基于GF-1卫星数据的水库叶绿素a浓度联合反演研究

探明不同区域及不同营养状况下水库叶绿素a的共同敏感波段,基于G F-1号卫星16 m分辨率的多光谱WFV传感器影像构建叶绿素a浓度普适性反演模型.文中以湖南省3种不同营养状况的水库为研究对象,在实测高光谱及GF-1/WFV影像预处理基础上,对比实测高光谱数据与GF-1/WFV影像数据,采用相关性分析筛选叶绿素a敏感波段...     

基于多源影像融合去云的水深遥感反演研究——以哨兵-2A和资源三号为例

利用Worldview-2、资源三号、Sentinel-2A、高分一号,以及Landsat-8等5种光学卫星数据和电子海图数据,在研究多光谱遥感水深反演机理以及基本流程的基础上,探究了多源遥感数据去云融合与水深反演。一方面,以不同空间分辨率的影像融合为切入点,用GM融合算法、小波融合探讨不同空间尺度、不同数据源融合影像对水深反演结果的影响,探讨水深反演过程中遥感影像去云融合的可行性。另一方面,以多源遥感水深反演为切入点,基于双波段比值法,反演实验区域20 m以内的水深,并进行精度评价。实验表明,利用小波融合去云可以改善水深遥感反演中有云区域的影响,一定程度上提高反演精度和制图资料的完整性。     

GF-1、GF-2与Landsat-8卫星多光谱数据的交互对比

基于两组敦煌定标场的GF-1 PMS2、GF-2 PMS1与Landsat-8 OLI(operational land imager)同步影像,对3种传感器之间表观反射率数据的一致性进行交互对比。结果表明,两颗国产高分卫星的表观反射率数据具有很高的一致性,但它们与Landsat-8数据之间存在着一定的差异,其中尤以近红外波段的差异最为明显。在可见光波段,3种传感器的信号强度关系为:GF-2 PMS1GF-1 PMS2Landsat-8 OLI,在近红外波段的关系为:Landsat-8 OLIGF-1 PMS2GF-2 PMS1。试验结果表明,所提出的数据转换模型能够有效地降低两种国产高分卫星传感器与Landsat-8 OLI在近红外波段的明显差异,且当选择与被转换影像地物比例一致性较高的模型进行转换时,转换精度能够进一步提高。     

遥感影像数据融合方法比较分析

遥感影像融合是目前遥感领域最主要的研究方向之一,为了进一步促进遥感影像的广泛运用,本文通过高分一号卫星(GF-1卫星)获取湖南省浏阳市部分流域遥感影像,从平均梯度、信息熵、相关系数、地物识别精度等方面定量分析了该卫星传感器的高分数据和多光谱数据融合的质量,试验结果表明:影像融合过程中Gramschmidit融合变换效果最好。     

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)...     

基于不同分辨率遥感影像的分类方法对比研究

基于4种不同分辨率的遥感影像数据,分别为30 m分辨率的Landsat-8数据,融合Landsat-8多光谱波段和全色波段的15 m分辨率数据,5.8 m分辨率的资源3号卫星数据以及融合后2.1 m分辨率的资源3号卫星数据。采用ISO-DATA、最大似然分类法和面向对象分类法对影像进行分类,对分类方法的效果以及分辨率变化对面向对象分类方法的精度影响进行分析。结果显示在低分辨率影像中,面向对象方法受到限制,分类效果相比传统方法没有太大改善;而在高分辨率影像中,面向对象方法分类效果很好,并且随着分辨率提高分类精度也相应的提高。     

