机载WIDAS地表观测的BRDF原型反演算法验证

地表反照率表征地面对太阳辐射的反射能力,在地表能量平衡中起着重要的作用。2008年黑河的WATER实验中,针对机载红外广角双模式成像仪(WIDAS)观测角度小的特点,发展了一种基于MODIS二向性反射分布函数(BRDF)原型估算WIDAS反照率的算法。然而,在2012年黑河HiWATER实验中,WIDAS的观测角度范围由早期30°观测天顶角升级为最大观测天顶角52°,这一改造对数据预处理(辐射定标、大气校正和多角度配准)产生影响,使WIDAS数据出现明显的噪声,为WIDAS地表反照率的反演带来新挑战。针对新问题,采用新的地表观测数据,进一步验证了BRDF原型算法反演机载WIDAS反照率的能力。为了获取准实时BRDF先验知识,基于核驱动模型和各向异性平整指数(AFX)首先准实时提取了实验区5种MODIS的BRDF原型;然后,将其作为先验知识应用到黑河WIDAS机载数据的反照率反演中;最后,利用实验区的反照率实测数据进行算法验证。本研究比较了3个算法处理该问题的能力:(1)基于BRDF原型作为先验知识的算法;(2)完全基于核驱动的全反演算法;(3)基于朗伯假设的方法,通过算法对比分析,可更好地分析验证算法(1)的性能。结果表明:(1)BRDF原型算法反演精度最高且稳定,尤其是当观测数据位于垂直主平面时,全反演算法由于缺少大角度观测数据的约束,更容易出现异常值;BRDF原型算法的最大绝对误差为0.034,相对于全反演算法和朗伯假设方法精度分别提高了约18%和71%;(2)针对2012年黑河机载WIDAS观测噪声较大的新问题,BRDF原型反演算法表现出了良好的抗噪声性能。通过对WIDAS反照率反演和验证进一步表明,在多角度观测数据信息量不足以进行全反演,且观测受噪声影响较大时,BRDF原型作为先验知识,提供了一种有效解决该问题的手段,对提高反照率反演的精度、增强反演的稳定性有重要作用。     

利用BRDF原型和单方向反射率数据估算地表反照率

地表反照率是影响地表能量收支平衡的决定性参数之一,精确反演地表反照率需要考虑地表各向异性反射特征。本文尝试以双向反射分布函数BRDF原型为地表各向异性反射的先验知识,通过单方向反射率反演地表反照率。首先根据地面实测及MODIS多角度反射率数据对反演方法进行分析和精度评价,然后借助MODIS BRDF产品统计出研究区的主导BRDF原型,并联合环境一号卫星(HJ-1)单方向反射率数据反演30 m地表反照率,最终将结果与地表实测数据进行比较。结果表明:BRDF原型对BRDF的变化进行了约束,且能够适用于几十米尺度的遥感数据反照率的反演;不同级别的各向异性反射特征的分布是不均一的,借助于主导BRDF原型能够使大部分样本的地表反照率满足精度要求;利用研究区MODIS BRDF产品统计得到的主导BRDF原型为先验知识,通过HJ-1数据反演得到的地表反照率与地表实测反照率有较高的一致性,而朗伯假定条件下的反照率高于实测结果。本文算法简单高效,可为产生全国范围的中高分辨卫星反照率产品提供有价值的算法参考。     

利用SARA结合高分一号数据反演气溶胶光学厚度

简化的气溶胶反演算法(simplified aerosol retrieval algorithm, SARA)摆脱了传统气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)反演算法对查找表的依赖,在暗地表区域和亮地表区域均有较好的反演效果。由于中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS)数据得到的AOD空间分辨率不足,因此在SARA的基础上结合更高空间分辨率的高分一号(GF-1)宽视场(wide field of view, WFV)数据开展了AOD反演研究。精度验证结果表明,反演结果与地基观测值具有较高的一致性,相关系数为0.962,均方根误差为0.073,平均绝对误差为0.051,预期误差为88.6%;反演结果与同期的MODIS气溶胶产品相比,空间上分布较为一致,且具有较高的空间覆盖度、分辨率和精度。针对高分数据的算法适用性研究表明,GF-1 WFV相机的观测几何和辐射定标误差引起的反演误差较小,绝对误差均在0.04以内,相对误差均在10%以内。     

