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。     

感知海洋的脉动——海洋动力环境卫星

正海洋是构建人类命运共同体过程中的重要平台和枢纽,系统认识和了解海洋是人类生存和可持续发展的基础。始于20世纪70年代的卫星观测技术,为人们快速和大面积获取全球海洋环境信息提供了有效技术手段,之后的几十年间,依托航天强国战略,不断发展各类海洋观测卫星,为系统研究和认知海洋提供了大量宝贵的卫星遥感数据。我国有专门的海洋卫星计划,按海洋水色(HY-1)、     

利用卫星测高技术研究地面沉降的初步探讨

基于雷达波卫星测高技术,通过数据处理获取华北平原和华东地区的地面沉降数据;优化地球物理参数和环境改正数,利用高精度SRTM模型进行地形坡度改正,通过改进的阈值算法提高测高数据的观测精度。将获取的地面沉降速率与GNSS基准站观测结果进行比较,偏差为-3.4±9.1 mm/a,相关性为0.88。采用阈值法和改进阈值法进行波形重跟踪改正的偏差分别为-3.2±5.5 mm/a和-2.9±4.1 mm/a,相关系数分别为0.94和0.97。实验结果表明,卫星测高可应用于地面沉降监测研究,尤其在缺少GNSS或传统水准监测数据的偏远地区的地面沉降监测中具有重要的研究价值。     

基于GNSS和SLR观测数据的北斗卫星(GEO/IGSO)精密定轨

研究了联合GNSS和卫星激光测距（satellite laser ranging,SLR）观测数据对北斗卫星定轨精度的影响。仅利用GNSS观测值对北斗卫星进行定轨时,C01、C08和C10卫星的SLR检核结果显示,这3颗卫星的SLR残差均存在一定的偏差且不相同。加入SLR观测值联合定轨时,分别对估计和不估计系统偏差的卫星轨道结果进行分析。结果显示,对C01（GEO）卫星加入SLR观测值时必须引入系统偏差,否则会使轨道偏离;C08和C10（IGSO）卫星估计和不估计系统偏差时对预报轨道的精度均有一定的改善。最后统计了这3颗卫星的系统偏差,C01卫星的系统偏差达到50 cm,C08和C10卫星的系统偏差在5 cm以内。     

基于主波峰的自适应波形重跟踪算法研究

构建基于主波峰的自适应波形重跟踪算法（AMWRT）。首先提取主波峰,然后对主波峰分别应用经典的重心偏移法（OCOG）及阈值法（threshold）进行波形重跟踪,并进行精度比较,得到最优的观测水位。将AMWRT、OCOG和threshold法应用于长江中游地区,结果表明：1）测高卫星观测的长时间水位序列与水文站实测数据趋势较为一致;2）AMWRT算法相较于OCOG法及threshold法表现良好,比其中表现最好的经典threshold_0.5法的精度提高了30%,其绝对平均误差（MAE）和均方根误差（RMSE）分别降低至0.55 m和0.72 m。     

基于SAR影像后向散射特性的中俄黑龙江流域洪水监测

黑龙江（又称为阿穆尔河）是中国和俄罗斯之间的国际界河,近年来洪水事件频发,给流域内中俄两国带来巨大的人口伤亡和经济损失,加强该流域的洪水监测是两国面临的共同紧迫需求。传统的光学遥感影像受制于洪水期间多云多雨的天气状况,难以及时获得无云影像。本文充分利用全天候雷达数据的优势,提出了一种基于哨兵1号（Sentinel-1）合成孔径雷达数据监测大面积区域洪水的方法。通过Gamma分布和高斯分布拟合SAR影像后向散射系数的概率密度分布,迭代后验概率差值,自动获得全局阈值来分割初始的水体,基于辅助数据细化去除了初始水体中与水体相似的误分类型,并由形态学操作后处理提高了提取的洪水的均匀性。结果表明：① 与传统的分割算法相比,本文提出的方法基于SAR影像后向散射系数的分布规律进行概率密度函数分段拟合,将全局统计划分为局部关系,显著地改善了常规分割算法在水体和非水体像素量级相差过大而表现不佳的情况;② 研究获得了2017—2020年逐年的洪水分布,结果总体精度在87.78%~94.89%之间,Kappa系数在0.76~0.89之间;③ 特别是对于大面积半干旱地区,本文结合了后向散射特性、地形和其他辅助信息的关系,使得能够有效地保留水体并去除与水体后向散射系数相似的地物;④ 结果显示黑龙江（阿穆尔河）中下游沿岸城市哈巴罗夫斯克、阿穆尔斯克等地区为经常性泛洪区域,洪水面积整体呈增加趋势。研究表明,基于雷达数据对洪水空间范围进行时间序列监测,可以为中俄黑龙江流域洪水发展动态监测提供科学支撑。     

