北极遥感海冰密集度数据的比较和评估

本文利用2012年夏季中国第五次北极科学考察期间雪龙船在北极东北航道走航观测的海冰密集度数据(OBS-SIC),初步评估了7种基于被动微波遥感的海冰密集度产品(PM-SIC)。7种PM-SIC因传感器和反演方法不同,分辨率差异较大(4—25 km)。在海盆尺度的海冰范围反演上7种PM-SIC基本相同,但对小范围浮冰区的反演差异较大。与MODIS可见光图像对比发现,MASAM数据(4 km)对局部小区域海冰刻画较好,是研究近岸区域或海峡岛屿海冰覆盖范围或面积时的首选产品;7种PM-SIC纬向平均后对比分析显示,不同PM-SIC对网格内是否存在海冰的判断基本一致,但对网格内海冰所占的比例(密集度)判断差异较大。结合OBS-SIC按航线、区域、密集度大小3种不同情况对7种PM-SIC进行分类定量评估,结果表明基于AMSR2传感器的AMSR2/ASI和AMSR2/Bootstrap数据与OBS-SIC偏差较小,平均偏差约±1%,均方根偏差仅11%和12%;而SSMIS/NT数据的偏差最大,平均偏差约–15%,均方根偏差为21%,其严重低估了网格内的海冰密集度值;因此具有更高分辨率的AMSR2/ASI数据(6.25 km)是关注海冰密集度大小时的首选产品。     

基于Landsat8的海冰表面温度反演算法研究

Landsat8影像被广泛应用于陆地表面温度的提取,但基于Landsat8的海冰表面温度产品依旧空缺,且无标准算法可循。基于Landsat8卫星搭载的TIRS传感器获取的热红外波段影像,利用3种常用的劈裂窗算法分别进行海冰表面温度反演,并将结果与浮标实测海冰表面温度数据和MODIS海冰表面温度产品进行了对比和验证。与浮标数据相比,DU C等的算法平均绝对误差和均方根误差最小,分别为1.718 6 K和2.621 3 K,可作为海冰表面温度反演的标准算法;而Jiménez-Mu?oz J C等的算法结果与MODIS冰温产品最为接近,适用于需与已有的MODIS冰温产品联合使用的情况,且两种算法的精度均优于已有的MODIS冰温产品;JIN M J等的算法在研究区域表现不佳。同时,与浮标数据相比,所有基于卫星影像反演的冰温产品在数值上总体偏低。     

微波遥感产品对南极普里兹湾海冰密集度准确性的评估

基于两种船测数据集,本文采用点对点和Beitsch共定位比较法,对被动微波遥感观测海冰密集度产品在南极普里兹湾区域适用性展开了一系列评估。首先,根据2012年—2021年中国第29、31、37次南极科考走航船测数据,依据SIC大小的不同,对8种遥感SIC产品进行了分类定量比较,结果表明NSIDC/NT2算法产品在各情况比较中均体现出最高相关性与最佳稳定性,在共定位比较结果中相关系数可达0.926,均方根差12%,平均偏差仅2%。其次,为弥补基于AMSR-2传感器系列产品历史数据缺乏难以分析长期变化的缺陷,本文同时应用1992年—2000年ASPeCt船测数据集,以相同的对比方式对4种遥感数据产品的季节循环和长期变化信号进行了评估。结果表明,该时间段反演准确度较2012年—2021年的个例比较结果有所降低,且反映出较大的季节差异,4种产品的偏差均出现从融冰期到结冰期的增长。该时间段内,基于SSM/I传感器的CDR与Bootstrap算法整体反演较好,相关系数均达到0.8以上,均方根差16%,偏差约为8%,但是在低SIC区域的反演仍然存在较大的偏差。本研究表明,目前微波遥感SIC产品在较小...     

