新一代人工智能驱动的陆地观测卫星遥感应用技术综述

随着各国航天事业的高速发展以及政府对卫星遥感技术的大力支持,各类军民商用卫星系统层出不穷,建立了较为完善的卫星遥感数据获取体系,为推动经济社会高质量发展提供了新动能。与此同时,人工智能技术的迅猛发展极大程度的提升了数据分析的智能化、精准化水平,为遥感大数据分析与应用带来了新的发展机遇。在互联网时代的背景下,结合新一代人工智能、大数据、物联网、5G等先进技术,推动遥感应用朝着智能化、大众化、产业化方向发展是大势所趋。本文依据当前陆地观测卫星智能遥感技术的发展现状与实际需求,论述了人工智能驱动的遥感技术在资源调查、环境监测、灾害监测等领域中的应用研究现状,探讨了现阶段制约人工智能技术在遥感领域应用成效的关键问题,最后结合遥感大数据处理中存在的问题和挑战,对陆地观测卫星遥感应用技术的发展趋势进行了展望,建立基于人工智能的卫星遥感应用体系已成为卫星遥感技术发展的必然趋势。     

流域遥感方法与实践

未来流域一体化管理模式下,要求数据、信息和知识在管理者、科学家、工程技术人员和所有利益相关方之间自由流通。其中,流域尺度数据获取、信息提炼和知识抽象是基础。卫星遥感技术因其大范围、综合性、动态性对地观测能力,为实现这一管理方式的改变提供了新的技术手段。过去的应用中,受相对稀缺的卫星影像数据和复杂应用方法的限制,出现了常规应用相对较少,应急使用较多;行业管理部门应用较少,专业研究机构使用较多;简单实用的方法较少,需要做复杂处理和调试的方法居多;数据瓶颈依然存在等问题,严重限制了遥感技术在流域管理中的深化应用。2007年中国科学院知识创新工程重大项目“海河流域治理工程生态环境效应遥感监测与评估”课题的立项,为服务于流域综合管理的遥感应用方法研究提供了实验基础。项目执行过程中,随着遥感技术在流域下垫面监测、水循环要素反演及生态环境效应评估等方面的研究日益深入,流域遥感方法论及应用范畴逐渐清晰,使得从整个课题的角度对取得的成果进行归纳总结成为可能。本文在分析流域管理发展趋势和流域遥感应用现状的基础上,介绍了项目的立项背景及在流域遥感蒸散发估算方法、水资源监测方法与农业水管理应用和生态环境变化监测与分析等方面的取得的研究成果,指出了未来流域遥感发展的趋势和任务。     

热红外遥感反演近地层气温的研究进展

近地层气温是生态环境的重要因子,是描述地表与大气能量交换与水分循环的关键变量.气象站点观测能够提供点尺度上的准确气温资料,但是大多数地球系统模型需要空间连续的参数来模拟物理过程.遥感提供了比地表气象观测数据更理想的空间异质度信息,为快速获取大尺度的气温时空信息提供了新的途径.主要介绍了目前常用的几种遥感气温估算方法,包...     

遥感土壤水分对蒸散发估算的影响

地表实际蒸散发是联系陆表水循环、能量平衡和碳收支等物理过程的重要生态水文变量,同时也是目前水循环研究中的薄弱点,定量化土壤水分对蒸散发的胁迫作用是估算地表蒸散发的一个关键过程和难点。本研究基于2018年9月闪电河流域水循环与能量平衡遥感综合试验星—机—地联合观测数据,采用机载观测和卫星遥感反演土壤水分输入到ETMonitor模型估算地表实际蒸散发,在时间和空间两个维度上评估不同土壤水分产品对蒸散发估算的影响。从时间变化上来说,与地面观测蒸散发时间序列相比,基于ESA CCI (European SpaceAgency Climate Change Initiative)融合土壤水分产品、SMAP (Soil Moisture Active and Passive)土壤水分产品和国产风云三号气象卫星(FY-3C)土壤水分产品估算的蒸散发最接近地面站点观测蒸散发,而基于ASCAT (TheAdvanced Scatterometer)和SMOS (Soil Moisture Ocean Salinity)土壤水分估算蒸散发分别明显的高于和低于地面观测蒸散发。从空间分布上来说,利用卫星反演土壤水分估算的蒸散发与基于机载观测土壤水分估算蒸散发具有一致的空间分布,能较好地反映该区域地表蒸散的空间分布格局,其中基于SMAP和SMOS土壤水分估算蒸散发与基于机载观测土壤水分估算蒸散发空间一致性最好。本研究评估遥感反演土壤水分对蒸散发影响,对区域及全球遥感蒸散发估算和土壤水分产品评估具有一定的指导意义。     

