和云压。本文基于O₂-O₂ 477 nm吸收波段构建了O₂-O₂云反演算法：首先，根据有效云量和云高与连续反射率和O₂-O₂斜柱浓度之间的对应关系，结合假定的云模型利用VLIDORT辐射传输模型建立关于有效云量和云压的查找表；然后，通过差分吸收光谱技术拟合卫星载荷观测的大气层顶辐射，获得O₂-O₂斜柱浓度并计算连续反射率；最后，结合辅助数据，根据查找表进行插值反演获得有效云量和云压。通过将算法应用到OMI观测数据，将反演结果与OMCLDO2产品进行对比验证，有效云量和云压空间分布一致，相关系数R均超过0.97；并还将该算法应用于下一代大气成分监测仪器TROPOMI，与FRESCO+产品对比，有效云量和云压空间分布基本一致，当地表类型为海洋时，有效云量相关系数R大于0.97，云压相关系数R大于0.94，云压反演结果存在一定的区别；通过将O₂-O₂云反演算法和FRESCO+云压反演结果与CALIOP Cloud Layer产品进行对比，结果表明，在低云情况下，O₂-O₂云反演算法线性回归方程斜率为0.782，截距为198.0 hPa，相关系数R为0.850，算法表现优于FRESCO+。而在高云情况下，FRESCO+反演结果更接近CALIOP云压结果。在OMI和TROPOMI上的应用表明O₂-O₂云反演算法在大气云反演中具有较高的准确性和可行性，可以为大气痕量气体反演的校正提供云参数，并为中国同类型卫星载荷的云反演算法提供算法参考。     

中国南方森林冠顶高度Lidar反演—以江西省为例

激光雷达(Lidar)与光学遥感的有效结合对中国南方区域森林冠顶高度反演意义重大,而国产卫星将为中国森林生态研究提供新的数据源。本文联合利用大脚印激光雷达GLA和国产MERSI数据,在实现GLAS波形数据处理和不同地形条件下森林冠顶高度反演算法基础上,建立了区域尺度不同森林类型林分冠顶高度GLAS+MERSI联合反演关系模型,进行了江西地区森林冠顶高度反演。总体上,GLAS激光雷达森林冠顶高度估算精度较高;且在与MERSI 250 m数据的联合反演模型中,针叶林模型精度较好(R²=0.7325);阔叶林次之(R²=0.6095);混交林较差(R²=0.4068)。分析发现,考虑了光学遥感生物物理参数的GLAS+MERSI联合关系模型在区域森林冠顶高度估算中有较高精度,且在空间分布上与土地覆盖数据分布特征非常一致。     

机载激光雷达数据分析与反演青海云杉林结构信息

利用机载激光雷达点云数据,计算了9种度量指标,并将其分为冠层的高度指标、结构复杂度指标和覆盖度指标。利用高度指标和结构复杂度指标,结合大量实测单木结构与年龄估测数据,从样点和区域尺度分别分析了青海云杉林冠层垂直结构分布,分析得知实验区内主要以中龄林和成熟林为主,冠层垂直分布复杂程度偏低,高度分化程度一般。通过回归分析发现首次回波覆盖度指标FCI与实测的有效植被面积指数PAI_e有良好的相关性（R²=0.66）,在此基础上基于辐射传输模型反演了实验区内PAI_e的水平分布,且用实测数据验证发现反演的PAI_e略高于实测值（R²=0.67）,绝对平均误差为0.65。分析结果很好地反映了激光雷达在森林空间结构信息提取方面的应用潜力。     

基于高光谱曲线峰度、偏度的植被叶绿素含量反演模型研究

本文分析了高光谱反射率及红边位置与叶片绿度的相关性,建立了基于敏感波段和红边位置的叶绿素估算模型。通过对不同叶绿素含量高光谱曲线特征的分析,提出了基于高光谱曲线峰度和偏度的叶绿素估算新思路,并分别建立基于原始光谱560-760nm波段和一阶导数光谱660-760nm波段对应峰度、偏度的叶绿素反演模型。结果表明,法国梧桐、无花果和白毛杨基于敏感波段的叶绿素含量反演模型的拟合度,与传统估算模型相比,本文提出的新估算模型可以明显提高高光谱反演叶绿素含量的能力。     

