海洋一号C星光学载荷对海面溢油的识别能力分析

中国首颗海洋水色业务卫星(HY-1C)搭载有水色水温扫描仪(COCTS)、海岸带成像仪(CZI)、紫外成像仪(UVI)等多套光学载荷，已于2019-06开展业务化运行。溢油是海洋环境监测的重要目标之一。近年来，光学遥感对海面溢油不同污染类型的识别、分类与估算原理得以阐明，其技术优势获得认可，能有效促进海面溢油的精细化定量探测。本研究以中国近海，主要以2019-02-20中国南海东沙岛附近海域一次溢油事件为例，收集了HY-1C星COCTS和CZI数据，并获取了同一天的VIIRS、MODIS Terra & Aqua遥感数据，开展了海面溢油的识别分类及其对比分析，重点评估COCTS与CZI光学载荷对海面溢油识别的效能。结果表明：在弱耀光对比条件下，COCTS、CZI、VIIRS均能有效识别此次东沙岛溢油，且COCTS对溢油的识别能力不弱于VIIRS数据；CZI不仅能识别此次溢油，还能区分此次溢油形成的海面油膜与溢油乳化物，从而提供更多的判定信息；CZI数据中，不同溢油污染类型的光谱信号离散度大于清洁海水平均噪声，展现了溢油量估算的潜力。HY-1C星光学载荷展现了优良的辐射分辨率、高信噪比等性能，随着HY-1D星的发射，双星组网观测还能提供更佳的时相分辨率数据，未来会在海洋溢油的实时、定量、精细化观测中提供丰富的数据支撑。     

HY-1/CZI卫星影像的海上运动船只自动检测方法

船只遥感检测对于海上航行安全保障和海洋权益维护具有重要意义,传统基于极高空间分辨率的合成孔径雷达(SAR)和光学卫星影像的船只检测由于重访周期长,难以实现高频监测应用。中国自主“海洋一号”系列卫星(HY-1)搭载的中分辨率海岸带成像仪(CZI),虽然空间分辨率相对较低(星下点50 m),但HY-1C、HY-1D形成双星上下午组网观测,具有重访周期短的优势,对于海上船只监测具有重要价值。本文利用卷积神经网络进行特征学习和目标提取,建立了HY-1/CZI影像船只自动检测方法。验证结果表明,相对于传统图像处理方法,本文方法具有不需要调整阈值、适应性强的特点,检测精度达到77.71%,可应用于HY-1/CZI影像的海上运动船只自动监测。     

中国近海绿潮生物量的卫星光学遥感估算

生物量是精准量化海洋大型漂浮藻类的关键参数,是反映海洋生态环境变化的有效指标。光学遥感卫星能为绿潮的精细化监测与评估提供数据支持,实现绿潮的精准识别与量化估算。针对中国海洋一号C/D卫星（HY-1C/D）海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager)、美国中分辨率成像光谱仪MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)、欧洲空间局哨兵2号卫星多光谱成像仪MSI(Multi Spectral Instrument)等光学遥感数据特点,基于绿潮生物量变化模拟与观测验证数据,本研究提出了适用于不同光学卫星数据的绿潮生物量估算模型与计算方法,开展了中国近海绿潮生物量光学遥感估算与交叉验证。结果表明：相较于绿潮像元面积和覆盖面积,绿潮生物量估算结果的不确定性最小,该参数能有效减少面积参数所内含的尺度效应差异,能更准确地用于海洋绿潮的量化与评估。此外,基于CZI和MODIS数据开展2021年中国近海绿潮生物量协同监测应用,有效提高了绿潮生物量监测的精度,详细量化了2021年中国近海绿潮生物量的年内变化,展现了绿潮生物量的精...     