典型植被指数识别火烧迹地潜力分析

植被指数法是利用卫星遥感影像识别火烧迹地的常用方法之一。植被因受火的干扰会形成火烧迹地,其光谱特征易与裸地、水体、道路、阴影和耕地等地物光谱混淆,使用遥感影像采用合适的植被指数提高过火区遥感监测精度仍是亟待解决的问题。以四川省2014年和内蒙古自治区2017年发生的4次森林火灾形成的火烧迹地作为研究区,利用高分一号16 m宽幅(GF-1 WFV)数据和Landsat8数据的波谱特性,选取归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)、增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)、全球环境监测植被指数(global environment monitoring index,GEMI)、过火区识别指数(burned area index,BAI)和归一化火烧指数(normalized burn ration,NBR)等5种典型植被指数,通过构建不同植被指数的分离指数M来定量评价这些植被指数识别火烧迹地的潜力。研究结果表明,基于近红外—短波红外波段的NBR和基于可见光—近红外波段的BAI对过火区的分离性较好,NDVI的分离性次之,EVI和GEMI的分离效果较差;基于GF-1 WFV和Landsat8数据采用BAI和NBR指数对内蒙古鄂伦春自治旗火烧迹地进行了识别(其中GF-1 WFV数据只用于BAI识别),并利用高分二号(GF-2)数据进行了精度验证,两者火烧迹地识别总体精度均大于87%,Kappa系数均大于0. 7。     

针对GF-1遥感影像的基于影像与基于辐射传输模型的两种交叉定标方法比较

"高分一号"配置了4台16m分辨率多光谱宽幅(WFV)相机,组合观测幅宽达到800km。为了将其应用于定量遥感,需要对其进行精确的辐射定标。目前针对高分一号卫星有两种交叉定标方法,都在传统方法的基础上进行了改进。一种是基于影像的交叉定标方法(image-based),另一种是基于辐射传输模型和二向反射分布函数的交叉定标方法(RTM-BRDF)。本文采用这两种方法对高分一号(GF-1)的4个相机进行辐射定标,并对这两种方法进行了对比分析,发现对于WFV2和WFV3这两个近似星下点成像相机,image-based方法可以得到精度较高的辐射定标系数,而对于WFV1和WFV4这两个非星下点成像相机来说,RTM-BRDF方法得到的定标系数精度较高。因此,最终将两种方法结合给出GF-1 4个相机最终的定标系数。     

基于GF-1号卫星WFV数据的太湖水质遥感监测

为研究高分一号(GF-1)卫星数据监测太湖水质的可行性,基于新发射的GF-1卫星16 m分辨率的多光谱宽覆盖(wide field of view,WFV)相机和HJ-1A CCD数据,对太湖的叶绿素a、悬浮物、透明度和富营养化状况进行遥感监测,以评价GF-1 WFV相机的应用潜力。研究结果表明:GF-1 WFV与HJ-1A CCD数据对水质参数的反演结果具有一致性,可有效反映叶绿素a浓度、悬浮物浓度、透明度和富营养化指数的空间变化规律。其中,太湖西北部分布有少量水华蓝藻,在大面积蓝藻爆发区域附近,叶绿素a浓度明显高于其他区域的水体,平均浓度为62.46 mg·m-3;悬浮物浓度以竺山湾及西部沿岸湖区较大,沿西北向东南方向递减,平均浓度为26.07 mg·L-1;透明度整体从西北向东南递增,与悬浮物浓度的分布趋势相反,平均值为22.1 cm;富营养化指数整体从西北向东南递减,与叶绿素浓度的分布趋势相同,平均值为69.62。遥感监测指标的结果均符合常规监测规律。     