基于WOFOST模型与UAV数据的玉米生长后期地上生物量估算

地上生物量能够有效反映作物的生长状态，其信息的实时估算对产量预测和农田生产管理都有重要意义。作物生长模型因其详尽的生理生化基础和对生长过程数字化描述能力，成为生物量估算的理想模型。近年来，研究人员利用数据同化算法将时间序列遥感数据同化到作物生长模型中，实现了作物模型由基于气象站的点模拟到区域尺度面模拟的外推，使生物量模拟结果同时具备大范围和机理性两个方面的特点。这一模式下，时间序列的遥感数据质量将对生物量模拟精度产生直接影响，作物生长后期受到光谱饱和的影响，遥感数据的作物冠层信息获取能力会出现明显下降，因此有必要对该阶段遥感数据和作物模型的结合方式进行优化，提升生物量模拟精度。本文针对东北地区春玉米生物量遥感估算存在的问题，提出了利用WOFOST作物模型结合无人机（UAV）遥感数据实现作物生长后期生物量准确估算的新思路。新思路首先利用多光谱遥感数据获取WOFOST模型具备较高空间异质性的土壤速效养分参数以提升模型的空间信息模拟能力，使其能在一定程度上摆脱点尺度模拟的限制。同时，结合集合卡尔曼滤波算法将生长前期无人机（UAV）遥感数据同化到模型中，以缩短模型单独运行时间，减少模型运行过程中的参数误差累积，实现无遥感数据参与下的短期作物生长模拟，并输出生长后期相应的生物量模拟结果。最后，本文利用地面实测数据对新方法的生物量模拟精度进行了评价。结果表明，与全生育期数据同化相比，新方法的生物量估算精度有了明显的提升（全生育期同化：R² = 0.45，RMSE = 4254.30 kg/ha；新方法：R²= 0.86，RMSE = 2216.79 kg/ha）。     

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.     

GIS在我国岩土工程中的应用

介绍国内GIS在岩土工程中的应用实例、应用范围及研究水平、发展方向。     

Advances in spaceborne hyperspectral remote sensing in China

With the maturation of satellite technology,Hyperspectral Remote Sensing(HRS)platforms have developed from the initial ground-based and airborne platforms into spaceborne plat-forms,which greatly promotes the civil application of HRS imagery in the fields of agriculture,forestry,and environmental monitoring.China is playing an important role in this evolution,especially in recent years,with the successful launch and operation of a series of civil hyper-spectral spacecraft and satellites,including the Shenzhou-3 spacecraft,the Gaofen-5 satellite,the SPARK satellite,the Zhuhai-1 satellite network for environmental and resources monitoring,the FengYun series of satellites for meteorological observation,and the Chang'E series of spacecraft for planetary exploration.The Chinese spaceborne HRS platforms have various new characteristics,such as the wide swath width,high spatial resolution,wide spectral range,hyperspectral satellite networks,and microsatellites.This paper focuses on the recent progress in Chinese spaceborne HRS,from the aspects of the typical satellite systems,the data processing,and the applications.In addition,the future development trends of HRS in China are also discussed and analyzed.     

洞庭湖区"冬陆夏水"区域变化研究

利用遥感与地理信息系统技术,提取1987,1998,2003和2008年4个时段洞庭湖"冬陆夏水"区域.运用改进归一化差异水体指数(MNDWI)的方法,提取丰水期和枯水期遥感图像的水体并相减,获得"冬陆夏水"区域,并对20年的"冬陆夏水"变化的面积进行监督分类.分析发现,研究区的"冬陆夏水"面积,从1987年到2008...     