基于BRDF原型反演地表反照率

先验知识在遥感反演中起到重要的作用,本文首先根据各向异性平整指数AFX和地表多角度观测数据集建立了BRDF二向性反射分布函数原型库,然后介绍了以BRDF原型作为先验知识的提取多角度数据地表反照率的原型反演算法,为验证算法的精度,将原型反演及全反演算法拟合验证数据子集得到的反照率与MODIS全反演算法拟合完整数据集得到的结果作比较。结果对比表明,观测天顶角在40°以内时,非垂直主平面的观测数据能够代表部分地表的各向异性反射特征,此时原型反演算法的最大平均绝对误差为0.036,相对精度比全反演算法高约5%—10%;当数据位于垂直主平面时,观测信息量严重不足,此时原型反演算法结果相对较稳定,而全反演算法的最大绝对误差高达0.18。 综上所述,原型反演算法能够在整个采样空间范围内对BRDF进行约束,对观测数据位置分布的依赖较小,抗噪声能力强,在反演观测信息不足的多角度数据时,结果精度优于全反演算法。     

利用AB算法进行高分四号卫星数据反照率反演

地表反照率(Albedo)是地表能量收支平衡的重要地表参数。作为新近发射的地球同步轨道卫星,高分四号(GF-4)卫星拥有优于同类卫星的高时间高空间分辨率,然而由于其观测角度单一,基于双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)的传统反演方法难以实现地表反照率的精确快速反演,因此采用基于单一观测角度的角度格网法(angular bin,AB1)。首先,利用先验的多角度地球反射极化和方向测量仪(POLarization and Directionality of the Earth’s Reflectances,POLDER)卫星观测数据,建立反照率与某一方向反射率之间的经验关系;然后,利用POLDER卫星和GF-4卫星的光谱响应函数与光谱库数据,将该经验关系转换为基于GF-4卫星的反照率与反射率经验关系(即查找表);通过输入单一角度的GF-4卫星反射率数据,得到GF-4卫星反照率结果;最后,利用中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)与Landsat 8地表反照率结果对反演结果进行交叉验证。结果表明,MODIS反照率与GF-4反照率的均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.027 3,Landsat 8反照率与GF-4反照率的RMSE为0.017 6,说明基于AB1算法的反照率反演结果精度可靠,这对于GF-4卫星的反照率产品生产具有一定的应用意义。     

基于HJ-1A/B CCD地表反照率估算方法比较与验证

高空间分辨率地表反照率数据集对天气预报和气候变化研究具有重要意义。环境减灾小卫星(HJ-1A/B)上搭载的CCD传感器,可以提供大幅宽、短重访周期的30 m空间分辨率对地观测数据,适用于生成高空间分辨率的地表反照率数据集。但是,目前对基于HJ-1A/B CCD数据地表反照率估算方法的图像精细度和估算精度还缺乏系统性的评价和比较验证。因此从图像精细度和估算精度2个方面,评价了基于HJ-1A/B CCD数据的2种地表反照率估算方法:基于地表反射率的直接反演算法(direct estimation algorithm-surface reflectance,DEA-SUR)和基于MODIS核系数(MODIS kernel coefficients,MKC)的估算方法。在图像精细度评价中,采用目视判读和清晰度指数方法进行定性和定量评价,发现相比于MODIS反照率产品,DEA-SUR和MKC这2种估算方法获得的结果图像精细度均有明显提高,其中DEA-SUR方法显著改善了MKC方法存在的马赛克现象;在估算精度验证中,基于US-MMS、长岭、盈科和纳木错4个站点进行了验证和比较分析,结果表明,DEA-SUR和MKC算法估算精度相当,在无积雪覆盖时DEA-SUR和MKC算法的估算均方根误差为0. 015～0. 041,在积雪覆盖地表估算误差显著增大。     

利用中国通量网和MODIS数据评估MISR地表反照率产品

地表反照率是反映地表能量平衡的重要参数。本文通过中国陆地生态系统通量观测研究网络的实测反照率和MODIS的地表反照率产品对MISR的短波反照率数据进行验证和分析:提取了中国通量网中的8个站点的数据和对应的MODIS、MISR的反照率产品用于验证。验证的结果显示,在多数站点,MISR短波反照率能与地面数据相吻合,大部分的反演误差都集中在0.04以内;MISR与MODIS短波反照率的吻合度更高,总体的误差为0.018,均方根误差在0.04左右。总的来说,MISR地表反照率产品具有较高的反演质量。     