中分辨率成像光谱仪的海冰密集度遥感反演

海冰信息在船舶运输、天气预报和全球气候预测等领域都起着重要作用。一直以来微波遥感是卫星监测海冰密集度的主要手段,目前基于可见光遥感的中分辨率海冰密集度产品还较少,其中只有NOAA发布了相关业务化产品,但其所采用的算法对低密集度海冰反演准确性仍存在提升空间。本文在Liu提出的算法基础上进行改进,提出了最邻近像素法确定纯冰典型反射率的改进算法,使用MODIS数据作为数据源计算海冰密集度,并使用30 m空间分辨率的Landsat 8 OLI数据作为验证数据进行对比验证。结果表明改进算法可以提高低密集度海冰的反演准确性,改善Liu算法存在过高估计的不足,在海冰密集度0—50%的情况下,Liu算法的平均偏差为13%,标准偏差为38%,改进算法的平均偏差为5%,标准偏差为32%;在海冰密集度0—100%的情况下,Liu算法的平均偏差为4%,标准偏差为32%,改进算法的平均偏差为-3%,标准偏差为28%。针对冰水过渡、碎冰覆盖等低密集度海冰区域,改进算法准确性更高。     

极区海冰密集度AMSR-E数据反演算法的试验与验证

海冰密集度是极区海冰监测的重要参数,目前分辨率最高的微波海冰密集度产品为德国Bremen大学发布的针对AMSR-E 89 GHz频段数据利用ASI算法反演的网格数据。为实现中国极区遥感产品从无到有的战略步骤,本文针对AMSR-E 89GHz频段微波数据的ASI算法,进行了插值算法、系点值和天气滤波器一系列试验。针对北极海区,着重对影响反演结果的主要参数——纯冰和纯水的亮温极化差异阈值,即系点值(P₁和P₀)进行了2009年全年的统计分析。研究表明,2009年北极纯冰和纯水的代表区域P₁和P₀年平均值分别为10.0 K和46.67 K;2 K以上的系点值差异引起的海冰密集度差别较为显著;同样的系点值差异在不同极化差异P取值范围对海冰密集度的影响也不同。通过统计确定的系点值推算并修正了海冰密集度反演公式,对2009年全年北极海冰密集度进行了反演,并与Bremen大学产品进行了比较。继而对白令海和楚科奇海12个晴空下MODIS可见光样本数据进行反演,以验证AMSR-E冰密集度反演结果,并对误差原因进行了分析。本研究反演结果与MODIS样本比对的误差略小于Bremen大学的反演产品,空间平均误差为3.84%,空间平均绝对误差10.83%。     

多源数据检验南极AMSR-E海冰密集度产品精度

根据船测方法在MODIS影像上提取模拟船测海冰密集度,并与船测数据联合验证AMSR-E海冰密集度产品。结果表明,AMSR-E海冰密集度与模拟船测海冰密集度的一致性高于其与船测海冰密集度,且相同时间、相同尺度下的海冰密集度之间一致性较高,不同时间、相同尺度下的海冰密集度之间存在不同程度的差异。     

利用船测数据以及Landsat-7 ETM+影像评估南极海冰区AMSR-E海冰密集度

利用第26次中国南极科学考察期间收集的海冰密集度船基观测资料以及由Landsat-7 ETM+得到的海冰密集度来验证AMSR-E南极海冰区海冰密集度产品的精度。AMSR-E海冰密集度与船基目视观测的海冰密集度存在着一定的线性关系(R²=0.816), 但两者匹配得并不是很好。与ETM+海冰密集度相比,AMSR-E数据趋向于低估海冰密集度,在25景晴空条件下的ETM+影像中,平均海冰密集度偏差(AMSR-E海冰密集度-ETM+海冰密集度)从-5.33%到-21.5%,而相应的均方根误差RMSE (Root Mean Squared Errors)从13.7%到33.8%。依据Landsat-7 ETM+ 海冰分类,AMSR-E数据海冰密集度最大的误差产生于新冰区。     