森林地上生物量遥感反演方法综述

森林地上生物量反演对理解和监测生态系统及评估人类生产生活的影响有着重要作用,日益发展的遥感技术使全球及大区域的生物量估算成为可能。近年来,不同的遥感技术和反演方法被广泛用于估算森林生物量。本文首先总结了现有的全球及区域生物量产品及其不确定性,然后综述了3类方法在森林地上生物量遥感反演中的应用,即基于单源数据的参数化方法、基于多源数据的非参数化方法和基于机理模型的反演方法,阐述了各类反演方法的特点、优势及局限性。最后从机理模型研究、多源遥感数据协同、生物量季节变化研究和遥感数据源不断丰富4个方面对今后的生物量遥感反演研究进行了展望。     

多源卫星观测的全球海洋次表层温度异常信息提取

基于表层卫星遥感观测的中深层海洋遥感对于了解海洋内部异常及其动力过程有重要意义。如何从现有的海洋表层遥感观测资料提取海洋内部关键动力环境信息场是具有挑战性的海洋遥感技术前沿。本文采用支持向量回归(SVR)方法,通过卫星遥感观测获取的多源海表参量(海表高度异常(SSHA)、海表温度异常(SSTA)、海表盐度异常(SSSA)和海表风场异常(SSWA)),选择最优参量输入组合,感知海洋次表层温度异常(STA),并用实测Argo数据作精度验证。结果表明SVR模型可准确估算全球尺度的STA(1000 m深度以浅);当SVR输入变量为2个(SSHA、SSTA)、3个(SSHA、SSTA、SSSA)、4个(SSHA、SSTA、SSSA、SSWA)时对应的平均均方差(MSE)分别为0.0090、0.0086、0.0087,平均决定系数(R2)分别为0.443、0.457、0.485。因此,除了SSHA和SSTA外,SSSA与SSWA的输入对SVR模型的估算有积极影响,有助于提高STA的估算精度。在全球增暖与减缓背景下,该研究可为从表层卫星遥感观测提取海洋内部热力异常信息研究提供重要技术支持,有利于拓展卫星对海观测范围。     

遥感估算地表蒸散发真实性检验研究进展

地表蒸散发是连接土壤—植被—大气连续体的纽带,结合遥感技术估算地表蒸散发已成为获取区域乃至全球尺度时空连续地表蒸散发量的有效手段。由于遥感估算地表蒸散发容易受到地表空间异质性和近地层气象条件复杂性的影响,在模型机理与变量参数化方案、输入数据和时间尺度扩展等方面存在不确定性,影响了其准确度的提高和应用范围的拓展,因此需要开展真实性检验。本文综述了当前遥感估算地表蒸散发(包括植被蒸腾和土壤蒸发)真实性检验研究的相关成果,重点归纳并总结了应用于遥感估算地表蒸散发真实性检验的直接检验法和间接检法的主要原理、适用性和优缺点,在此基础上阐述了当前遥感估算地表蒸散发真实性检验研究所面临的挑战。分析表明：由于地表空间异质性的普遍存在,遥感估算地表蒸散发真实性检验研究在理论和方法方面还受到诸多挑战,今后应打破地表蒸散发遥感产品真实性检验局限在均匀地表的传统思路,发展非均匀地表遥感估算地表蒸散发真实性检验的理论框架,包括地表水热状况空间异质性的度量、非均匀地表验证场的优化布设、非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验、卫星像元/区域尺度地表蒸散发相对真值的获取、验证过程中的不确定性分析以及遥感估算地表蒸散发的实证研究等,并构建一个多源、多尺度、多方法、多层次的真实性检验技术流程,以期把遥感估算地表蒸散发真实性检验作为突破口,提升相应遥感产品的应用水平,推动定量遥感科学的发展。     

中国地球观测遥感卫星发展现状及文献分析

近40年来,中国的地球观测遥感卫星技术发展取得了卓越的成就,已经形成了陆地、气象和海洋3大卫星系统,正在广泛服务于中国的自然资源调查、海洋环境保护、气象灾害预测和国家重大工程等诸多领域。本文回顾了3大卫星系统的发展历程,剖析中国地球观测遥感卫星的发展现状与内在特点,归纳总结在轨卫星的文献研究热点。研究发现,中国3大遥感卫星系统的发展并不均衡,气象卫星业务较为成熟,陆地卫星发展最为迅速。遥感卫星的文献研究数量总体偏少,应用研究亟待提升。后续规划和发展应考虑陆地卫星的轨道高度差异性和波谱范围的互补性,同时增加气象和海洋卫星数量,提升卫星传感器的探测能力和时空分辨率,尤其是加快海洋卫星的业务应用能力。此外,学者们需要进一步加大国产遥感卫星数据的使用力度,加强卫星遥感数据的应用研究以进一步提升中国地球观测遥感卫星的业务能力与国际影响力。     