Sentinel-2遥感图像的细小水体提取

基于卫星遥感的水体提取算法对面积较大的水体效果较好,应用于细小水体时受混合像元、异物同谱等因素影响,容易出现误判。Sentinel-2卫星多光谱遥感数据空间分辨率为10 m、20 m、60 m,双星时间分辨率5 d,时间和空间分辨率较高,因此本文采用了Sentinel-2绿光波段（560 nm）、红边波段（705 nm）、近红外波段（842 nm、865 nm）和短波红外波段（2190 nm）的遥感反射率,提出了一种植被红边水体指数算法RWI（Vegetation Red Edge based Water Index）。对比分析了植被、阴影、建筑物、混合像元、裸土、水体6种地物的归一化遥感反射率,从机理上解释了为什么RWI比其他水体指数具有更好的提取细小水体的效果。本文对比了常用的几种水体提取算法,包括改进的归一化差异水体指数MNDWI（Modified Normalized Difference Water Index）、多波段水体指数MBWI（Multi-Band Water Index）、自动水提取指数AWEI（Automated Water Extraction Index）,以人工目视解译的水体结果为准,对比以上几种算法得到的水体提取结果,得出RWI、MNDWI、MBWI、AWEI_sh、AWEI_nsh的面积提取差异分别为3.6%,4.2%,12.2%,8.8%,19.8%。从结果可以看出RWI算法精度最高。从影像提取结果来看,本文提出的RWI算法提取的水体边界效果更佳,而且能够一定程度上消除山体和建筑物阴影、云阴影以及混合像元的影响。同时,在2016-01—2018-12时间范围内筛选选取了共43景无云的Sentinel-2影像,利用本文提出的算法对雄安新区、神东矿区、永城矿区3个区域的细小水体分布开展了多时相分析。观察后发现每个时相的结果均十分良好,细小水体的边界区分度较高,基本没有错提、漏提,算法具有良好的适用性和稳定性。     

HY-1C/D卫星CZI数据的岛礁浅海水深遥感无控反演能力评估

岛礁浅海水深是海洋重要的基础资料。中国南海岛礁远离大陆,水下现场调查效率低、难度大,难以评估水下地形的长期变化,迫切需要大面积、高频次成像的卫星遥感数据。海洋一号C/D (HY-1C/D)卫星双星组网大大提高了覆盖频次,配置的海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager)可为岛礁水下探测提供快速的业务化遥感数据服务。为充分发掘两颗卫星的岛礁水深反演能力,本文以中国南海永乐环礁为研究区域,以HY-1C/D CZI多光谱遥感影像为数据源,结合半分析模型和对数比值模型开展了不依赖实测数据的水深反演研究,并与GeoEye-1高分辨率卫星多光谱遥感数据反演结果进行对比。结果表明,HY-1C/D CZI多光谱数据在甘泉岛的水深反演结果与实测数据相比,在0—20 m水深范围内的平均绝对误差分别为1.60 m和1.85 m,平均相对误差分别为22.48%和26.23%;HY-1C/D CZI多光谱数据与基于GeoEye-1数据在甘泉岛的水深反演结果相比,平均绝对偏差分别为1.65 m和1.81 m,平均相对偏差分别为22.33%和23.83%。HY-1C/D CZI与GeoEye-1多...     

国内外商用遥感卫星的定量化对比分析与评估

为了摸清国内外商用遥感卫星的差异,评估国产民用卫星在数据提供、信息获取和应用效果等方面的能力,对国内外遥感卫星进行了较为全面的调查与统计,采用卫星类型指数、波段覆盖指数及分辨率指数等定量化指标对其各项能力进行全面客观地量化分析与对比。研究结果表明:国产民用卫星的发射种类和波段覆盖范围较为齐全,但卫星数量偏少,波谱覆盖密度不及国外卫星;国产民用卫星获取超高空间分辨率影像的能力与国外星差距较大,缺少分米(dm)级分辨率的遥感卫星;在卫星应用方面,应用国外卫星数据进行研究的"中国知网"文献数量是应用国产卫星文献数量的5倍,且在每一研究领域中,单颗国产民用卫星的应用率与国外卫星相比均较低;国产民用卫星在某些方面(如独有波段)已经超过了国外卫星。因此认为,国产民用卫星具有较高的应用潜能,可以在未来发挥更强大的作用。     

微波植被指数在干旱监测中的应用

在植被覆盖区域,归一化植被指数(NDVI)被广泛地应用于干旱遥感监测。和基于光学遥感的植被指数相比,Shi等提出的微波植被指数MVI(Microwave Vegetation Index)被证实能够反映更多的植被生长信息。本文以MVI为基础,利用MVI代替目前比较成熟的温度植被指数TVDI(Temperature Vegetation Index)中的NDVI,构建温度微波植被干旱指数TMVDI(Temperature Microwave Vegetation Index),发展了一种新的干旱监测方法。本文以2006年夏季四川省发生的百年难遇的干旱为研究对象,将基于TMVDI与TVDI的干旱监测结果进行了对比分析。最后,为评估监测结果的准确性,将遥感监测的结果与基于气象站点降雨观测数据构建的标准降雨指数SPI(Standardized Precipitation Index)的计算结果进行了对比分析。结果表明,利用低频降轨微波辐射计数据计算的T MVDI最适合于进行植被覆盖区域的干旱监测。     

