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。     

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。     

人工蜂群算法优化SVR的叶面积指数反演

支持向量机回归SVR（Support Vector Regression）方法作为叶面积指数反演的一种新思路,在LAI反演中具有一定的应用价值和前景,但SVR算法中惩罚系数C、核函数宽度参数g、不敏感损失函数参数ε的取值对回归精度有显著的影响。本文提出了一种基于人工蜂群算法ABC（Artificial Bee Colony）优化SVR参数的遥感影像叶面积指数反演方法。研究数据为美国土壤水分实验（SMEX02）2002年LAI实测数据和同期的Landsat 7 ETM+地表反射率数据,为了验证ABC算法优化SVR各个参数对反演精度的影响,建立了未优化参数（SVR）、优化单个参数（ABC-SVR-C,ABC-SVR-g,ABC-SVR-ε）、优化3个参数（ABC-SVR）的3类LAI反演模型,并比较了其回归拟合精度。在此基础上,分析了3个关键参数对LAI反演模型精度的敏感性,并对ABC算法优化SVR模型的精度进行显著性检验。研究表明：（1）相比未优化参数模型,ABC算法优化模型具有更高的反演精度,优化3个参数优于优化单个参数,回归直线斜率k达到0.797、决定系数r²达到0.775。（2）SVR的3个关键参数对模型精度都有影响,相较参数C和g,参数ε引起模型精度的不确定性更高。（3）95%的置信区间下,ABC-SVR模型与SVR模型的回归直线斜率k、r²、RMSE的差异显著性检验P值均小于0.005,ABC算法显著改善了SVR模型的精度。     

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。     

珞珈一号夜间灯光数据的福建省人为热通量估算

夜间灯光数据是估算人为热通量（AHF）的重要数据,但当前应用最广的DMSP/OLS和Suomi-NPP/VIIRS夜间灯光数据由于受限于粗糙的空间分辨率,而无法刻画城市内部的AHF分布细节。中国2018年6月发射的Luojia 1-01卫星所获取的130 m高空间分辨率夜间灯光数据,则有望解决这一问题。因此本文利用Luojia 1-01夜间灯光数据,通过将统计年鉴中的能源统计数据细化至福建省84个县（市、区）,然后与3个夜间灯光指数（NTL_nor、HSI、VANUI）进行回归分析,分别构建了基于这3个指数的福建省AHF空间估算模型,并采用交叉验证法对其进行筛选。结果显示：（1）在3个指数中,基于VANUI的乘幂估算模型的R²最高,且RMSE最小,因此精度最高;（2）利用VANUI乘幂估算模型反演得到的2018年福建省年均AHF为0.88 W/m²,其中厦门市的年均AHF最高,达10.98 W/m²,泉州、莆田、福州、漳州等沿海城市次之,年均值在0.98—1.95 W/m²,而宁德、龙岩、三明、南平等城市的AHF则较低,均值在0.38—0.46 W/m²;（3）Luojia 1-01夜间灯光数据可以揭示城市内部的AHF分异细节。根据用地属性和功能的不同,AHF数值表现为：城市集中商业区>大型市政公共设施区>城市主干道>城市住宅区>近郊住宅区。研究表明,基于Luojia 1-01夜间灯光数据建立的AHF估算模型可以较好地揭示城市尺度AHF的空间分异情况。     

植被光能利用率遥感估算

光能利用率表征植被通过光合作用将所截获/吸收的能量转化为有机碳的效率,是遥感估算植被生产力的关键参数。由于植被分布和气候环境的综合影响,光能利用率表现出显著的空间异质性和时间动态性,光能利用率的不确定性成为后续生产力模型估算精度不高的重要原因。本文以Fluxnet全球通量站点数据和MODIS LAI/fPAR产品为数据源,比较了5种遥感植被生产力模型中的光能利用率估算方法,并在此基础上考虑光照散射条件对光能利用率的影响,结合晴空指数,利用逐步线性回归方法和参数优化方法建立不同植被类型的光能利用率估算模型。验证结果表明,考虑晴空指数可提高光能利用率估算精度,两种方法估算得到的光能利用率值RMSE均低于0.5 gC·MJ^-1,逐步线性回归法尽管机理欠缺,但由于选择因子较多,光能利用率估算精度较高（R²=0.461,RMSE=0.403 gC·MJ^-1）;广泛应用的参数化方法由于考虑的因子较少、模型形式较固定,光能利用率估算精度稍低（R²=0.306,RMSE=0.489 gC·MJ^-1）。本文所建立的光能利用率估算模型可应用于区域或全球植被光能利用率及生产力的估算。     

