遥感辐射传输建模与反演研究进展

综述了地表二向反射特性和植被BRDF 模型、地表热辐射方向性机理与建模研究的国内外现状; 围绕遥感辐射传输建模研究的最新进展, 重点介绍了基于叶片正反面反射率不等现象的叶片波谱模型改进(EPROSPECT)及冠层辐射传输模型(SAILE)、行播作物二向性反射模型、冬小麦穗叶复合热红外辐射方向性模型、二向性反射特性计算机模拟模型(RGM)、热红外辐射方向性计算机模拟模型(TRGM); 选择典型地表参数介绍了定量遥感反演的最新研究进展, 包括植被指数方向性校正方法、叶面积指数遥感反演中的信息量度量及其不确定性分析、地表反照率遥感反演中的地形校正方法等, 在此基础上介绍了定量遥感反演软件系统(RSIS 1.0)。最后就地表参数多源遥感协同反演面临的关键科学问题和近期研究目标进行了展望。     

胜利矿区植被覆盖度时序变化的空间异质性监测

通过对胜利矿区的地理位置、气候条件等背景的分析,本文为实现获取时序性植被覆盖度的空间异质性的目的,使用ENVI、GIS、Matlab等软件,基于胜利矿区1985—2017年的Landsat TM/ETM+/OLI遥感数据计算NDVI,利用像元二分模型计算植被覆盖度,得到研究区植被覆盖度均值的时序变化情况。采用转移矩阵法和Sen+Mann-Kendall法对研究区域内不同等级的植被覆盖转移情况及变化趋势情况进行分析。研究表明:胜利矿区植被覆盖度均值波动较大,呈轻微下降趋势。在监测时段内68.36%的高植被覆盖区域植被发生了退化,只有3.2%左右的极低植被覆盖区域得到了良好的改善。此外,研究区植被覆盖度受到结构性因子和随机性因子的影响,空间异质性明显,灌溉区由于人为干涉,植被生长良好,极低植被覆盖面积维持在3%以下,植被覆盖显著下降区域主要集中在露天采坑、排土场等矿业景观区。     

BOREAS中北部针叶林的短波辐射传输测量结果及建模(英文)

通过ＢＯＲＥＡＳ实验，我们研究了北部森林植物群落对气候变化所起的作用。对针叶林地带太阳辐射通量的测量表明在辐射场中有重要的方向效应。这些效应主要与树林的分布及树冠结构有关。一个简单的方向传输模型可以解释在观测结果中的一个重要的角度特征。     

考虑植被覆盖因子的地形辐射校正模型

针对传统的地形辐射校正模型无法适用复杂地表覆盖类型而导致的校正精度较低的问题,该文提出了一种考虑像元植被覆盖因子的模型。山区遥感影像像元大部分为植被与岩石、裸土的混合像元,针对混合像元中岩石、裸土部分应用太阳-地表-传感器模型,而对于植被覆盖区则采用考虑植被垂直生长特性的太阳-树冠-传感器模型,两模型用像元植被覆盖因子拟合为新的太阳-植被覆盖因子-传感器模型。利用覆盖江西实验区的Landsat-8陆地成像仪影像和数字高程模型数据进行了校正比对分析,结果表明该方法可有效地消除地形起伏对辐射亮度的影响。     

适用于遥感应用的辐射传输高精度快速计算方法

准确的散射辐射方向特征与辐射传输能量守恒的物理要求是一切算法的有效性准则。在有限计算资源的限制下,寻找最优的有限展开算法,获得能量守恒物理要求下的散射方向特征的准确性,是多年来辐射传输算法的追求目标。在以有限流数离散化辐射传输方程进行数值求解过程中,要保证数值计算中的积分守恒,流数有限要求粒子散射相函数必须截断,而不合适的截断容易导致解的误差,尤其是当大气中存在强前向散射的大粒子时（如云滴、沙尘暴事件过后的沙尘）,截断的相函数会出现振荡,从而导致解的虚假振荡特性。散射相函数无限扩展可以消除这种虚假振荡,但容易导致数值积分能量不守恒和解的不稳定。本文从原理上对这种虚假振荡和不稳定现象进行了分析,并给出两种用较少流数达到较高的计算精度的高效计算方法,这些算法对于遥感方法研究、GCM气候模式中辐射强迫的参数化研究以及地气系统的能量收支研究,尤其是目前研究较多的云和沙尘等大粒子气候效应有重要意义。     