基于植被二向性反射统一模型的高分五号FAPAR遥感反演算法

植被光合有效辐射吸收比率（FAPAR）是描述植被光合作用能量交换过程的重要参数，广泛应用于植被长势监测、植被生产力估算、全球变化等研究领域。遥感是大范围获取FAPAR的唯一途径，与多光谱传感器相比，高光谱传感器能更加精确、细致地观测植被的光谱特征，有利于分析植被冠层反射、吸收特性，进而反演植被冠层FAPAR。本文首先在植被BRDF统一模型和FAPAR-P模型的基础上，构建了BRDF-FAPAR统一模型UBFM (Unified BRDF-FAPAR Model)；进而基于高分五号高光谱传感器特征模拟了不同情况下植被冠层反射率和相应的FAPAR；然后运用改进的最佳指数法选择FAPAR反演的特征波段组合；在此基础上，将特征波段反射率与FAPAR模拟结果作为神经网络的输入参数，构建针对高光谱数据的FAPAR神经网络反演算法。研究结果表明，改进的最佳指数法能有效地筛选出FAPAR估算的敏感波段；综合考虑波段信息量和实际影像数据噪声影响，本研究针对高分五号高光谱传感器选择8个波段作为FAPAR反演特征波段。基于UBFM模型构建的神经网络反演精度较高，模拟实验算法误差约为0.014。选择内蒙古呼伦...     

Application of spectral decomposition algorithm for mapping water quality in a turbid lake (Lake Kasumigaura,Japan) from Landsat TM data

The remote sensing of Case 2 water has been far less successful than that of Case 1 water, due mainly to the complex interactions among optically active substances (e.g., phytoplankton, suspended sediments, colored dissolved organic matter, and water) in the former. To address this problem, we developed a spectral decomposition algorithm (SDA), based on a spectral linear mixture modeling approach. Through a tank experiment, we found that the SDA-based models were superior to conventional empirical models (e.g. using single band, band ratio, or arithmetic calculation of band) for accurate estimates of water quality parameters. In this paper, we develop a method for applying the SDA to Landsat-5 TM data on Lake Kasumigaura, a eutrophic lake in Japan characterized by high concentrations of suspended sediment, for mapping chlorophyll-a (Chl-a) and non-phytoplankton suspended sediment (NPSS) distributions. The results show that the SDA-based estimation model can be obtained by a tank experiment. Moreover, by combining this estimation model with satellite-SRSs (standard reflectance spectra: i.e., spectral end-members) derived from bio-optical modeling, we can directly apply the model to a satellite image. The same SDA-based estimation model for Chl-a concentration was applied to two Landsat-5 TM images, one acquired in April 1994 and the other in February 2006. The average Chl-a estimation error between the two was 9.9%, a result that indicates the potential robustness of the SDA-based estimation model. The average estimation error of NPSS concentration from the 2006 Landsat-5 TM image was 15.9%. The key point for successfully applying the SDA-based estimation model to satellite data is the method used to obtain a suitable satellite-SRS for each end-member.     

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。     

江苏近海岸水深遥感研究

以江苏近海辐射沙脊群海域为典型研究区,通过实测水深数据和水体光谱测量与分析,发现对应TM3和TM4波段的水体光谱反射率对水深信息敏感,线性相关系数分别达到-0.561和-0.694。结合多光谱遥感信息传输方程所推导出的水深信息对数反演模式,针对本研究区TM4和TM3波段数据所建立的水深预测模式的复相关系数R2为0.4793,对0-15m水深,预测水深和实测水深之间拟合较好。利用TM5波段反射率、出露沙洲反射率以及海水反射率的差异,通过建立掩膜图像,可较有效地对TM遥感图像进行水陆分离,提取TM图像中海水部分,进一步可通过常用的图像处理软件绘制每隔5m的TM水深遥感制图、等深线图。随着高空间、高光谱、高辐射分辨率遥感技术的发展,对浅海水域的水深和水下地形进行遥感探测的技术方法和应用将会不断地深入开展。     

北京市平原区2015年—2019年0.8 m地表反射率数据集

地表反射率产品作为最重要的定量遥感产品,是很多参量化遥感产品的基础数据源,可以被广泛应用于林业、农业、水资源、生态环境、城市环境等典型应用领域。对于米级高分辨率的遥感影像,国内外不提供反射率影像产品。目前主流的国产高分数据源大部分都是蓝、绿、红、近红4个波段的多光谱数据,缺少短波红外波段,难以满足陆地区域浓密植被算法或者清洁水体的短波红外信号近似看作零的假设条件,要完成精确大气校正、生产大范围的GF-2影像拼接的地表反射率产品,是一个挑战。为了更好的推广高分地表反射率的应用,本研究针对北京市平原区,运用全色和多光谱融合、几何精校正和相对辐射一致化算法,以Sentinel-2为参考影像,生成了一套几何精校正后的0.8 m地表反射率影像集。该数据集时间范围为2015年—2019年,每年一期,包含年度产品的覆盖情况及分布矢量,共计184景地表反射率影像,数据量总共为1.63 TB。     