MODIS二向反射模型方差函数的研究与应用

地表二向性反射分布函数(BRDF)是表征地物反射随太阳和观测方向变化的物理量。在统计意义上,BRDF表示均值统计量,BRVF(Bidirectional Reflectance Variance Function)表示方差统计量,它们对研究地表各向异性反射特征有着重要意义。本文首先采用误差传播理论,推导出基于MODIS BRDF模型的BRVF表达形式。研究结果表明,BRVF的空间分布模式主要由几何光学核Kgeo和体散射核Kvol的一次项和二次项权重和决定。然后利用EOS地面验证核心站点(EOS Land Validation Core Sites)的MODIS BRDF产品,对BRVF空间分布模式随地表类型、光谱波段和观测角度范围进行验证。验证结果表明,基于MODIS BRDF产品的验证与理论推导有较好的一致性。BRVF空间分布模式和地表类型有关,通常在热点处有一个峰值。在大观测天顶角(60°)下,BRVF随着角度的增大而增大。BRVF在近红外波段整体上大于红波段,表明其波段依赖性。最后,将上述理论成果初步应用于69组地表测量数据的模拟中。模拟结果表明,当大角度缺少观测数据时,模型外延所引起的方向反射方差显著增大,对地表反照率的反演精度和不确定性有较大影响。其中,红波段的白天空反照率的相对误差最大可达38.26%。本研究对利用小角度观测数据进行地表反照率反演的不确定性分析有指导意义;对大角度观测数据缺失情况下,先验知识在地表反照率的反演应用可提供有意义的理论支撑。     

利用MODIS多通道反照率产品估算OCO-2氧气A吸收带陆表反照率方法

在基于OCO-2卫星氧气A吸收带观测的云反演中,陆表反射是重要的干扰因素,其强度主要由陆表反照率决定。然而,目前尚无卫星产品能提供OCO-2云反演所需的氧气A吸收带陆表反照率,为此本文提出基于MODIS多通道黑空/白空反照率的OCO-2氧气A吸收带陆表反照率估算方法。该方法顾及地表覆盖类型对波段间转换陆表反照率的影响,在不同时间和不同空间上测试的相关系数均超过0.93,均方根误差为0.026。其中,MODIS反照率数据的质量是决定多通道模型转换精度的最重要因素。当输入最佳质量的MODIS反照率时,OCO-2氧气A吸收带陆表反照率估值的均方根误差略优于0.02,随着MODIS反照率数据质量的下降,估值的均方根误差逐渐增大至超过0.05。     

高分四号静止卫星数据的地表反照率反演

地表反照率(Albedo)是描述地表辐射能量平衡的重要参数,为了获得高分四号(GF-4)静止卫星的地表反照率产品,构建了一种基于核驱动双向反射率分布(BRDF)模型的反照率反演方法。首先,探索核驱动BRDF模型对GF-4卫星数据的适用性,加入地表分类信息,为核系数赋初值,并引入鲍威尔迭代算法优化模型结果。然后,对BRDF模型进行角度积分获得各个波段的地表窄波段反照率。在此基础上,结合GF-4卫星光谱响应函数与光谱库,首次建立了将窄波段反照率到宽波段反照率的转换系数,并反演得到0.4—0.7μm和0.3—3.0μm的宽波段反照率。最后,利用Landsat 8卫星数据和MODIS地表反照率产品对基于GF-4卫星数据的地表反照率反演结果进行交叉验证。Landsat 8与GF-4的反照率结果对比表明,GF-4卫星可见光范围内的反照率反演结果精度为85.6%,短波范围内的反照率反演结果精度为93.4%;MODIS与GF-4的反照率结果对比表明,可见光范围的地表反照率精度达到87.7%,短波范围的地表反照率精度达到85.9%。这说明GF-4卫星地表反照率反演结果具有较高精度,GF-4卫星反照率产品具有一定应用潜力。     

Monitoring drought dynamics in the Aravalli region (India) using different indices based on ground and remote sensing data

The hard-rock hilly Aravalli terrain of Rajasthan province of India suffers with frequent drought due to poor and delayed monsoon, abnormally high summer-temperature and insufficient water resources. In the present study, detailed analysis of meteorological and hydrological data of the Aravalli region has been carried out for the years 1984–2003. Standardised Precipitation Index (SPI) has been used to quantify the precipitation deficit. Standardised Water-Level Index (SWI) has been developed to assess ground-water recharge-deficit. Vegetative drought indices like Vegetation Condition Index (VCI) and Temperature Condition Index (TCI) and Vegetation Health Index (VHI) have been computed using NDVI values obtained from Global Vegetation Index (GVI) and thermal channel data of NOAA AVHRR satellite. Detailed analyses of spatial and temporal drought dynamics during monsoon and non-monsoon seasons have been carried out through drought index maps generated in Geographic Information Systems (GIS) environment. Analysis and interpretation of these maps reveal that negative SPI anomalies not always correspond to drought. In the Aravalli region, aquifer-stress shifts its position time to time, and in certain pockets it is more frequent. In comparison to hydrological stress, vegetative stress in the Aravalli region is found to be slower to begin but quicker to withdraw.     