南极海冰边界AMSR-E密集度产品精度检验

根据海冰船测目视观测标准在MODIS影像上提取模拟的海冰边界,并利用相应的MODIS海冰密集度验证AMSR-E海冰密集度产品在海冰边界的精度。研究结果表明,海冰边界像素上,AMSR-E海冰密集度的平均值与15%阈值存在显著差异,且AMSR-E与MODIS海冰密集度的相关性很弱(R2≤0.2),基于ASI的海冰反演算法在夏季低估边界海冰密集度。考虑整个冰区(包括多年冰、一年冰、新冰和开阔海域)的截线分析显示,AMSR-E与MODIS海冰密集度存在较好的线性关系(夏季R2=0.82,冬季R2=0.81),AMSR-E海冰密集度在20%~30%区间的误差最大。     

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。     

利用星载微波辐射计AMSR-E数据反演海洋地球物理参数

从微波辐射传输原理出发, 通过理论模拟的亮温建立了海洋和大气参数的反演算法, 利用AMSR-E数据进行地球物理参数的反演验证, 并利用Wentz算法进行相同参数的反演, 以判断反演的效果。研究表明：在使用各种方法进行参数反演的时候, 反演结果和实际值之间存在很好的相关性, 但是都存在一个系统偏差需要修正。通过与NCEP和TAO浮标两组数据的比较发现, 同样的算法反演结果的均方根误差不同, 采用浮标数据比较的反演结果明显好于NCEP数据, 原因可能是NCEP数据存在一定的不确定性。算法反演大洋海面温度和风速的均方根误差分别为0.73K和1.21m/s。     

计算子午线弧长与底点纬度的常微分方程数值解法

计算子午线弧长与底点纬度本质上是解算标准的一阶常微分方程。为了研究利用常微分方程数值解法进行子午线弧长与底点纬度计算的可行性与可靠性,选取大地纬度自0°起以步长1″依次增大至90°,共计324 001个样本数据,分别基于求解常微分方程的Euler算法、改进的Euler算法以及二阶、三阶、四阶Runge-Kutta算法对其进行了数值计算。并与传统算法结果进行比较,从数值算法结果的精度、运算速度、自洽程度等方面对数值算法质量进行评价。计算结果表明:利用常微分方程数值解法求解子午线弧长与底点纬度的方法,能够得到与传统算法精度一致的结果;且数值算法运算速度大约是传统算法的2倍,其中四阶Runge-Kutta算法的精度与自洽程度最高。这表明,常微分方程数值解法比传统算法更适用于子午线弧长和底点纬度的大数据计算。     

Delaunay三角形构网的分治扫描线算法

Delaunay三角网作为一种主要的DTM表示法,具有极其广泛的用途。基于分治算法和逐点插入法的合成算法是目前研究较多的用于生成Delaunay三角网的合成算法。简要介绍和评价扫描线算法和分治算法后,提出一种新的基于这两种算法的合成算法。该方法兼顾空间与时间性能,稳定性较高,分别较扫描线算法和分治算法,运行效率和鲁棒性更优。     

利用Douglas-Peucker并行算法在多核处理器上实时综合地图线要素

Douglas-Peucker算法是线要素简化的经典算法,针对其存在大量计算、难以做到实时的缺点,运用并行技术实现Douglas-Peucker算法,并在多核处理器的计算机上进行实验,验证了并行算法的效率与实时性。     

计算子午线弧长的三类算法及其分析比较"

多项式展开算法是计算子午线弧长的传统方法,为了研究利用数值积分算法和常微分方程数值解法进行子午线弧长计算的可行性与可靠性,本文选取大地纬度自0°至90°的3组样本数据(间隔距离分别为1°、1'、1″),分别基于多项式展开数值积分算法和常微分方程数值解法,计算得到各组样本数据的子午线弧长,并通过算法计算结果精度和运算速度两个方面对数值算法的质量进行了评价。计算结果表明:数值积分算法和常微分方程数值解法均可以得到与多项式展开算法精度相同的结果;数值积分算法可通过减小步长以提高计算结果精度,但运算速度急剧降低;3阶、4阶的Runge-Kutta算法不仅运算结果精度高,而且运算速度也比传统算法快3倍多,表明了常微分方程数值解法更适用于子午线弧长的大数据计算。     