GF-1星WFV相机的快速大气校正

高分一号卫星(GF-1)WFV相机是中国新型高分辨率传感器,为了更好地进行定量应用,需完成高精度大气校正,但需要解决数量大,辅助数据不足等关键问题。针对WFV相机构建了快速大气校正模型,(1)采用交叉定标方法借助Landsat 8数据完成辐射定标;(2)从WFV相机的辅助数据出发,计算得到太阳天顶角、观测天顶角等辅助信息;(3)考虑不同海拔大气分子散射的不同,完成基于海拔数据的分子散射校正;(4)采用深蓝算法,从第一波段(蓝光)反演得到气溶胶信息;(5)计算每个像元的大气校正参数,进而获取地表反射率,完成大气校正。在此基础上,利用IDL语言建立相应的大气校正模块,以过境华北地区的3景WFV数据为例进行大气校正实验。结果表明,模型能够快速完成大气校正,并能较好的去除大气分子与气溶胶影响,较好地还原植被、裸土等典型地表类型的光谱反射曲线,校正后的NDVI更好地反映了各地物的特征。     

基于光谱特征的三峡坝区水色要素反演

基于野外测定的水质参数,通过研究三峡坝区水体中水色要素浓度与反射率之间的关系,选择反演叶绿素、悬浮物、溶解性有机物的最佳波段,建立了反演水色要素浓度的遥感定量模型。研究表明,在波段比值的基础上进行幂次修正的波段组合反射率与SS浓度相关性较好(R2=0.76),可以用来估算悬浮物浓度;悬浮物浓度影响叶绿素浓度的反演精度,通过在模型中增加一个红绿波段比值指数项的方法能够抑制或削弱悬浮物的影响,提高了叶绿素浓度的反演精度(R2=0.75);DOC反演模型中,绿光波段与红光波段反射率的对数值能较好的估算DOC浓度,且与log(DOC)相关程度最高,决定系数为0.85,反演精度较高。     

暗目标法的Himawari-8静止卫星数据气溶胶反演

Himawari-8(H8)是由日本气象厅发射的新一代静止气象卫星,可实现10 min/次的高频次对地观测,搭载的AHI(Advanced Himawari Imager)传感器设置有与MODIS暗目标气溶胶反演算法所需的类似波段。本文参考暗目标算法构建了针对该卫星传感器的陆地气溶胶反演算法:首先,通过基于地基站点观测数据的精确大气校正,统计得到短波红外与可见光波段的地表反射率比值关系,将此作为先验知识用于地—气解耦时的反射率估计;然后,初步假设大陆型气溶胶类型,利用辐射传输模型建立查找表;最后,通过模拟与卫星观测的表观反射率误差最小实现气溶胶光学厚度反演解算。选取2016年5月覆盖京津冀地区的观测数据进行测试,将反演结果与对应时间的MODIS气溶胶光学厚度产品进行对比验证,空间分布趋势一致、相关性较高,相关系数R达到0.852;通过与地基观测网AERONET站点实测数据对比验证,所有站点的相关系数R~2均大于0.88,精度较高。利用反演的高时间分辨率产品,分析了京津冀地区的大气空间分布和日变化情况,结果表明:采用暗目标法对H8静止卫星陆地气溶胶光学厚度反演具有一定的潜力和可行性,能反映气溶胶的高时间变化信息,有望成为大气环境污染变化监测新的重要手段。     