一种基于GPS/BDS观测值的抗多路径误差导航定位算法

提出一种抑制卫星导航定位中多路径误差的算法,采用双卫星系统GPS/BDS的伪距和多普勒观测值,增加了观测值数据的有效性,结合抗差自适应卡尔曼滤波模型,减弱了城市稠密建筑中卫星导航定位多路径误差对定位的影响。城市车载实验结果显示,与GPS单系统伪距定位相比,采用GPS/BDS伪距定位,点位精度由4.9 m提高到4.3 m;采用本文算法,点位精度进一步提高到3.4 m,验证了本文算法的有效性。     

结合改进的降斑各向异性扩散和最大类间方差的SAR图像水体提取

利用遥感成像技术获取地面水体信息对水资源调查、自然灾害评估、流域规划和生态环境监测等具有重要意义,其中SAR成像作为大范围地面监测的可靠数据源,拥有全天时、全天候、广覆盖等光学遥感系统所不具有的优点,在水体提取中得到了广泛的应用。但由于受SAR图像相干斑噪声的影响,现有水体提取方法难以迅速、精确提取SAR图像中复杂精细的自然水体结构。为此,提出一种结合改进的降斑各向异性扩散和最大类间方差的SAR图像水体提取方法。首先,利用降斑各向异性扩散滤波SAR图像,在迭代滤波过程中通过计算图像间平均结构相似度自适应控制迭代过程,使其同时保持精细边缘和纹理结构;然后,以类间方差最大为准则,自适应确定阈值,实现滤波结果图像二值化分割。在二值化分割结果中,搜索具有相同像元值且位置相邻的前景像元点组成的连通区域,使每个单独的连通区域形成一个被标识的块,通过获取这些块的几何参数来消除图像的误分割,精确划定真实的水体区域,以实现SAR图像水体提取。为了验证提出方法的准确性,将本文方法提取的水体边界与人工绘制的水体边界叠加,结果表明二者可较好吻合。同时,从视觉、提取精度和运行时间对本文方法与目前常用3种SAR图像水体提取算法的结果进行比较分析,其中本文方法的运行时间满足实时应用的要求,提取结果的边界在2个像元评级区重叠度均达到80%,明显优于其他方法且本文方法提取结果在边界及细节信息等视觉方面也更加显著。对结果的定性及定量评价表明本文方法的优越性。     

水体表面温度反演研究综述

水体表面温度是研究全球或区域气候变化、数值天气预报的重要参数,是控制水体与大气热量、水分交换的重要变量,对理解水体生物物理过程具有重要意义。卫星观测水表温度具有传统手段不可比拟的技术优势,同时也存在精度和质量上的限制和挑战。本文总结了观测水表温度常用的红外、微波传感器及其分辨率特征,并比较分析了各类传感器的优势、劣势和分辨率适用的时空尺度;在区别不同手段观测的水表温度基础上,分别概述了红外遥感和微波遥感反演水表温度的理论基础,以及常用的算法模型;基于水表温度反演的原理和过程,系统分析了云、水汽、气溶胶、比辐射率等不确定性因素,对反演精度的影响及解决方法,并对精度验证方法做了简单介绍;最后,对水体表面温度反演的发展趋势进行了展望,并指出多源数据的同化融合、优势互补是提升水温反演精度的重要途径。     

面向对象的极高海拔区水体及冰川信息提取——以珠穆朗玛峰国家级自然保护区核心区为例

极高海拔地区多为河流发源、冰川发育地,由于地形起伏强烈,且野外考察验证工作困难,传统的遥感信息提取方法很难保证该地区水体及冰川的提取精度。本文基于ASTER影像,运用面向对象的图像信息自动分析方法,对珠穆朗玛峰国家级自然保护区核心区的水体及冰川信息进行了提取研究。为保证信息提取的准确度,将数字高程模型(DEM)及其衍生数据(坡度、坡向),归一化植被指数(NDVI)数据,及有助于区分水体、冰川与其他地物的相关指数(冰雪指数NDSII)及波段运算结果(b1-b3)、(b3/b4)等,分别作为一个波段叠加到原始图像中,使之成为对目标地物光谱特征的有益补充。并对不同类型的水体及冰川进行多级、多尺度分割,以满足其对分割尺度的不同要求。分割完成后,综合考虑目标地物的光谱特征、纹理特征、空间结构特征,根据各特征指数的直方图信息,设定合适的阈值,建立了各水体及冰川类型信息提取的知识规则,并结合实地调查对信息提取的精度进行验证,改进了ASTER遥感影像自动快速提取极高海拔区水体及冰川信息的实用模型。     