多山地区输电通道内道路提取方法

准确提取输电通道内各地物类别是进行输电通道三维建模及交跨分析的基础。为解决目前贵州等多山地区输电通道内道路提取方法稳健性低、效率低的问题,本文通过结合道路特征显著性检测与形态约束的方法对影像中多山地区输电通道内道路的快速准确提取进行了研究。首先,对卫星影像中山区道路特征进行分析,对每个像素分别计算基于道路颜色一致性和结构一致性的像素级显著值;然后,结合显著目标空间先验知识融合显著性检测结果,形成最终道路显著图,初步提取影像中道路目标;最后,分析道路与建筑物等的差异性,基于道路形态一致性定义道路形态约束条件,通过制定约束规则最终实现道路的准确提取。结果表明,该方法对于不同弯曲程度、粘连程度及影像对比度的道路都能实现快速准确提取,提取完整度、正确率、质量及耗时平均分别为97.5%、97.0%、95.6%、0.515 s。该方法稳健性高,可以快速、准确提取各种情况下道路,在输电线路工程实际中有很好的应用前景。     

我国地球重力场研究的进展

概述了我国近年来在地球重力场研究方面所做的主要工作和取得的成果 ,包括 :① 2 0 0 0国家重力基本网的建立 ;②我国省市级局部大地水准面的精化 ;③卫星测高 ;④高阶地球重力场模型 ;⑤卫星重力探测技术。     

GZCORS在广州市某测区地形测量中的应用

本文介绍了广州市连续运行参与站系统(GZCORS)和广州市似大地水准面精化成果确立的广州市城市三维定位系统在地形图测量中的应用,并通过实例分析其精度。     

分布式仿真系统中环境场景的实时定位

分布式仿真系统中 ,各节点之间通过消息互相交流信息 ,3维地形虚拟场景通常在大量的仿真系统中作为重要的对象参与仿真。由于各个对象的参考坐标系之间存在差异。所以在 3维地形虚拟场景节点与系统中其他各节点之间进行消息交换时 ,存在一个坐标转换的问题。文中给出了一种坐标转换的快速算法 ,从而保证仿真过程中场景的实时定位     

Lake variations in response to climate change in the Tibetan Plateau in the past 40 years

The Qinghai-Tibetan Plateau plays an important role in global climate and environmental change and holds the largest lake area in China, with a total surface area of 36,900 km². The expansion and shrinkage of these lakes are critical to the water cycle and ecological and environmental systems across the plateau. In this paper, surface areas of major lakes within the plateau were extracted based on a topographic map from 1970, and Landsat MSS, TM and ETM+ satellite images from the 1970s to 2008. Then, a multivariate correlation analysis was conducted to examine the relationship between the changes in lake surface areas and the changes in climatic variables including temperature, precipitation, evaporation, and sunshine duration. Initial results suggest that the variations in lake surface areas within the plateau are closely related to the warming, humidified climate transition in recent years such as the rise of air temperature and the increase in precipitation. In particular, the rising temperature accelerates melting of glaciers and perennial snow cover and triggers permafrost degradation, and leads to the expansion of most lakes across the plateau. In addition, different distributions and types of permafrost may cause different lake variations in the southern Tibetan Plateau.     

Performance of Landsat TM in ship detection in turbid waters

The visible and near infrared bands of Landsat have limitations for detecting ships in turbid water. The potential of TM middle infrared bands for ship detection has so far not been investigated. This study analyzed the performance of the six Landsat TM visible and infrared bands for detecting dredging ships in the turbid waters of the Poyang Lake, China. A colour composite of principal components analysis (PCA) components 3, 2 and 1 of a TM image was used to randomly select 81 dredging ships. The reflectance contrast between ships and adjacent water was calculated for each ship. A z-score and related p-value were used to assess the ship detection performance of the six Landsat TM bands. The reflectance contrast was related to water turbidity to analyze how water turbidity affected the capability of ship identification. The results revealed that the TM middle infrared bands 5 and 7 better discriminated vessels from surrounding waters than the visible and near infrared bands 1–4. A significant relation between reflectance contrast and water turbidity in bands 1–4 could explain the limitations of bands 1–4; while water turbidity has no a significant relation to the reflectance contrast of bands 5 and 7. This explains why bands 5 and 7 detect ships better than bands 1–4.     

MapGIS在南康市第二次土地调查中的应用

介绍了第二次土地调查的主要任务和MapGIS软件的系统功能。同时,以南康市为例,阐述了MapGIS软件在第二次土地调查过程中不同阶段的具体应用。