无人机遥感及3维建模技术在景区3维虚拟景观生成中的应用

主要探讨采用无人机航片、ETM影像、Quickbird影像、DEM数据和DLG数据构建景区3维虚拟景观的方法,重点介绍了多种遥感影像数据的处理、建筑物3维建模、数据的集成整合、3维虚拟景观生成等方面的内容,解决了影像的纠正、调色,3维建模优化,各类型数据的匹配,3维虚拟景观构建及扩展应用等技术问题。     

草原植被覆盖度遥感估算模型的适用性比较

植被覆盖度及其变化对区域生态系统的稳定性具有直接影响,且这种影响在草原地区更加明显。为探寻草原植被覆盖度的最佳遥感估算方法,本文对像元二分模型、Carlson模型和Baret模型的估算精度和适用性进行了比较,优化了Baret模型的参数,以提高其在草原地区的估算精度。内蒙古呼伦贝尔地区的草地计算结果表明：像元二分模型有高估植被覆盖度的现象;Carlson模型在低植被覆盖区低估了植被覆盖度,而在高植被覆盖区高估了植被覆盖度;Baret模型在草原地区的估算精度最高。对Baret模型进行参数优化后,其在高植被覆盖度区域的估算精度提升了4.9%。     

基于模拟退火算法的遥感影像亚像元定位方法

根据地物空间分布自相关原理,提出一种基于模拟退火算法的亚像元定位新方法,通过优化子像元的空间分布,最终确定混合像元中各组分的位置。通过遥感影像数据对模型进行测试,并使用已有评价指标对试验结果的视觉效果和分类精度进行评价,试验证明本方法能更好地重建地物空间分布,与硬分类方法相比能显著提高分类精度。     

日光诱导叶绿素荧光辐射传输模型研究进展

日光诱导叶绿素荧光(SIF)是指示植被光合作用过程的无损探针,在不同时空尺度上对植被进行SIF的观测可以反映植被的实际光合作用及生理状态。然而在观测、分析和利用SIF的过程中,仍存在很多不确定因素。SIF的发生具有较为复杂的机理,从机理出发理解SIF与植被结构的相互作用,并分析影响SIF激发的主要因素将有助于更好地理解SIF与光合作用以及生物量的内在联系。因此,植被SIF辐射传输模型在解释和利用SIF遥感信号方面具有重要的作用。植被SIF信号相对较弱,且受环境、植被和生理等多种因子的影响,需要定量化描述,这为SIF辐射传输模型的构建带来挑战。近年来,大量学者已经发展一系列SIF辐射传输模型,为SIF遥感的发展提供了坚实的理论基础。本文回顾了叶片、冠层和生态系统尺度的SIF模型,从建模机理出发,对比模型优劣势,并对未来SIF模型的发展前景进行了展望。     

像元分解模型的植被覆盖度遥感估算

为了提高植被覆盖度遥感估算方法的精度,该文针对置信度方法和空间克里金插值方法各自存在的问题,基于线性像元二分模型,分别采用置信度方法和空间克里金插值方法计算推导,确定像元二分模型中两个重要参数NDVIveg和NDVIsoil,实现估算植被覆盖度,并对两种方法进行对比分析,同时提出方法中存在的问题以及模型的优化改进方向。     

Modeling three-dimensional forest structures to drive canopy radiative transfer simulations of bidirectional reflectance factor