Sentinel-2卫星落叶松林龄信息反演

林龄结构信息能够有效反映区域森林群落不同生长阶段的固碳能力，对于评估森林生态系统的健康状况具有重要意义。本研究以中国温带典型优势树种落叶松林为研究对象，分别选择其芽萌动期、展叶期和落叶期时段的Sentinel-2影像，采用多元线性回归（MLR）、随机森林（RF）、支持向量机回归（SVR）、前馈反向传播神经网络（BP）以及多元自适应回归样条（MARS）等5种方法依次构建落叶松林龄反演模型。通过相关性分析首先确定最佳遥感反演物候期，并在此基础上根据相关性差异筛选出5个最优特征变量用于模型反演，分别为冠层含水量（CWC），归一化水体指数（NDWI），叶面积指数（LAI），光合有效辐射吸收率（FAPAR）和植被覆盖度（FVC）。研究结果表明，展叶期为落叶松林最佳遥感反演物候期。除植被衰减指数（PSRI）以及落叶期的NDVI、RVI外，落叶松林龄与各指标之间均呈负相关关系，其中与冠层含水量（CWC）的相关性最高，pearson相关系数达到-0.74（p<0.01）。此外，不同模型反演结果表明，随机森林模型（RF）为最佳落叶松林龄估测模型，其平均决定系数R²和平均均方根误差RMSE分别为0.89和2.91 a；多元线性回归模型（MLR）的林龄估测结果最差，其平均决定系数R²和平均均方根误差RMSE仅为0.57和5.69 a，非线性模型能更好的解释林龄与建模变量之间的关系。     

结合树龄信息的遥感森林生态系统生物量制图

森林生态系统是陆地生态系统中的重要组成部分，其中的地上生物量（AGB，Aboveground Biomass）在全球气候变化和碳循环研究中起着重要的作用。本文利用ETM^＋遥感影像，首先建立了实测叶面积指数（LAI，Leaf Area Index）与实测生物量数据的回归关系，基于遥感叶面积指数图像得到初步地上生物量空间分布图；同时在短波植被指数（SWVI，Short Wave Vegetation Index）与实测树龄之间建立了回归关系，在此基础上得到了树龄空间分布图。然后通过将植被指数（VI，Vegetation Index），LAI，树龄等变量针对不同的树种类型进行逐步回归，得到了较好的回归模型，并结合土地利用／土地覆盖估算了贵州省黎平县的地上生物量，绘制了其空间分布图。统计结果显示：总体森林生态系统的AGB与LAI和RSR（Reduced Simple Ratio）之间有一定的相关关系（R^2=0．895）；杉木林的AGB与LAI和归一化植被指数（NDVI，Normalized Difference Vegetation Index）之间有较强的相关性（R^2=0．93）；针叶树种的LAI与年龄是AGB较好的估算因子（R^2=0．937）；阔叶林的AGB与年龄有一定的相关性（R^2=0．792）；混交林的AGB与LAI和SR（Simple Ratio）有较强的相关性（R^2=0．931）。结果表明，将树龄和土地覆盖／土地利用类型的信息加入到地上生物量估算模型的建立中，是一种改善利用多光谱遥感估算精度的较好的方法。结合土地覆盖／土地利用类型的高分辨率的树龄空间分布图，可为森林生态系统的可持续发展和管理提供科学的论据。     

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）。     

Designing Thought,Technical Line and Some Theoretical Issues on Geospatial Digital Framework of China

Based on the developing tendency of present China‘s basic GIS,this paper discusses the designing idea for scales of 1∶10 000,1∶50 000,1∶250 000 and 1∶1 000 000 pyramidlike multilayer and multiresolution of the basic GIS.A technical line for the construction of basic GIS of the whole country and various provinces for sustainable development is put forward.And some important theoretical GIS issues touched by the technical process are discussed.     

数字正射影像图的制作方法和应用研究

对数字正射影像图的定义及其产品的制作方法进行了详细介绍,并通过数字城市这一实例来说明正射影像图的应用.     

Digital Earth in support of global change research

Abstract

The Digital Earth concept as originally proposed by former US Vice president Al Gore is now well established and widely adopted internationally. Similarly, many researchers world-wide are studying the causes, effects and impacts of Global Change. The authors commence by describing a five-step approach to the development of Digital Earth technologies. This is followed by a detailed account of Digital Earth research and developments in China. The authors then present the research results of Global Change studies carried out in China, based on the Digital Earth approach. These research results are based on a classification of global change regions. This covers the following global change situations:

