陆表水体遥感监测研究进展

江河湖泊等陆表水体在工农业生产、气候调节、生态系统维持等方面扮演着至关重要的角色。在气候变化与人类活动的作用下,陆表水体的空间分布始终在发生着变化,因而对其进行快速精准的时空变化监测对水资源管理与保护、未来气候变化预测等有着重要的意义。遥感技术为大范围水体动态监测提供了全新的技术手段,特别是在当前地球大数据背景下,水体提取算法不断改进,遥感数据源急剧增加,但缺乏对算法和数据演化过程的系统整理。鉴于此,本文对现有水体提取算法与遥感数据进行了综合梳理,归纳了单波段阈值法、多波段谱间关系法、水体指数与阈值法、支持向量机、随机森林、深度学习等常用算法的演变,以及遥感数据源由低（MODIS等）到中（Landsat等）和高（高分1/2号等）空间分辨率的发展过程,并在此基础上讨论了各算法与数据源在水体变化研究中的差异。此外,本文论述了数据处理平台由本地计算到高性能云计算平台（如谷歌地球引擎）的发展,云计算促进地表水变化研究由基于时间片段到基于时间序列连续过程分析的转变,以及云计算在大尺度范围的应用。最后,本文还对多源遥感数据融合与云计算平台的结合在地表水体连续变化监测中的应用进行了展望,并对不同类型水体提取的不确定性进行了讨论。     

基于2种夜间灯光影像亮度修正指数的城市建成区提取研究

夜间灯光影像容易受到道路灯光、水面散射等影响而产生背景噪声,这一定程度上影响了利用夜间灯光数据提取建成区的精度。本文基于夜间灯光影像的DN（Digital Number）值与路网密度正相关、与EVI指数（Enhanced Vegetation Index,增强型植被指数）呈负相关的规律,提出了2种可用于建成区提取的夜间灯光亮度修正指数：EVI夜间灯光亮度修正指数EANI (EVI Adjusted Nighttime Light(NTL) Index)和基于道路网密度与EVI指数的夜间灯光亮度修正指数REANI (Road Density & EVI Adjusted NTL Index),并利用珞珈1号卫星（LJ1-01,分辨率约130 m）影像和NPP-VIIRS影像（分辨率约 500 m） 2种不同空间分辨率夜间灯光遥感影像进行验证。以2018年徐州市建成区为研究对象,分区域（主城区、外围区）利用阈值法对2种原始夜间灯光影像、经EANI指数和REANI指数处理后的影像进行建成区提取,得到6种建成区提取的结果。研究表明： ① EANI指数和REANI指数能够有效抑制夜间灯光影像的背景噪声,建成区提取的结果均优于直接利用原始影像的结果,特别是对于城市化水平较低地区的建成区提取效果更佳;② 相较于NPP-VIIRS影像,利用LJ1-01影像提取建成区的效果提高6%左右,说明我国的LJ1-01夜间灯光影像在建成区提取方面有广阔的应用前景。EANI和REANI为建成区提取提供了有效工具,并可应用于城市规划和城市扩张等研究领域。     

中国大城市的城市组成对城市热岛强度的影响研究

城市的快速扩张诱发并加剧了城市热岛效应,对人类健康和生存发展提出严峻挑战,因此,探索城市组成对城市热岛的影响具有重要意义。本研究在传统城市热岛影响因子的基础上,重点分析城市组成与城市热岛的关系。以13个中国大城市为研究区,利用2015年夏季（6-8月）白天和夜间的MODIS LST数据计算城市热岛强度,并结合土地覆盖数据、人口、区位和气象数据,分析热岛强度和城市地表组成、地表空间格局、人口和区位4类因子的关系。研究结果表明：中国的13个大城市均存在不同程度的热岛效应,城市白天的热岛效应比夜间显著。影响城市白天热岛强度的主要因子为城市建筑用地和林地面积比例、城市建筑用地和林地平均斑块面积、城市建筑用地聚集度和人口密度。城市建筑用地和林地平均斑块面积、城市建筑用地聚集度和林地斑块密度是夜间热岛强度的主要影响因子。城市建筑用地面积和乡村林地面积的增加会导致城市热岛情况的加剧,而通过调节城市地表空间格局（减少平均建筑用地斑块面积和降低建筑用地斑块聚集度）可以更好地降低城市地表温度,减缓城市热岛效应。     