Three-dimensional (3-D) Monte Carlo-based radiative transfer (MCRT) models are usually used for benchmarking in intercomparisons of the canopy radiative transfer (RT) simulations. However, the 3-D MCRT models are rarely applied to develop remote sensing algorithms to estimate essential climate variables of forests, due mainly to the difficulties in obtaining realistic stand structures for different forest biomes over regional to global scales. Fortunately, some of important tree structure parameters such as canopy height and tree density distribution have been available globally. This enables to run the intermediate complexities of the 3-D MCRT models. We consequently developed a statistical approach to generate forest structures with intermediate complexities depending on the inputs of canopy height and tree density. It aims at facilitating applications of the 3-D MCRT models to develop remote sensing retrieval algorithms. The proposed approach was evaluated using field measurements of two boreal forest stands at Estonia and USA, respectively. Results demonstrated that the simulations of bidirectional reflectance factor (BRF) based on the measured forest structures agreed well with the BRF based on the generated structures from the proposed approach with the root mean square error (RMSE) and relative RMSE (rRMSE) ranging from 0.002 to 0.006 and from 0.7% to 19.8%, respectively. Comparison of the computed BRF with corresponding MODIS reflectance data yielded RMSE and rRMSE lower than 0.03 and 20%, respectively. Although the results from the current study are limited in two boreal forest stands, our approach has the potential to generate stand structures for different forest biomes.     

从散射辐射传输成像到定量精细遥感的信息

星载遥感是电磁波与环境目标相互作用散射辐射传输获取数据图像,并进而反演诠释环境目标物理特征的信息技术。随着星载遥感多任务、多频段、多极化、高分辨率等多源多模式的发展与融合,星载遥感定量精细信息的需求提出了一系列新的信息链科学问题。本文概述本实验室在近十多年里在星载遥感领域的电磁散射辐射传输理论到定量精细遥感信息链的研究,包括：矢量辐射传输与星载微波遥感数据定标与验证（CAL/VAL）、极化电磁散射与全极化多模式合成孔径雷达（SAR）成像信息、高分辨率遥感与自动目标识别（ATR）技术、月球火星等外星遥感信息获取等。     

Fractional vegetation cover estimation in heterogeneous areas by combining a radiative transfer model and a dynamic vegetation model

ABSTRACT

A fractional vegetation cover (FVC) estimation method incorporating a vegetation growth model and a radiative transfer model was previously developed, which was suitable for FVC estimation in homogeneous areas because the finer-resolution pixels corresponding to one coarse-resolution FVC pixel were all assumed to have the same vegetation growth model. However, this assumption does not hold over heterogeneous areas, meaning that the method cannot be applied to large regions. Therefore, this study proposes a finer spatial resolution FVC estimation method applicable to heterogeneous areas using Landsat 8 Operational Land Imager reflectance data and Global LAnd Surface Satellite (GLASS) FVC product. The FVC product was first decomposed according to the normalized difference vegetation index from the Landsat 8 OLI data. Then, independent dynamic vegetation models were built for each finer-resolution pixel. Finally, the dynamic vegetation model and a radiative transfer model were combined to estimate FVC at the Landsat 8 scale. Validation results indicated that the proposed method (R²?=?0.7757, RMSE?=?0.0881) performed better than either the previous method (R²?=?0.7038, RMSE?=?0.1125) or a commonly used method involving look-up table inversions of the PROSAIL model (R²?=?0.7457, RMSE?=?0.1249).     

临边遥感大气辐射传输的宽光谱快速计算模型

为解决目前临边遥感大气辐射传输模型存在计算光谱窄和计算速度慢等问题,基于HITRAN2008数据库、带模式算法和临边辐射传输方程建立了0.2—20μm波段大气临边辐射传输的宽光谱快速计算模型FALTRAN。建立了含有散射辐射和热辐射的临边辐射传输方程,并依据临边几何特征提出了一种基于有限差分的半球辐射累加HRA解算方法。利用FALTRAN计算分析了几个常用的遥感波段内典型大气条件和切向高度时大气的临边辐射特性,并定量分析了左、右半球辐射对总辐射的贡献情况。模型校验结果表明,FALTRAN与CDI模型的计算结果相对差异在2%以内,并与MIPAS的测量结果符合很好,验证了FALTRAN在临边遥感中大气传输计算的可靠性。     