GABA算法的遥感图像分类

为了弥补蝙蝠算法后期收敛速度慢、寻优精度不高、易陷入局部最优值的缺点,本文提出了一种新的遥感图像分类算法--GABA算法,该算法将遗传算法中的选择、交叉、变异操作应用到蝙蝠算法中,使蝙蝠算法具有变异机制,避免种群个体陷入局部最优,提高了算法全局寻优能力,增加了蝙蝠算法的多样性。同时,为了突出本文算法的优点,试验将蝙蝠算法、K-means算法、粒子群算法与本文算法结果进行比较,分析评价遥感图像的分类结果。试验表明本文算法在遥感图像分类应用中既提高了分类精度又减少了分类时间,是一种可行、有效的遥感图像分类方法。     

一种虚拟空间划分的室内指纹库定位方法

RSSI测量距离技术被广泛应用于距离定位的领域。针对传统的Zigbee指纹定位算法和复杂环境,文章提出了一种虚拟空间划分的Zigbee指纹库定位算法,其中包括虚拟空间划分最邻近定位算法、虚拟空间划分加权最邻近定位算法和虚拟空间划分贝叶斯定位算法。实验结果表明,在最优情况下,此方法能将定位误差抑制在1.50m。     

时空谱多星协同任务规划算法研究

介绍了多星协同任务规划的重要性以及时空谱多星协同任务规划的优点,基于时间、空间和光谱协同观测约束优化模型,以金矿尾矿库污染、水资源污染和耕地荒漠化问题为例ꎬ分别在新疆伊犁河流域尾矿库区域、塔里木河流域和阿克苏区域随机生成观测任务,根据观测任务选取了多个成像卫星,通过仿真实验研究了基于启发式规则的贪婪算法、遗传算法、爬山算法对模型的求解效率和优化结果.验证了引入适宜度的必要性ꎬ以未观测点、任务适宜度、优先级、任务总价值为比较指标ꎬ综合分析和比较任务的总价值,验证了贪婪算法在本文模型中优于遗传算法和爬山算法.     

InSAR相位解缠算法的比较

相位解缠作为合成孔径雷达干涉测量(InSAR,Interferometric Synthetic Aperture Radar)中一个关键的步骤,为获取地形高程提供了基础。相位解缠的质量将直接影响着DEM生成的质量。对现有的几类算法进行实验分析,并对解缠结果的质量进行比较,分析其精确性。结果表明:统计耗费网络流算法具有较好的解缠连续性以及较高的精度,可以获得一个较优的全局解。     

高分辨率遥感影像分割的城市绿地提取研究

城市绿地是生态文明建设的重要组成部分，绿地信息提取是城市绿地规划和建设的基础和前提。遥感影像分割是绿地信息分类提取的关键步骤，选择合适的影像分割方法能有效提高城市绿地提取精度。传统的遥感分割方法分割结果中边缘锯齿现象严重，与绿地实地边界相差较大，不符合绿地信息提取的要求。本文以高分辨率的WorldView影像为数据源，使用深度学习网络DeepLab-v3+对城市绿地进行分割研究，在分割基础上进行城市绿地信息提取。同时，本研究将该网络模型的分割和分类结果与基于Ostu、MeanShift、FNEA分割算法的分类精度进行比较。研究表明：DeepLab-v3+的分割性能最好，其分割边缘光滑，与绿地实地边界吻合度高，有效解决了传统分割算法的边缘锯齿问题；在各种分割分类算法中，DeepLab-v3+的分类精度最高，达到98.01%。     

一种运用AKAZE特征的无人机遥感影像拼接方法

针对无人机遥感影像旋偏角大、地面覆盖范围小等特点,提出一种运用AKAZE特征匹配算法实现无人机遥感影像的快速拼接。该方法利用AKAZE算法提取影像特征点,采用比值法、RANSAC算法计算出拼接序列之间的单应矩阵,通过中心距离范数加权法进行融合。实验表明,其配准精度优于ORB算法,与SIFT算法相当,而运算效率高于SIFT算法,但不及ORB算法,是一种稳定高效的无人机影像拼接算法。