空间分辨率与纹理特征对多光谱遥感分类的影响

多光谱遥感分类与影像空间分辨率有着密切的关系,在适宜空间分辨率影像上进行地物分类能够获得更高的精度。随着遥感影像空间分辨率的提高,纹理特征被广泛用于遥感分类,但由于不同地类空间尺度不同,纹理对不同地物分类的影响程度也有所差异。本文基于高分一号2 m全色和8 m多光谱影像融合后的高空间分辨率多光谱数据构建反射率空间序列,选用3种分类方法对序列分类,并分别计算2 m融合数据及8 m多光谱影像的纹理特征,选择特征波段与相应多光谱波段组合用以分类研究,最后计算混淆矩阵评价分类精度。研究结果表明,通过回归分析得到多光谱分类的最佳空间分辨率为5 m,与其他研究中利用全色波段分类的结论一致,这说明最佳空间分辨率的选择不受光谱信息影响;对多光谱分类精度随空间分辨率变化的变化趋势分析发现,分类精度在20~30 m分辨率范围区间内快速降低,这为多光谱遥感分类数据空间分辨率的选择提供了重要参考;此外,对光谱与纹理特征结合后不同地类分类精度的变化分析显示,加入纹理特征后,冬小麦、人工建筑、有林地和水体的分类精度在2 m分辨率下分别提高了1.49%、1.51%、4.94%、1.54%,8 m分辨率下分别提高了2.95%、10.95%、5.91%、5.14%,说明引入纹理特征有利于提高分类精度,但其对不同地物类型、不同分辨率影像的影响程度不同。     

改进的DisTrad模型在地形起伏区地表温度空间分辨率提升的应用

DisTrad（Disaggregation procedure for radiometric surface temperature）模型是常用于遥感地表温度空间分辨率提升的主要模型之一。DisTrad模型常面向空间范围有限、地形相对平坦的研究区域,且常选用植被参数（如植被指数或植被覆盖度等）作为关键参数。然而在空间范围较大、地形起伏地区,地表温度的空间变异可能无法完全通过植被参数解释。本研究选取四川盆地及毗邻地区为研究区,通过模拟数据研究DisTrad模型在地形起伏区地表温度空间分辨率提升中的适用性。数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）、归一化差值植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）等参数,采用滑动窗口逐步回归,将空间分辨率为6km的地表温度提升至空间分辨率为1km。研究结果表明,改进的模型在平原及海拔较低的高原地区提升获得的地表温度空间分辨率具有较高精度,均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）为0.5K左右;在地形起伏较大的地区,RMSE为4K,验证了改进的模型提升的可行性。     

基于夜间灯光数据估算安徽省县级尺度城镇化水平

城镇化是地区经济发展和社会进步的重要标志,研究城镇化水平对城镇科学发展和政府高效决策具有重要意义。夜间灯光数据包含了人类活动和经济社会发展等信息,弥补了指标法的不确定性和滞后性等不足,可以更加直观地反映城镇化水平,为城镇化研究提供了新的思路。现有的研究,已经有用夜间灯光数据分析宏观尺度的城镇化水平,但由于DMSP-OLS数据和NPP-VIIRS数据的时间范围均较短,且2种数据的时间尺度不连续,且空间分辨率和辐射分辨率不一致,因此目前主要集中于使用一种夜间灯光数据研究城镇化水平,且研究的时间跨度较短。此外,虽然已有研究表明,大尺度的社会经济活动与夜间光照情况有较强的相关关系,但在较小尺度下,这种相关性受地区经济发展以及灯光数据分辨率的影响较大,对估算精度有更高的要求,因此需要使用实际数据证明使用夜间灯光数据估算县级城镇化水平的合理性。本文使用DMSP_OLS和NPP_VIIRS夜间灯光数据,估算了2006—2015年安徽省县级尺度城镇化水平,为夜间灯光数据在长时间序列的城镇化研究中提供理论支撑。首先分别计算DMSP-OLS和NPP-VIIRS平均夜间灯光指数,以NPP-VIIRS灯光指数为自变量,以DMSP-OLS灯光指数为因变量,对2012年和2013年的2种灯光指数年数据进行曲线拟合,建立2种灯光数据的对应关系,得到2006—2015年安徽省各区县的DMSP-OLS平均夜间灯光指数;然后从人口、经济、社会生活和农业机械化4个方面选取城镇化指标,使用层次分析法计算基于统计数据的城镇化水平;最后将灯光指数与基于统计数据的城镇化水平进行相关性分析和线性回归分析,讨论了安徽省各区县灯光指数和基于统计数据的城镇化水平的时空分布的异同点,分析了同时使用两种灯光指数估算长时间序列城镇化水平的合理性。研究结果显示,灯光指数和基于统计数据的城镇化水平在县级尺度上具有高度相关性,相关系数为0.91（P<0.05）,线性回归的拟合优度R²=0.82。灯光指数和基于统计数据的城镇化水平的时空分布基本一致,空间上,安徽省城镇化水平整体分布不均衡,呈现出东高西低的规律;时间上,2006—2015年城镇化水平呈现逐年增长的趋势,合肥市辖区、马鞍山市辖区等发达城区的城镇化水平增长速度较快,而霍丘县、寿县等经济欠发达地区增长较缓慢。     