高分辨率地表反照率遥感估算研究进展

地表反照率是研究地表能量收支平衡、中长期天气预报和全球气候变化的一个重要参数。利用卫星数据估算地表反照率需要地表二向反射特征知识的支持，目前针对中低分辨率卫星数据的反照率反演算法相对成熟，且发布了不同分辨率和精度的全球产品。随着全球高分辨率对地观测技术的不断发展，特别是中国高分系列卫星的发展，为高分辨率地表反照率精确估算提供了丰富的数据源。然而高分辨率地表反照率遥感估算面临着观测角度数据不足、波段信息少等有效数据缺失的问题，国内外学者开展了一系列针对高分辨率地表反照率估算方法的研究。本文首先简述了地表反照率遥感估算的基本原理与目前存在的主要问题，总结并分析了近几年高分辨率反照率估算的相关算法，并对未来高分辨率反照率估算的进一步发展提出了展望和设想。论文研究可为高分辨率反照率算法研究和产品发展提供理论支持。     

遥感技术估算森林生物量的研究进展

从单传感器和多传感器遥感数据集成两个方面介绍和阐述了遥感技术估算森林生物量的发展现状,以此提炼遥感技术估算森林生物量研究面临的问题。     

湖泊碳循环研究中遥感技术的机遇与挑战

湖泊碳循环是全球碳循环过程中的重要环节,随着全球碳循环研究的不断深入,湖泊碳循环对全球碳循环的影响,以及其对全球气候变化的调节作用越来越受到关注.然而,由于湖泊分布的破碎性(大于0.002 km2的湖泊约有1.17×108个,并零星地分布在全球)和多样性(流域生态多样性,湖泊类型多样性,分布的气候带多样性等),使得全面...     

人工智能时代测绘遥感技术的发展机遇与挑战

人工智能技术迅猛发展将对各行各业造成巨大影响。测绘遥感是一个与人工智能密切相关的领域,在人工智能领域迅速发展的大环境下,测绘遥感学科既有很好的发展机遇,也面临很大的学科危机。首先介绍了人工智能的范畴和与测绘遥感相关的领域,然后介绍了人工智能两大热门领域——机器视觉和机器学习在摄影测量与遥感领域的应用进展,最后介绍了基于时空大数据的认知与推理研究进展,展示了测绘遥感的时空大数据在自然和社会感知、认知与推理的应用前景,希望测绘遥感学科在人工智能时代获得大发展。     

小滦河流域复杂地表碳循环遥感综合试验

遥感综合试验对于遥感科学技术的发展起到重要作用,无论是基础研究还是遥感应用都需要试验提供支撑。从2018年开始,遥感科学国家重点实验室针对遥感自身发展和遥感面向地表圈层深化应用面临的科学问题,在滦河上游流域组织了小滦河流域复杂地表碳循环遥感综合观测试验,本文旨在介绍该试验的目标、区域、观测参数、观测方法以及对未来研究的展望,以期望为今后开展其他遥感试验及相关研究提供有益的参考和帮助。该试验采用星机地协同综合观测的方式,选择主要的在轨运行卫星数据及覆盖此流域的遥感产品作为主要数据;针对典型区域开展航空及无人机遥感试验,搭载光学传感器设备,获取典型区域水热循环、碳循环等关键参数;并同步开展地面观测试验,在典型实验区开展大气、植被和土壤关键参数的精细观测。目前已系统的开展了地面测量试验、无人机遥感试验及航空遥感试验,并同步收集了卫星遥感数据,形成了一套丰富的星—机—地配套遥感实测数据集。在试验的推动下,遥感科学国家重点实验室于2020年在试验区架设了多座综合观测塔,并配置了多种观测设备,开启了长时间序列观测任务,虚拟试验场的构建和机理生态模型的运行也在同步开展。小滦河流域复杂地表碳循环遥感综合试验利用星—机—地一体化的监测方法有效获取了地表水、能量和碳循环的关键参数,为遥感机理模型发展、反演方法检验和尺度转换研究提供了关键的基础数据。目前已用来建立遥感机理模型的综合检验平台,分析和改进传统模型和遥感产品在复杂地表的适用性,阐明流域尺度碳水耦合的物理过程。     