Gravity Changes Before Large Earthquakes in China: 1998-2005

Although it is well known that coseismic gravity changes take place during an earthquake, previous research has not yielded convincing evidence demonstrating that significant gravity changes occur before large earthquakes. Furthermore, even if we suspect that gravity changes occur before large earthquakes, we have yet to demonstrate how to consistently observe these changes for useful earthquake forecast that would bring benefits to society. We analyzed ground gravity survey data obtained in 1998, 2000, 200...     

地理数据库的关系模型及其实现

本文从以图论观点分析地理实体入手,系统阐述了地理数据库关系模型的设计法和过程。作者于1984年4～9月间在微型机上设计建立了关系型地理数据库的实方验系统(RGDB)。该系统采用了本文提出的关系模型,采用了可动态扩库的子库组合结构,这种结构具有灵活性和提高空间利用率的优点。RGDB含有多种功能的数据操作命令,除了具有一般检索功能外,还能进行“开窗”选取和十分“自由”的映象选取。本文对RGDB系统的主要性能和实现途径作了扼要介绍。     

基于Skyline的企业总图3维信息系统

3维技术以其直观、眩目的表现力深受人们喜爱.利用3S技术和Skyline开发平台,可以构建大型企业3维地理信息系统,以满足企业设计部门和资产管理部门对基础地理信息的需求.兼容原有2维系统的总图3维信息系统,将为企业的日常管理、设计施工、分析统计、规划决策等提供更加可靠、直观、多层次、多功能的综合服务信息.     

基于WebGL的三维智慧管网系统的设计与实现

随着城市面貌日新月异,地下管网的建设也在持续推进,作为城市的地下“神经网络”,全天24 h保障城市的正常运转和发展。本文以实现城市管网管理系统的高可用、无插件、智能化为目标,采用“地上地下一体”“二三维一体”的设计理念,研究基于WebGL的三维智慧管网系统的关键技术,实现了管线设施管理的信息数字化、空间化与图形化。     

城市数字高程模型和数字正射影像建库系统架构

数字高程模型和数字正射影像是城市基础地理信息的核心载体.两者数据都是连续的地表模型数据.本论文旨在研究建立一个以这两种数据为主体的数据库集成管理系统,并能够提供基本的分析和应用功能,为城市的规划、建设、管理和社会各行业提供完善、优质和高效的地理空间数据服务.论文以宁波市两者数据的建库为例.首先介绍一些有关背景资料;然后详细研究了该系统的设计情况,包括设计的原则、技术路线,数据组织和功能规划;最后进行总结,分析了该系统架构设计的优缺点.     

基于SVG的矢量WebGIS实现技术研究

SVG是一种基于XML的用来描述二维矢量图形和矢量/栅格混合图形的标记语言,虽然SVG不是为了面向地理空间数据发布而制定的标准,但它的许多特性都能被广泛地应用到WebGIS中,从而实现矢量WebGIS。由于SVG通过简单的文本语句描述矢量图像,所以SVG通常数据量很小,并且SVG支持GZIP压缩,所以基于SVG构建WebGIS能减轻网络传输负载,加快地图显示速度。SVG内置了对JavaScript的支持,且SVG可通过DOM解析映像成内存中的树型结构,所以客户层可通过JavaScript对DOM的操作实现对地图的缩放、漫游、查询、图层控制等交互操作。     

互联网时代的地理信息系统

本文通过分析近年来信息技术和地理信息系统的进展,探讨在互联网时代的地理信息系统的发展趋势和技术,提出了以构件化的分布式地理信息系统的发展方向,并以新的概念探讨了以互联网为平台的ＧＩＳ的构件模型和客户－服务器模型为基础的ＧＩＳ服务模型。     

GML数据存储技术的研究与实现

如何有效存储GML数据是当今GIS界研究的热门课题。本文首先分析了现有XML数据存储技术,并根据GML的特性,提出了GML数据存储策略以及实现技术。     

浅谈MapGIS到ArcGIS数据自动转换实现

文本介绍了如何用编程方式实现MapGIS点、线、面数据及渲染(Render)样式到Arc—GIS的自动转换,并对关键技术、难点进行详细描述。