基于全球MGEX数据的北斗导航星座精密轨道确定

利用全球分布的MGEX站观测数据,使用"两步法"以双差方式对北斗卫星进行精密定轨。主要研究北斗卫星轨道确定的处理策略,重点分析轨道确定的流程,并通过实验评价了3种不同类型轨道的精度。结果显示,MEO和IGSO卫星的定轨内符合精度优于0.2m,其中径向优于10cm,外符合精度优于30cm;GEO(以C05号为例)卫星外符合精度优于0.7m,且径向优于10cm。     

基于天绘一号卫星影像的水体信息提取对比研究

针对天绘一号卫星高分辨率影像,采用面向对象分类方法对怀柔水库区域进行水体信息提取,在多尺度分割的基础上,统计地物的光谱信息、形状因子和亮度均值等,建立水体信息的特征集,充分利用高分辨率的特点提取水体信息,同时选取了参数相近的SPOT和RapidEye两幅国外高分影像进行对比研究,使用相同方法进行水体提取,对实验过程和结果进行了对比分析。针对提取结果,采用野外采样和矢量图分析两种方法综合进行精度评价,根据采样数据得到的精度分别为96.97%,95.45%,92.42%,分析实验结果的矢量图,其中天绘影像水体提取面积为5 537 412.5㎡,SPOT影像为5 398 225㎡,RapidEye影像为5 053 262.5㎡,对实际水域的面积覆盖分别达到了101.40%,98.85%,92.54%,天绘影像的整体精度较高,但在细节表现上较为模糊,主要误差来自于对湿地的误分。实验制定了适用于天绘影像的水体提取方法和规则,分析不同因素对分割与分类结果的影响,同时,我们比较了天绘影像与国外同级别高分影像的优劣性,为天绘影像的进一步应用提供了参考。     

基于CYGNSS数据的星载GNSS-R水体分布探测方法研究

利用CYGNSS（cyclone global navigation satellite system）采集的GNSS卫星反射信号,提出一种基于星载GNSS-R的水体分布探测方法。首先对CYGNSS低轨卫星星座采集的GNSS反射信号进行处理,获取地表反射率数据;再按0.01°×0.01°的空间分辨率将研究区划分为格网,剔除异常值和无效值后,利用区域均值算法重新计算各格网的反射率,并利用格网样本方差和标准差作为衡量指标,采用随机游走图像分割算法进行水体分布探测;最后利用本文提出的方法分析刚果盆地的水体分布情况,并利用MODIS数据对结果进行评估。结果表明,星载GNSS-R具有较强的水体分布探测能力,进一步拓展了GNSS-R的应用场景。     

基于阈值分割与边缘检测的对象轮廓提取方法研究

为了提高智能视频监控系统中对象检测算法的检测准确性,实现对检测对象轮廓的准确提取,在分析目前常用于获取对象轮廓形态的对象检测方法不足的基础上,提出了基于阈值分割与边缘检测的对象轮廓提取方法。该方法需要阈值而又不依赖于阈值,选取任一阈值对检测对象进行阈值分割,再结合Sobel边缘检测以及经过定制的边界跟踪算法,实现对检测对象轮廓的提取。经实验得出的轮廓检测结果在不同阈值的条件下都呈现出较好的完整性与一致性。因此,方法具有较好的鲁棒性,实现了对检测对象轮廓的完整提取,提高了对象检测算法的检测准确性。     