黑臭水体水面阴影提取的自适应阈值算法研究

黑臭水体水面阴影对水面光谱信息产生干扰,严重地影响了利用高空间分辨率遥感数据进行水质状况监测的精度,因此,在数据预处理中必须进行阴影剔除。本研究基于无人机高光谱遥感数据,通过分析各种波段组合下黑臭水体水面的阴影像元和水体像元的光谱特征空间,选择以492、666和792 nm处的反射率建立黑臭水体的河面阴影指数（RSSI）,并利用最大类间方差法（OTSU）自动确定划分本影、半影以及水体的阈值。利用南京金川河和龙江河的无人机高光谱遥感影像对算法进行测试,结果表明：RSSI阴影指数能突出显示阴影与水体的差异;OTSU自适应确定的阈值能较好地区分本影、半影和水体,阴影的总体识别精度达到85%以上。该算法能够有效地识别黑臭水体水面阴影,为后续开展水体的定性、定量遥感监测提供数据预处理的技术支持。     

遥感建筑用地信息的快速提取

建筑用地的急剧增加和耕地资源的迅速减少,使得土地利用动态变化监测显得尤为重要。遥感作为监测土地利用动态变化的一种有效手段,已经得到日益广泛的应用。但是建筑用地由于其光谱的异质性,而难以用简单的方法将它们从遥感影像中准确提取出来,遥感建筑用地指数(Index-based Built-up Index,IBI)是针对这一问题提出的。它的构建采用的是三个专题指数波段(SAVI植被指数、MNDWI水体指数、NDBI建筑指数),而不是影像的原始波段。由于这三个指数互为负相关,因此,可以有效地增强和提取遥感影像中的建筑用地信息。通过将IBI指数提取建筑用地的影像处理过程编成可自动执行的模块,并集成于大型的遥感商业软件中,使得影像数据处理和建筑用地信息提取时间大大缩短,提高了建筑用地信息增强和提取的效率。     

基于广义回归神经网络的京津冀地区土壤湿度遥感逐日估算研究

土壤湿度是地表水热交换过程和水文循环中的一个关键组成部分,获取高时空分辨率的土壤湿度数据一直是当前研究的热点。SMAP（Soil Moisture Passive and Active）主被动微波土壤湿度产品的精度高,但存在着空间分辨率低和时间分辨率缺失的问题,这限制了其在区域尺度上的应用,为解决这一问题得到更高时空分辨率的土壤湿度产品,本文利用广义回归神经网络模型（GRNN）模拟了MODIS地表温度、反射率、植被指数光学/热红外遥感数据以及高程、坡度、坡向、经纬度数据与SMAP土壤湿度的关系,从而将京津冀地区SMAP L2土壤湿度产品的时间分辨率由不连续（4~20 d）提升至1 d,空间分辨率由3 km提升至1 km,并扩展其在京津冀地区的空间覆盖范围。研究发现:① GRNN模型总体验证结果表明土壤湿度估算值与SMAP原始值的相关性较高（r=0.7392）,均方根误差（RMSE）为0.0757 cm3/cm3;② 不同季节典型日期的GRNN模型估算结果精度相差较大,春季处的相关性相比其他季节最低,精度相对较高（r_春=0.6152,RMSE_春=0.0653cm3/cm3）,秋季和夏季土壤湿度估算精度较为接近（r_夏=0.6957,r_秋=0.7053,RMSE_夏=0.0754cm3/cm3,RMSE_秋=0.0694cm3/cm3）,冬季的估算精度最高（r_冬=0.8214,RMSE_冬=0.0367cm3/cm3）;③ 2016年京津冀夏秋季节的土壤湿度较其他季节要显著提高,空间分布上坝上高原区域较低,而沿海地区的土壤湿度明显较高。本研究对京津冀地区的生态水文、气候预测以及干旱监测等应用领域具有重要价值。     