基于HY-1C卫星CZI影像的多类型内陆水体大气校正及水质参数反演

海洋一号C星(HY-1C)上搭载的海岸带成像仪(CZI)在内陆水体水色遥感应用方面具有较大潜力。目前,HY-1C CZI影像在内陆水体的大气校正和水质反演研究较少,仍然需要解决适用于不同类型内陆水体的大气校正和水质参数建模等问题。因此,本研究在华北平原的小浪底水库、官厅水库、丹江口水库、白龟山水库、白洋淀5个不同浑浊程度的湖泊和水库开展了星地同步实验,获取了85个采样点的水面遥感反射率光谱和水质参数实测数据。发展了基于Sentinel-2 MSI影像均匀不变地物的HY-1C CZI影像相对大气校正算法和系统定标模型。HY-1C CZI的蓝、绿、红、近红外波段遥感反射率反演平均无偏相对误差(AURE)分别为14.7%、11.2%、28.9%、41.7%,蓝、绿、红波段的大气校正精度相对较高;此外,大气校正与实测光谱的相关系数r的平均值为0.978,光谱角度距离(SAD)的平均值为0.109,说明大气校正遥感反射率光谱形状与实测光谱一致性较高。基于实测数据构建了叶绿素a浓度和透明度反演模型,经独立数据验证,HY-1C CZI影像叶绿素a浓度反演的AURE为33.8%,均方根误差(RMSE)...     

内陆水体藻蓝蛋白遥感反演研究进展

藻蓝蛋白(PC),作为蓝藻的标志性色素,通常被用作进行蓝藻水华遥感监测的标志物.近年来,内陆水体水质恶化,富营养化加剧,藻华频发,PC遥感反演研究越来越受到关注.本文从PC光学特性、反演算法开发、卫星传感器应用等方面难点及干扰因素,综合梳理了过去30 a PC遥感反演研究的发展历程和趋势,以期理解国内外相关研究的新思路...     

多源高分辨率卫星影像监测黑臭水体的适用性研究

高分辨率卫星的幅宽一般很小,受云雨和轨道回访周期影响,单颗卫星的短时段内覆盖能力有限,因此,单一高分辨率卫星常常无法满足一定时段内的黑臭水体监测需求,需要多源卫星协同监测黑臭水体。为了分析多源高分辨率影像对黑臭水体遥感监测的适用性,本文基于地物光谱仪实测的水体遥感反射率数据,以GeoEye-1、WorldView-2、北京二号(DMC3)、高景一号SV1(SuperView-1)以及GF-PMS系列(GF-1/1B/1C/1D、GF-2、GF-6)传感器波段进行等效计算,结果表明:(1)采用反射率比值模型——BOI(Black and Odorous water Index)模型,GeoEye-1、WorldView-2、SuperView-1和GF-1/1B/1C/1D/2/6影像识别黑臭水体正确率均较高,分别为89.5%、89.5%、92.1%和92.1%。(2)BOI模型不适用于DMC3,这里采用了归一化水体指数NDWI≤0.55判别黑臭水体,识别正确率为89.5%。(3)BOI模型应用于仅有的2景同步卫星影像——GF-2影像,经实测数据验证,识别精度为83.3%,精度较高。针对通州区内的某重叠区,2016年—2021年10颗多源卫星影像协同观测的结果一致性较好,表明了多源遥感影像监测黑臭水体的适用性较好。综合考虑卫星影像空间分辨率和采购成本,给出了合理的协同观测建议。     

内陆湖泊颗粒有机碳反演及日变化初步研究

以太湖及洞庭湖为例,检验海洋一类水体颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)浓度遥感估算方法在内陆湖泊二类水体中的适用性,结果表明,一类水体POC反演模型并不适用于二类水体。针对二类水体建立了以近红外波段(834 nm)为因子的单波段POC反演模型以563及834 nm波段组合为因子的两种双波段反演模型,模型验证结果显示,单波段模型的均方根误差(RMSE)为1.12 mg/L,平均相对误差(MAPE)为35.8%,两个双波段反演模型的RMSE分别为1.09 mg/L及1.11 mg/L,MAPE分别为37.3%及37.8%,三种模型均可用于太湖及洞庭湖水体的POC浓度遥感估算。在此基础上,以太湖为例,建立了基于静止轨道卫星海洋水色(GOCI)卫星数据的太湖POC反演模型,反演模型的MAPE为35%。利用5月13日8景GOCI影像,研究了太湖POC浓度日变化,发现POC浓度日变化存在两个阶段:上午至中午的递减阶段和中午至傍晚的递增阶段。     