Forest and grassland fires in Northern China, temperate region desertification and dust storms, underground coal fires, deforestation and carbon sequestration, protection and utilisation of wetlands, Avian Influenza and the spread of diseases, Tibet Plateau uplift and sub-tropical monsoon climate region, and sea-level rise. The research results show that the environment does not behave in a way easily understood by the traditional disciplinary approach. Although man is clearly a contributing factor to certain Global Change aspects, such as underground coal fires, desertification, land use changes etc., many of the aspects of Global Change are naturally occurring phenomena which have been changing over centuries, and will continue to do so, no matter what actions we undertake to reverse these processes. Hence, in their conclusions, the authors propose that the communities involved in Digital Earth modelling and in Global Change research co-operate closer to overcome the limitations inherent in the current ‘conventional’ scientific approach, where scientists have very much stayed within their respective scientific boundaries. Such an integrated approach will enable us to build the next level of scientific infrastructure required to understand and predict naturally occurring environmental changes, as well as that of coupled human–environmental systems.     

Designing thought,technical line and some theoretical issues on geospatial digital framework of China

Based on the developing tendency of present China's basic GIS, this paper discusses the designing idea for scales of 1∶10 000, 1∶50 000, 1∶250 000 and 1∶1 000 000 pyramidlike multi-layer and multi-resolution of the basic GIS. A technical line for the construction of basic GIS of the whole country and various provinces for sustainable development is put forward. And some important theoretical GIS issues touched by the technical process are discussed.     

论数字化地理空间基础框架的建设与应用

当前国内外一个重要的发展趋势是将各种社会经济，资源环境等要素数字化，在统一的数字化地理空间基础框架（DGSF）上，实现多类型，多时相，多分辨率图形，图像，文本，视频，音频信息的有机集成，建立数字地球，数字国家，数字区域或数字城市等，本文首先回顾了我国“数字行业”，“数字省区”，“数字城市”等对DGSF的需求，然后讨论了DGSF的基本内涵，重要特性及其与国家空间数据基础设施（NSDI），基础测绘，国家基础地理信息系统等术语之间的同异，继而重点分析了今后我国DGSF建设和应用的若干方向。     

论数字城市工程及其技术体系

分析了数字城市的内涵 ,基于数字工程思想 ,总结了数字城市的工程结构与技术体系 ,进而阐述了数字城市的意义与建设策略。     

我国地球空间数据框架的设计思想与技术路线

根据当前我国基础地理信息系统的发展态势,较为详尽地讨论了１∶１万至１∶５万基础地理信息系统的设计思路,提出了地球空间数据框架（ＤＧＤＦ）的概念,即基于数字正射影像和ＤＥＭ及与若干层矢量框架数据（如大地控制、交通图、水系、境界、行政边界、注记等）的整体集成的栅格－矢量一体化空间数据库,目的在于尽快建立起有活力的和可更新的国家和省级基础地理信息系统。还详尽讨论了建立基础地理信息系统的主要技术路线和数据采集与数据处理的工艺流程。     

Progress in the Development of a High Performance Airborne Digital Sensor

Joint development work by LH Systems and Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (German Aerospace Center) has produced encouraging results using forward, nadir and backward looking linear arrays on the focal plane to provide panchromatic imagery and geometric information, supplemented by further arrays to acquire multispectral imagery suitable for both high precision photogrammetric mapping and image processing for interpretative purposes. The geometric characteristics of line scanner imagery necessitate line-by-line rectification for aircraft tilts and shifts. Satisfactory execution of this process is enhanced by using supplementary data from high performance, on-board GPS and inertial measurement systems. Similarly, high demands are placed on other sub-systems, such as the camera mount, lens, electronics and storage technology. In addition to rectification for aircraft tilts and shifts, rectification for terrain characteristics is also required in order to generate colour and false colour composite images, since the various multispectral arrays are in different places on the focal plane. The special geometry affects triangulation. Thereafter, the imagery can be processed using existing software packages from both photogrammetry and remote sensing.
The concept has been demonstrated in several successful test flights and the production model is scheduled for market introduction at the ISPRS Congress in July 2000. The imagery from the new sensor will fulfil many market requirements between the highest resolution film imagery (<0.1 m) and high resolution space imagery (1m to 10 m). The sensor's unique blend of multispectral information with high quality geometric information will give rise to numerous new applications.     

摄影测量和数字图象处理的某些进展

本文从王之卓教授关于“数字图象处理将是摄影测量的一个新的作业领域”的观点出发,介绍了用数字图象处理的方法解决摄影测量问题方面的某些进展,主要是:快速数字微分纠正,影象增强与镶嵌,数字立体正射影象图,LANDSAT和SPOT卫星图象的参量估计与星历数据的利用。     

基于数据库的地形图变化数字检测软件设计

描述了数字检测软件系统工作的硬件环境和软件环境 ,给出了系统的结构框图 ,详细讨论了软件系统功能模块 ,以及各项基本功能 ,并结合实践 ,检验了系统的实用性