中国陆表水空间展布及动态变化分析

陆表水是维持人类生存的重要资源之一,而中国是水资源严重匮乏的国家之一。因此,掌握中国陆表水的空间分布及其变化状况对合理利用水资源、提高人们节约用水意识等具有重要作用。利用全球首套空间分辨率为30m的全球地表覆盖数据(Globe Land30))中的2000年和2010年两期数据,首先采用重分类的方法提取出我国2000年和2010年的内陆地区水体数据,再根据我国的主要流域和等降水量线数据,统计出各流域及各降水区域的水域面积、水域率数据,并对其动态变化进行分析。结果表明,我国水资源分布不均,呈现明显的南多北少、东多西少的态势。从2000到2010年,我国的陆表水水域面积趋于减少,其中以长江流域水域面积的减少最为明显。     

疟疾预测的遗传规划方法与应用——以安徽省县（市）疟疾发病率为例

疟疾是世界上最严重的一种寄生虫疾病,安徽省是典型的中纬度疟疾高发区域之一。本文以安徽省县级行政单元统计的疟疾发病率为例,从遥感监测数据中获取疟疾潜在驱动因素的数据,使用遗传规划方法建立遥感监测的环境因素与疟疾发病率之间的关系,从而预测疟疾发病率的空间分布,并分析预测结果、评价模型精度。结果表明,遗传规划方法预测的疟疾发病的精度（训练数据的预测R² = 0.558,检验数据R² = 0.429）较线性逐步回归方法的预测精度（训练数据的预测R² = 0.470,检验数据R² = 0.408）有所提高。遗传规划方法有利于提高预测疟疾发病率空间分布的精度。其为使用遥感监测数据预测疟疾的空间分布和变化的科学研究提供依据。     

基于HJ-1B/IRS的重庆市热岛效应监测应用

本文利用MODIS数据反演大气透射率,利用HJ-1B/CCD进行分类,并反演地表比辐射率.在此基础上,借鉴单窗算法,利用HJ-1B/IRS数据反演得到地表温度,并利用MODIS温度产品对反演结果进行了初步验证.最后利用热场变异指数进一步分析重庆的热岛空间分布特征,并对NDVI与NDBI对热岛效应的影响进行了分析.其结论...     

鄱阳湖南矶湿地景观信息高分辨率遥感提取

鄱阳湖南矶湿地是亚热带典型过水性湿地,由于该区域水文情况复杂,且泥滩、沼泽和疫水（血吸虫）分布较广,导致野外考察验证工作困难,使用传统的遥感信息提取方法很难保证该地区湿地景观的提取精度。本文以高分一号影像为数据源,综合运用数字高程模型（DEM）、归一化植被指数（NDVI）、归一化水体指数（NDWI）等辅助数据,采用面向对象分类方法,对鄱阳湖南矶湿地景观信息进行提取研究,并取得了较好的分类效果。研究结果表明：（1）基于国产高分辨率影像的面向对象分类,既兼顾了国产高分辨率影像光谱、空间、结构、纹理信息,又综合利用多源辅助数据参与到分类计算中,分类精度得到明显的提升;（2）基于面向对象与多源数据分类方法对湿地混合像元有较好地识别能力,可获得较高的总体分类精度（94.3275%）和Kappa系数（0.9324）,说明利用多源数据的面向对象方法提取湿地信息是可行的,其分类结果具有较高的准确性和可信度,较好地解决了过水性湿地景观分类问题;（3）该分类方法弥补了单一遥感影像分类方法的不足,对研究国产高分卫星在提取过水性湿地景观信息方面具有重要的参考和实际意义。最后,分析了多源数据面向对象分类尚待解决的问题和下一步的研究方向。     

Vegetation change of ecotone in west of Northeast China plain using time-series remote sensing data

Multi-temporal series of satellite SPOT-VEGETATION normalized difference vegetation index (NDVI) and normalized difference water index (NDWI) data from 1998 to 2007 were used for analyzing vegetation change of the ecotone in the west of the Northeast China Plain. The yearly and monthly maximal values,anomalies and change rates of NDVI and NDWI were calculated to reveal the interannual and seasonal changes in vegetation cover and vegetation water content. Linear regression method was adopted to characterize the trends in vegetation change. The yearly maximal NDVI decreased from 0.41 in 1998 to 0.37 in 2007,implying the decreasing trend of vegetation activity. There was a significant decrease of maximal NDVI in spring and summer over the study period,while an increase trend was observed in autumn. The vegetation-improved regions and vegetation-degraded regions occupied 17.03% and 20.30% of the study area,respectively. The maximal NDWI over growing season dropped by 0.027 in 1998–2007,and about 15.15% of the study area showed a decreasing trend of water content. Vegetation water stress in autumn was better than that in spring. Vegetation cover and water content variations were sensitive to annual precipitation,autumn precipitation and summer temperature. The vegetation degradation trend in this ecotone might be induced by the warm-drying climate especially continuous spring and summer drought in the recent ten years.     