中国香港维多利亚港的夜光影像

正封面图片为吉林一号视频卫星03星于2017年6月28日获取的中国香港维多利亚港的夜光影像。吉林一号星座由长光卫星技术有限公司研制运营,由光学A星、视频卫星(01、02、03星)以及双模式卫星组成.视频卫星分辨率0.92 m,幅宽11 km×4.5 km,具有多种成像模式,包括:凝视视频模式、半凝视模式、同轨多点模式、推扫模式、夜光模式以及惯性空间横式。吉林一号双横式卫星是中国首颗具有红边波段的米级分辨率光学遥感卫星,推扫相机全色分辨率优于1 m,多光谱分辨率优于4 m,包含蓝色、绿色、红色、红边及近红外波段,能极大提升植被长势监测、病虫害识别及理化参数估算的精度,是植被定置遥感的重要谱段。The cover image shows the nighttime light of Victoria Harbour Hong Kong,China,which was obtained on June 28,2017 by the JL-1 video     

HY-1C/D海洋水色卫星产品体系及其典型应用

海洋一号C星(HY-1C)和海洋一号D星(HY-1D)是中国首次对地观测组网的海洋水色业务化应用卫星,其上搭载了海洋水色水温扫描仪COCTS (Chinese Ocean Color and Temperature Scanner)、海岸带成像仪CZI(Coastal Zone Imager)、紫外成像仪UVI (Ultra-Violet Imager)、星上定标光谱仪SCS (Satellite-based Calibration Spectrometer)和船舶自动识别系统AIS (Automatic Identification System),实现了全球海洋水色要素每天2次、海表温度每天4次的全球覆盖观测,中国近海及海岸带区域每3天2次的50 m高分辨率观测。本文介绍了HY-1C/D卫星及其载荷性能、产品处理流程、产品分级与分发等相关信息,HY-1C/D卫星产品体系完整且数据产品处理与分发高效。同时阐述了HY-1C/D卫星的叶绿素a浓度估算和海表温度反演产品,以及HY-1C/D卫星数据在浒苔绿潮、海冰/极冰、近海养殖、内陆水体和台风云图等方面的典型监测应用且具有较好的产品质量、...     

基于温度植被干旱指数的电网输电线路走廊干旱分析

以湖北省输电线路走廊地区作为研究区,利用2013年1~9月MODIS卫星影像数据,处理得到月尺度的归一化植被指数(Normalized Differential Vegetation Index,NDVI)与地表温度(Land Surface Temperature,LST)数据,构建NDVI-Ts特征空间,计算得到温度植被干旱指数(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI),用TVDI监测结果分析湖北省输电线路走廊区域2013年干旱时空分布情况。结果表明,湖北省输电线路走廊地区TVDI和土壤含水量之间存在显著的负相关,相关系数达到0.525(p0.05),由MODIS卫星影像计算得到TVDI影像可以有效表明湖北省输电线路走廊地区的土壤含水情况。     

利用HY-1C卫星CZI数据在COVID-19疫情期间武汉知音湖和黄家湖的浊度监测研究

水体浊度是内陆湖泊水质的重要参数之一,是水环境生态系统中重要的影响因子。2019年12月底,武汉市受到新型冠状病毒肺炎疫情的影响,政府在2020-01-25—2020-02-05期间紧急建设了火神山和雷神山医院。医院建设过程中,对附近水体浊度进行动态监测有助于疫情防控与政府决策。以我国较高空间分辨率的水色海洋1C(Haiyang-1C, HY-1C)卫星海岸带成像仪(coastal zone imager, CZI)传感器数据为基础,结合高频同步浊度自动监测站测量数据,利用全局半经验浊度反演算法,建立了适用于武汉水体的浊度反演模型。利用该模型分析了医院建设前、中、后期的知音湖、黄家湖和朱山湖遥感反演的水体浊度变化,发现医院附近的水体与远离医院的水体浊度变化趋势一致,说明医院的建设施工不是影响浊度变化的原因;同时分析了武汉的降雨在医院建设前、中、后期的变化,发现降雨量的变化可能是导致水体浊度下降的主要因素。该研究也表明,国产较高分辨率水色遥感HY-1C卫星CZI传感器具有良好的小型内陆水体浊度动态监测能力。     

资源一号02D高光谱影像内陆水体叶绿素a浓度反演

2019-09-12成功发射的资源一号02D卫星(ZY-102D)搭载了新一代可见短波红外高光谱相机AHSI(Advanced Hyperspectral Imager),其丰富的细分波段和较高的空间分辨率在内陆湖库水质监测方面具有较大潜力,但数据可用性有待分析和验证.本研究以中国华东和华北平原的典型富营养湖库(太湖、...     