基于阈值分割与边缘检测的对象轮廓提取方法研究

为了提高智能视频监控系统中对象检测算法的检测准确性,实现对检测对象轮廓的准确提取,在分析目前常用于获取对象轮廓形态的对象检测方法不足的基础上,提出了基于阈值分割与边缘检测的对象轮廓提取方法。该方法需要阈值而又不依赖于阈值,选取任一阈值对检测对象进行阈值分割,再结合Sobel边缘检测以及经过定制的边界跟踪算法,实现对检测对象轮廓的提取。经实验得出的轮廓检测结果在不同阈值的条件下都呈现出较好的完整性与一致性。因此,方法具有较好的鲁棒性,实现了对检测对象轮廓的完整提取,提高了对象检测算法的检测准确性。     

基于星间链路体制的北斗卫星时间同步可行性分析

BD-3试验星上搭载了Ka频段星间链路（ISL）设备，可进行Ka波段对地观测。推导了星间链路时分观测体制双向时间同步的数学模型；以ISL星地观测数据为样本分析ISL体制时间同步的可行性，并与L波段观测结果比对。结果表明，ISL体制钟速拟合参数与L波段结果一致性较好，7 d和3 d弧段拟合精度在1 ns以内，1 d和1 h弧段拟合精度均在0.2 ns以内，较L波段拟合精度有所提高,其中1 d为最优拟合时长；利用7 d的实测星地钟差进行向后1 d的钟差预报，结果显示，ISL星地钟差1 d预报误差为2 ns，较L波段预报精度略有提高；最后采用星地星间联合钟差观测，2 d内观测残差为0.52 ns，验证了ISL钟差观测的可行性。     

基于动态阈值的移动终端GNSS定位阴影匹配算法

阴影匹配算法可在城市峡谷中较好地提高移动终端GNSS定位精度,但是传统阴影匹配算法中用于判断卫星可见性的信噪比阈值为固定单一阈值,无法保证所有卫星可见性的判断正确,从而影响定位精度。针对以上情况提出基于动态阈值的阴影匹配算法,使每颗卫星的判断阈值随卫星几何可见性和信噪比可见性相互校正而改变。通过对手机GNSS原始定位结果及卡尔曼滤波后的定位结果进行两种阴影匹配算法计算及对比分析,结果表明,动态阈值法相对于单一阈值法平均点位误差在标准单点定位时可降低约15.1%,在卡尔曼滤波后可降低22.4%,定位精度均得到提升。     

两种北斗卫星精密定轨方法的对比

给出了北斗卫星单系统和多系统融合非差精密定轨方法的基本原理和主要区别,并结合实测数据,对比分析了两种方法的定轨精度。结果表明,在一定观测条件下,两种方法定轨精度基本相当,GEO卫星三维定轨精度能达到1 m左右,IGSO和MEO卫星能达到0.2~0.3 m,3类卫星径向轨道精度优于10 cm。     

北斗三号组网卫星数据质量分析及单系统定轨精度初步评估

选取2018-01-23起10 d内16个iGMAS测站观测数据，对北斗三号卫星的观测数据质量及BDS单系统精密定轨精度进行评估。初步结果表明，老信号B1I、B3I北斗三号卫星的信噪比略强于二号卫星，噪声与多路径基本相当，均在0.1 m量级，新卫星不存在星内多路径偏差。新信号B1C/L1/E1频点GPS信噪比最强，Galileo和BDS卫星相当，B2a/L5/E5a和B2b/E5b各系统基本相当；噪声及多路径方面，B1C/L1/E1频点GPS优于BDS、Galileo卫星0.1 m量级，B2a/L5/E5a和B2b/E5b各系统基本相当，均在0.1 m量级，新信号中北斗三号卫星星内多路径偏差基本消失。单系统精密定轨试验中，分别进行有/无GEO卫星策略、太阳光压模型ECOM 五/九参数策略的比较，并使用卫星激光测距数据进行独立检核。初步结果表明，有GEO卫星、ECOM五参数光压模型的定轨精度最好，C19号卫星7个重叠弧段的平均定轨精度在沿迹向、法向、径向的精度分别为32 cm、16 cm、8 cm，与试验卫星的定轨精度基本相当。     

利用Cryosat-2 SAR模式数据确定北冰洋海平面模型

围绕Cryosat-2卫星SAR模式测高数据处理方法展开研究,利用决策树算法确定冰间水道观测值提取的参数和阈值,进而建立北冰洋海冰覆盖海域的海平面模型UST-CS2。结果表明,UST-CS2与DTU21海平面模型具有较高的一致性。ICESat-2激光测高数据的验证结果表明,UST-CS2的标准差为10.72 cm,与DTU21等模型精度基本持平,证明该模型具有可靠性。