多模型耦合下的植被冠层可燃物含水率遥感反演

植被冠层可燃物含水率FMC(Fuel Moisture Content)是评估野火风险及估算火灾蔓延速率的重要指标。以中国西部6个典型研究区为例,基于辐射传输模型,利用Landsat 5 TM及Landsat 8 OLI遥感数据,开展草原、森林冠层FMC定量反演研究。为克服基于物理模型的病态反演问题、FMC自身的弱敏感性问题及西南森林多具复杂的双层冠层结构问题,研究中考虑了模型参数之间的相关特征,使用多波段遥感数据及耦合辐射传输模型等方法。反演结果显示,总体植被冠层FMC反演精度R~2为0.64,RMSE为44.86%,其中草地冠层FMC的反演精度(R~2=0.64,RMSE=47.57%)略低于森林冠层FMC的反演精度(R~2=0.71,RMSE=30.82%)。为进一步论证该反演结果对野火风险评估的有效性,研究中选取并分析了2011年3月2日于云南大理白族自治州剑川县金华镇金和村森林火灾爆发前、爆发时及灾后该区域植被冠层FMC的变化特征。结果显示,火灾爆发时该地区植被冠层FMC明显低于火灾发生前后(约一月时间)植被冠层FMC,证明了本文FMC反演结果对野火风险评估的有效性。     

遥感数据时空尺度对地理要素时空变化分析的影响

地理要素的时空变化分析对于了解和掌握地表的规律性有着重要的作用。利用地面站点观测、实地调查等传统方式获取数据,对地理要素进行时空变化分析是最常用的方法。但该类方法往往表现的是"点尺度"观测,不能在大尺度情况下准确地反映地表的时空变化信息。遥感卫星能以一定的时间间隔获得空间连续的对地"面尺度"观测数据,然而其特定的空间和时间分辨率使其获取的地表信息仍十分有限。同时地表的空间异质性和个别地表短时间内的快速变化,使得利用遥感数据对地理要素进行时空变化分析时,时空变化分析结果会随观测尺度而发生改变。本文从空间尺度和时间尺度两方面综述遥感数据时空尺度对地理要素的时空变化分析产生的影响和原因,并针对这些问题总结了减小时空尺度对结果不确定性影响的现行方法。可以通过多源遥感协同观测和反演、尺度转换、空间建模等方法减小空间尺度引起的不确定性;通过联合多时相遥感数据的方法减小时间尺度引起的不确定性。在实际应用中,应根据所观测地理要素的实际情况,综合分析选择合适的方法。     

基于计算机模拟模型LESS的落叶松林木质元素影响分析

目前大部分植被辐射传输模型在模拟太阳辐射与植被之间的相互作用过程时,将植物结构进行了简化,只保留了叶片的结构和空间分布特征,而忽略了木质元素(枝干等)对冠层反射特性的影响.计算机模拟模型LESS能够充分考虑植被的多种组分光谱和结构特征,精确模拟植被冠层内部的光散射和辐射过程.本文以地面实测数据为基础,发展了以单木为基本...     

巷道自动成图及三维建模

针对矿山计算机自动绘制巷道工程图存在工作繁重、精度不高的现象,本文建立了基于矿山测量数据的巷道生成算法,实现了巷道的自动绘制与标注。在此基础上,采用分而治之算法及巷道轮廓线作为约束线段的方式建立了巷道Delaunay三角网,并生成了巷道表面模型。通过巷道顶、底板表面模型的剖分连接实现了矿山巷道三维立体建模。对比目前采用较多的巷道中心线加载巷道断面的三维建模方式,本文所提供的方法避免了巷道中心线不易提取、巷道断面变形、巷道转弯处难以平滑及复杂的巷道节点拓扑运算等问题,具有自动化程度高、容易实现等特点。     

基于3维GIS的城市景观建模探究

城市是一种人地关系系统,数字城市是物质城市在数字网络空间的再现和反映。城市GIS是数字城市的核心,通过对3维GIS的介绍,主要探讨了3维GIS在城市3维景观建模中的作用和方法,并且对3维GIS在城市3维景观中的应用目标、功能、方法及其展望做了初步的探究。