资源一号02C星遥感影像融合分析

资源一号02C星搭载了我国民用遥感卫星最高分辨率的多光谱相机,同时还搭载有分辨率高达2.36m的高分辨率相机。基于Gram-Schmidt变换的遥感图像融合方法得到的融合图像,空间分辨率大大提高,同时与原多光谱波段的光谱信息相关性高,光谱保真能力强。相较于主成分分析方法、HSV变换、Brovey方法其更适用于资源一号02C星遥感数据的融合处理。     

ZY-102C星数据在矿山遥感监测中的应用研究与分析

利用资源一号(ZY-1)02C卫星(以下简称02C星)全色高分辨率相机(HR)和多光谱相机(MUX)数据,以河北承德多金属矿区和江西寻乌稀土矿区为实验区,开展了1∶5万矿山遥感监测应用研究;分析了应用过程中存在的问题,提出了解决方案和建议,对02C星数据在矿山遥感监测中的规模化应用起到了示范效果。研究结果表明:在数据处理流程上,对空间分辨率为2.36 m的02C星全色HR1与HR2数据需先进行正射纠正再拼接,对空间分辨率为10 m的多光谱数据MUX可采用假彩色合成方法进行模拟真彩色合成;在矿山地物识别上,与SPOT5图像比较,02C星图像可更好地反映出开采面、开采点、中转场和矿山建筑等矿山地物类型,不足之处是纹理信息较平滑、矿山地物的边界相对模糊,因而增加了室内解译的难度;在经济效益上,02C星数据的性价比优势明显。因此,尽管02C星数据处理和解译工作量较大,但其能满足1∶5万矿山遥感监测要求,总体经济效益显著。     

草型湖泊总悬浮物浓度和浊度遥感监测

草型湖泊水质遥感监测中水生植物会造成“水体—水生植物”混合像元问题，针对因混合像元导致草型湖泊水生植物覆盖区域水质难以直接利用遥感监测的问题，本文以草型湖泊微山湖为研究对象，提出定性和定量相结合的总悬浮物浓度和浊度分区监测方法，实现微山湖水体总悬浮物浓度和浊度的时空变化监测。基于获取的2014年7月—2015年6月覆盖微山湖的多期高分一号（GF-1） WFV和HJ-1A/1B CCD影像，利用归一化水体指数将微山湖区分为水生植物覆盖区和水体区。针对水生植物覆盖区，利用时序MODIS NDVI数据获取微山湖主要水生植物的时谱曲线，识别不同水生植物的物候特征；基于不同物候期内的水生植物对总悬浮物浓度和浊度的指示作用，对微山湖水生植物覆盖区水体总悬浮物浓度和浊度进行定性监测。针对水体区，分别构建水体总悬浮物浓度和浊度的单波段/波段比值模型和偏最小二乘模型，定量反演微山湖水体区总悬浮物浓度和浊度。研究结果表明，微山湖中水生植物以光叶眼子菜、穗花狐尾藻和菹草等沉水植物为主，其中光叶眼子菜/穗花狐尾藻和菹草的空间分布和物候特征存在明显差异，不同水生植物在不同物候期内对水质具有不同的指示作用；微山湖水体总悬浮物浓度和浊度具有显著的空间变异性，基于定性和定量相结合的方法可以有效监测微山湖水体总悬浮物浓度和浊度的时空变化规律。本文提出的定性和定量相结合的监测方法为草型湖泊水质监测的业务化应用提供了新思路。     

大气校正对基于遥感指数提取藻华信息的影响

遥感技术使大范围实时监测蓝藻水华成为可能,但大气效应与太阳、地物及传感器的几何关系会影响辐射传输方程,从而对基于遥感指数的蓝藻信息提取产生影响,因此,探讨这些影响因子对藻华信息的提取精度有着积极意义。基于MODIS大气校正前后2种产品(MOD02和MOD09),利用单波段、比值植被指数、归一化差值植被指数和归一化水体指数4种遥感指数对2006年全年太湖藻华信息进行提取,并定量分析了气溶胶光学厚度、太阳高度角和卫星观测角等因素对遥感指数的影响程度。结果表明:比值植被指数与归一化差值植被指数受大气影响程度较其他二者低,且比值植被指数对大气因素的敏感性较归一化差值植被指数低;气溶胶的光学厚度与太阳高度角在不同程度上对指数提取结果造成影响,因此利用遥感指数提取藻华信息时需谨慎,以避免误判。