GF-4增强型地表反射率库支持法的气溶胶光学厚度反演

针对GF-4等国产卫星气溶胶光学厚度反演算法存在的地表反射率估计困难、云像元污染等问题,本文发展了一种增强型地表反射率库支持的气溶胶光学厚度反演方法,改进了云筛选与地表反射率确定方案,在考虑GF-4逐像元成像角度的情况下,使用6SV模型与MOD09-CMA数据对季度尺度上的GF-4 PMS传感器数据进行大气校正,提出了百分比最小值均值法建立地表反射率库,并据此建立了NDVI与红蓝反射率关系模型,根据地表反射率的分布特点,当NDVI小于0.2的时候使用地表反射率库估计地表反射率,而当NDVI大于0.2时,则使用NDVI来估计地表反射率。使用MOD04气溶胶模式时空分布确定气溶胶参数。在京津冀地区开展气溶胶光学厚度反演实验,使用Aeronet站点数据与MOD04产品对反演结果进行了对比验证,与Aeronet相关系数R为0.964,均方根误差RMSE为0.13,满足±(0.05+0.2τ)的点多于78.9%,相关系数与均方根误差优于MODIS暗目标法产品,满足期望误差线的数量优于MODIS暗目标与深蓝算法产品。     

Vicarious Cross-Calibration of the China Environment Satellite Using Nearly Simultaneously Observations of Landsat-7 ETM+ Sensor

To understand the absolute radiometric calibration accuracy of the HJ-A CCD-1 sensors, image from these sensors were compared to nearly simultaneously image from Landsat-7 ETM+ sensors. Although the HJ-A CCD-1 sensor has almost the same wavelength of each central band and band width as Landsat-7 ETM+ sensor, there is slightly difference in spectral response function (SRF). The impacts of SRF difference effects would produce ~2 % uncertainty in predicting reflectance of HJ-A CCD-1 sensor using Landsat-7 ETM+ sensor. The reflectance observed by satellite at top-of-atmosphere generally depends on its’ geometric conditions. The results reveal that the impacts of geometrical conditions would impact on the vicarious cross-calibration accuracy, which should be removed. The performances of cross-calibration are calibrated and validated by four image pairs collected from Yellow River Delta, China, and Qingdao City, China, at four independent times. The results indicate that the HJ-A CCD-1 sensors can be cross calibrated to the Landsat-7 ETM+ sensors to within an accuracy of 3.99 % (denoted by Relative Root Mean Square Error) of each other in all bands except band 4, which has a 6.33 % difference.     

北京地区Landsat 8 OLI高空间分辨率气溶胶光学厚度反演

卫星气溶胶光学厚度(AOD)反演中,传统暗目标方法在反射率较低的水体、浓密植被覆盖区域取得了较好效果,在反射率较高且结构复杂的高反射地表上空目前多采用深蓝算法,但存在空间分辨率较低,对细节分布描述性较差等问题。为解决这一问题,本文首先以5年(2008年—2012年)长时间序列MODIS地表反射率产品为基础,采用最小值合成法建立500 m分辨率逐月地表反射率产品数据集,然后利用地物波谱库中典型地物波谱数据,分析建立MODIS与Landsat 8 OLI传感器蓝光波段反射率转换模型,最后北京地区AERONET地基观测数据确定了气溶胶光学物理参数,并反演获取了北京地区上空500 m分辨率的AOD分布。为验证反演算法的精度,分别将反演结果同AERONET及MODIS/Terra气溶胶产品(MOD04)进行交叉对比,同时利用相关系数R,均方根误差RMSE,平均绝对误差MAE以及MODIS AOD产品预期误差EE共4个指标进行衡量。结果表明:算法反演获取的AOD与AERONET观测值具有较高的一致性,各指标分别为R=0.963,RMSE=0.156,MAE=0.097,EE=85.3%,稍优于MOD04产品(R=0.962,RMSE=0.158,MAE=0.101,EE=75.8%),并且有效的对比点数也高于MOD04。通过与地基观测相比,卫星遥感获取的高分辨率城市地区AOD精度可作为定量评估城市空气质量的有效依据。