蓝藻的卫星遥感研究进展

蓝藻在水体中分布广泛，对水体中碳、氮循环起到重要作用。蓝藻体内的藻蓝和藻红蛋白具有特征性光谱，通过这些光谱可以对蓝藻进行卫星遥感监测。本文主要从海洋、内陆水体中蓝藻的卫星遥感和国内水体生物光学研究状况等方面进行阐述，并对未来的研究趋势进行了展望。     

Assessing urbanisation effects on rainfall-runoff using a remote sensing supported modelling strategy

This paper aims at developing a methodology for assessing urban dynamics in urban catchments and the related impact on hydrology. Using a multi-temporal remote sensing supported hydrological modelling approach an improved simulation of runoff for urban areas is targeted. A time-series of five medium resolution urban masks and corresponding sub-pixel sealed surface proportions maps was generated from Landsat and SPOT imagery. The consistency of the urban mask and sealed surface proportion time-series was imposed through an urban change trajectory analysis. The physically based rainfall-runoff model WetSpa was successfully adapted for integration of remote sensing derived information of detailed urban land use and sealed surface characteristics.A first scenario compares the original land-use class based approach for hydrological parameterisation with a remote sensing sub-pixel based approach. A second scenario assesses the impact of urban growth on hydrology. Study area is the Tolka River basin in Dublin, Ireland.The grid-based approach of WetSpa enables an optimal use of the spatially distributed properties of remote sensing derived input.Though change trajectory analysis remains little used in urban studies it is shown to be of utmost importance in case of time series analysis. The analysis enabled to assign a rational trajectory to 99% of all pixels. The study showed that consistent remote sensing derived land-use maps are preferred over alternative sources (such as CORINE) to avoid over-estimation errors, interpretation inconsistencies and assure enough spatial detail for urban studies. Scenario 1 reveals that both the class and remote sensing sub-pixel based approaches are able to simulate discharges at the catchment outlet in an equally satisfactory way, but the sub-pixel approach yields considerably higher peak discharges. The result confirms the importance of detailed information on the sealed surface proportion for hydrological simulations in urbanised catchments. In addition a major advantage with respect to hydrological parameterisation using remote sensing is the fact that it is site- and period-specific. Regarding the assessment of the impact of urbanisation (scenario 2) the hydrological simulations revealed that the steady urban growth in the Tolka basin between 1988 and 2006 had a considerable impact on peak discharges. Additionally, the hydrological response is quicker as a result of urbanisation. Spatially distributed surface runoff maps identify the zones with high runoff production.It is evident that this type of information is important for urban water management and decision makers. The results of the remote sensing supported modelling approach do not only indicate increased volumes due to urbanisation, but also identifies the locations where the most relevant impacts took place.     

闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验

遥感试验是进行遥感原理的验证、遥感模型与反演方法的发展、遥感产品的真实性检验,推动卫星计划的论证实施及其观测在地球系统科学中应用的重要途径。闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验以滦河上游闪电河流域为核心试验区,以地球表层系统的水循环过程和能量平衡为研究对象,旨在通过天—空—地一体化的观测手段,针对不同典型地表类型开展全波段主被动协同遥感观测,研究异质地表和山地条件下像元尺度遥感关键参量的观测方案,研究重要水热参量的遥感方法及其同陆面/水文过程模型的结合,支撑国家民用空间基础设施和空间科学先导专项相关卫星计划的论证实施。其中,航空飞行遥感试验搭载L波段主被动一体化微波载荷、双角度热红外相机、四波段多光谱相机和高光谱成像仪进行协同观测,实现了土壤水分、组分温度、植被含水量、叶面积指数等地表参数以及湖泊、水库、湿地等的遥感监测;地面同步观测试验利用车载微波辐射计、地基雷达和光谱仪进行了典型地物如裸土、植被、水体、人工目标等的遥感观测,并按照样区—样方—样点的多尺度嵌套方案进行了地表参数的同步采样,获取了该地区关键地表参数的短时期时空变化特征;同时配合卫星和机载观测,在闪电河流域完成了土壤温湿度、地表水热通量、地表辐射四分量、降水等气象要素的地面观测网络的建设,为验证地表辐射/散射遥感模型,发展、优化和验证水热参量遥感反演算法,研究地表水热参量尺度效应与尺度转化问题提供了重要平台,将促进陆表能量与水分交换过程的理解及其对全球变化的作用和反馈机制的研究。     

High resolution remote sensing for reducing uncertainties in urban forest carbon offset life cycle assessments

Background

Urban forests reduce greenhouse gas emissions by storing and sequestering considerable amounts of carbon. However, few studies have considered the local scale of urban forests to effectively evaluate their potential long-term carbon offset. The lack of precise, consistent and up-to-date forest details is challenging for long-term prognoses. Therefore, this review aims to identify uncertainties in urban forest carbon offset assessment and discuss the extent to which such uncertainties can be reduced by recent progress in high resolution remote sensing. We do this by performing an extensive literature review and a case study combining remote sensing and life cycle assessment of urban forest carbon offset in Berlin, Germany.