北京市热岛效应时空变化的HJ-1B监测分析

 本文利用2008-2011年HJ-1B/CCD可见光-近红外数据,以及HJ-1B/IRS热红外数据,采用遥感算法反演北京市地表温度,并用MODIS地表温度产品对反演结果进行了初步验证。同时分析了北京市热岛效应的年际、年内变化趋势。另利用热场变异指数分析其空间分布特征,以及NDVI、NDBI与城市下垫面对热岛效应的影响。结果表明:(1)2008-2010年北京市热岛强度总体呈上升趋势,2011年有所缓解,4年热岛强度分别为:5.2℃、5.2℃、9.2℃、8.2℃;(2)北京市2010年四季存在明显热岛现象,夏季最强,春、秋次之,冬季最弱,四季热岛强度分别为8.2℃、9.4℃、9.2℃、4.3℃;(3)2008-2011年北京市热岛空间分布特征表明,房山区和大兴区的南部热岛效应逐年缓解,2011年昌平区热岛效应比前3年明显,植被和水体形成城市冷岛;(4)地表温度与NDVI呈明显负相关,与NDBI呈正相关,城市热岛效应与下垫面类型存在明显相关性。     

面向数据共享的城镇化信息快速提取技术方法与应用——以江苏盐城为例

随着世界经济的发展,全球城镇化进程正在以前所未有的速度进行。城镇化带来的耕地占用、生态环境破坏、水资源短缺等问题日益受到关注。快速获取和共享城镇变化信息对于人地关系研究及可持续发展意义重大。借助遥感手段监测城镇变化信息,已经普遍得到应用,目前,多光谱遥感数据是最经济和可行的遥感监测数据源。本文基于多光谱卫星数据,有效利用城镇地区特有的地物光谱特征,建立不同类别城镇信息的提取模式和技术流程。这些可以通过多光谱遥感数据提取的信息包括城镇建成区、水体和绿地等。选择我国东部沿海区域内城镇化进程明显的江苏盐城主城区作为试验点,基于地物光谱特征分析,依据本文建立的城镇化信息提取流程,采用阈值分析和二值化处理方法,实现了盐城市亭湖区主要城镇区2000、2002、2006年三期城镇信息快速提取,使在更大范围内,促进此类信息的快速获取和共享,具有现实意义。     

基于NDBI指数法的城镇用地影像识别分析与制图

高级空间热辐射热反射探测仪(ASTER)遥感影像与一般遥感影像相比,能为对地观测提供更高质量的信息源。本文以福州市的ASTER影像为数据源,用归一化建筑指数(NDBI)提取城镇用地专题信息,并与非监督和监督自动分类提取的结果作比较,结果表明:运用NDBI指数法提取ASTER影像的城镇用地专题信息,不仅能获取较高精度,而且能在一定程度上区分新老建筑。     

基于逻辑回归模型和3S技术的思南县滑坡易发性评价

区域滑坡易发性评价对滑坡灾害防治具有重要意义，贵州省思南县由于其特殊的自然地理和地质条件，受滑坡地质灾害的影响非常严重，因此，非常有必要对思南县的滑坡易发性进行评价。在滑坡编录的基础上，采用由RS、GIS和GPS组成的3S技术，获取了思南县的数字高程模型、坡度、坡向、剖面曲率、坡长、岩土类型、地表湿度指数、距离水系的距离、植被覆盖度和地表建筑物指数10个滑坡影响因子；再在频率比和相关性分析的基础上，利用逻辑回归模型对思南县的滑坡易发性进行了评价并绘制了易发性分布图。结果表明:利用逻辑回归模型预测思南县滑坡易发性的准确率(AUC值)达到0.797，较为准确地预测出了思南县滑坡分布规律；极高和高滑坡易发区主要分布在高程低于600 m、地表坡度较大且以软质岩类为主的区域；而极低和低滑坡易发区主要分布在高程较高、地表坡度较小且以硬质岩类为主的区域。