Main text

Recent progress in high resolution remote sensing and methods is adequate for delivering more precise details on the urban tree canopy, individual tree metrics, species, and age structures compared to conventional land use/cover class approaches. These area-wide consistent details can update life cycle inventories for more precise future prognoses. Additional improvements in classification accuracy can be achieved by a higher number of features derived from remote sensing data of increasing resolution, but first studies on this subject indicated that a smart selection of features already provides sufficient data that avoids redundancies and enables more efficient data processing. Our case study from Berlin could use remotely sensed individual tree species as consistent inventory of a life cycle assessment. However, a lack of growth, mortality and planting data forced us to make assumptions, therefore creating uncertainty in the long-term prognoses. Regarding temporal changes and reliable long-term estimates, more attention is required to detect changes of gradual growth, pruning and abrupt changes in tree planting and mortality. As such, precise long-term urban ecological monitoring using high resolution remote sensing should be intensified, especially due to increasing climate change effects. This is important for calibrating and validating recent prognoses of urban forest carbon offset, which have so far scarcely addressed longer timeframes. Additionally, higher resolution remote sensing of urban forest carbon estimates can improve upscaling approaches, which should be extended to reach a more precise global estimate for the first time.

Conclusions

Urban forest carbon offset can be made more relevant by making more standardized assessments available for science and professional practitioners, and the increasing availability of high resolution remote sensing data and the progress in data processing allows for precisely that.

     

参数敏感性分析在遥感及生态水文模型中的研究进展

参数敏感性分析SA（Sensitivity Analysis）是遥感、生态和水文模型不确定性分析UA（Uncertainty Analysis）的重要方法之一。本文梳理了遥感散射/辐射模型,以及遥感驱动的生态、水文模型研究中常用的敏感性分析方法,并总结了各类方法的优缺点和适用条件。从识别关键参数、不确定性分析和参数优化3个方面,分析了这些领域中参数敏感性分析研究的进展和存在问题,并介绍了最常用的敏感性分析平台。参数敏感性分析作为模型参数优化的先验知识之一,促进了模型和参数的优化。在不确定性和敏感性矩阵USM（Uncertainty and Sensitivity Matrix）的框架下,结合全局敏感性分析方法开展多阶段遥感反演、参数敏感性的尺度效应、参数敏感性的时空异质性研究更加需要关注。此外,还需要提高敏感性分析的计算效率和模式,来适应未来更加复杂的模型和迅速增长的数据量。     

Combining European Earth Observation products with Dynamic Global Vegetation Models for estimating Essential Biodiversity Variables

ABSTRACT

Global, fast and accessible monitoring of biodiversity is one of the main pillars of the efforts undertaken in order to revert it loss. The Group on Earth Observations Biodiversity Observation Network (GEO-BON) provided an expert-based definition of the biological properties that should be monitored, the Essential Biodiversity Variables (EBVs). Initiatives to provide indicators for EBVs rely on global, freely available remote sensing (RS) products in combination with empirical models and field data, and are invaluable for decision making. In this study, we provide alternatives for the expansion and improvement of the EBV indicators, by suggesting current and future data from the European Space Agencýs COPERNICUS and explore the potential of RS-integrated Dynamic Global Vegetation Models (DGVMs) for the estimation of EBVs. Our review found that mainly due to the inclusion of the Sentinel constellation, Copernicus products have similar or superior potential for EBV indicator estimation in relation to their NASA counterparts. DGVMs simulate the ecosystem level EBVs (ecosystem function and structure), and when integrated with remote sensing data have great potential to not only offer improved estimation of current states but to provide projection of ecosystem impacts. We suggest that focus on producing EBV relevant outputs should be a priority within the research community, to support biodiversity preservation efforts.     

印度遥感卫星的发展现状与未来发展

近10年来，印度在遥感卫星及其应用领域取得了巨大的发展，建立了具有中、高分辨率相结合的测绘卫星体系，成为该领域的技术领先国家。本文首先回顾了印度遥感卫星的发展历史，重点介绍了近期成功发射的测绘卫星-1号的主要技术参数、测绘数据产品生产系统的组成以及测绘数据产品的种类。最后简述了印度遥感卫星的未来发展。