构造地理要素趋势面的尺度转换普适性方法探讨

当前的遥感科学面临着遥感数据获取能力与数据应用能力之间突出的供需矛盾。尺度问题作为遥感科学中的关键问题,既限制了遥感作为一门科学向系统性、普适性的发展,又限制了遥感应用能力的发展。本文对定量遥感中的尺度问题进行了梳理,包括:遥感与传统站点观测之间的不一致、不同尺度遥感产品之间的不一致、机理模型的尺度适用问题,以及遥感产品与用户需求时空尺度间的不一致。对遥感中的尺度转换方法展开了讨论,总结了尺度转换的关键问题在于原数据信息量不足时引入额外信息和保留关键信息两方面。提出了构造地理要素趋势面的基本构想,搭建了一个具有普适性的尺度转换方法框架。核心内容是充分利用地表环境要素时间、空间上的信息作为先验知识,通过关联遥感观测新信息和先验趋势面生成指定时空尺度的地表要素产品。     

水环境参数定量遥感反演空间尺度误差分析

对地观测技术的快速发展为水环境定量遥感监测提供了多源遥感数据的有利支撑,然而多源数据空间尺度差异引起的遥感数据和定量产品的不一致性严重制约了水环境科学研究和业务化应用。针对多源遥感数据的空间尺度转换和尺度误差问题,本文提出一种模拟遥感成像过程点扩散函数(PSF)的多源遥感数据空间尺度转换方法。以高空间分辨率GF-1卫星16m遥感数据为基础,模拟了常用的内陆水环境监测卫星Landsat TM/ETM+/OLI(30m)、Terra/Aqua MODIS(250m、500m、1000m)数据,系统研究了高动态浑浊水体(以鄱阳湖悬浮颗粒物监测为例)多源定量遥感监测的空间尺度误差,并对比分析了常用的多源数据尺度转换方法(基于遥感反射率数据平均法和基于悬浮颗粒物产品平均法)的有效性。结果表明,基于点扩散函数的空间尺度转换方法与传统方法具有较高的相关性,基于遥感反射率数据平均法的水环境定量遥感产品的误差水平低于基于悬浮颗粒物产品平均法;相对于南海等相对平稳水体的低空间尺度误差水平(0.5%),在高动态浑浊的内陆或近岸水环境遥感监测中,由空间尺度变化引起的产品误差可达±5%左右。因此,在高精度水环境定量遥感发展应用的需求和多源多尺度遥感数据协同的背景下,本文研究对于提高多源遥感监测产品的一致性和应用能力具有重要理论和现实意义。     

定量遥感升尺度转换方法研究进展

尺度效应是地理科学中普遍存在的现象,制约着遥感等空间科学的发展。发展合理的尺度转换方法以促进遥感技术的全面应用迫在眉睫。本文分别从面—面升尺度转换、点—面升尺度转换两个角度对目前定量遥感领域存在的升尺度转换方法进行综述。其中,面—面升尺度转换方法按照转换原理可分为先反演后聚合、先聚合后反演两种;点—面升尺度转换方法依据定权策略可分为简单平均法、经验回归法、地统计方法、贝叶斯方法等。不同的升尺度转换方法具有各自的特点和优势,本文分别从模型构架、基本原理、特点、局限性和适用条件等方面对现有升尺度转换方法进行分析和讨论,并从离散型与连续型、统计型与物理型、普适型与针对型以及先验知识有和无4个方面总结了现有研究中存在的不足,剖析了升尺度转换研究中存在的问题与挑战,并预测了可能的发展方向。     

基于分形的海岸线遥感信息空间尺度研究

空间尺度是地学研究的基础性问题，遥感信息的空间尺度及其转换随着遥感应用发展而日益受到重视，同时遥感与地理信息系统技术的发展也为空间尺度研究提供了有力的工具。本文以系列空间分辨率遥感图像为数据源，采用分形几何方法研究海岸线遥感信息的空间尺度，提出了基于分形尺度依赖性的遥感信息空间尺度转换模型和基于比例尺的遥感信息空间尺度转换模型，并以海岸线为例验证了模型的有效性和实用性。     

空间数据尺度转换问题研究

空间尺度是GIS领域研究的一个热点问题,它几乎影响GIS应用的每个方面.本文首先提出了空间数据尺度转换的重要性和基本概念,总结归纳了常用的尺度转换方法;最后以河南理工大学为例,给出了不同尺度下的空间数据精度损失.     

改进Faster R-CNN的遥感图像多尺度飞机目标检测

为了提高遥感图像中多尺度飞机目标的检测精度,本文提出一种基于改进Faster R-CNN的遥感图像飞机目标检测方法。该方法借助多层级融合结构,将深层次的语义特征与浅层次的细节特征相结合,生成多种尺度的既具有精确的位置信息又具有深层次的语义特征的特征图;再借助Faster R-CNN的多尺度RPN（Region Proposal Network）机制,通过对RPN中候选区域尺度的修正,从而提高遥感图像中多尺度飞机目标的定位精度;最后利用Faster R-CNN的分类回归网络,得到飞机目标检测结果。在高分辨率遥感图像中进行了实验,对3种特征提取网络ZF、VGG-16以及ResNet-50进行改进,改进后的精度分别提高了11.34%、9.87%以及1.66%,并且生成的检测框更加贴合飞机目标。实验结果表明,本文方法适用于遥感图像多尺度飞机目标检测,在提高目标定位精度的同时降低了目标漏检现象。     

遥感估算伊洛河流域地表蒸散的空间尺度转换

针对低分辨率遥感数据在区域地表蒸散(evapotranspiration,ET)估算中存在的空间尺度效应问题,提出一种基于网格面积比例加权聚合(grid area ratio weighting lumped method,GARWLM)的空间尺度转换方法。通过在网格(1km×1km)内部基于各种地表覆盖类型所占面积比例,分别赋予相应权重,建立高分辨率遥感数据向低分辨率遥感数据的尺度转换模型,实现了由高分辨率数据估算的ET向低分辨率数据估算的ET的空间尺度转换,并通过回归对低分辨率数据估算的ET进行了尺度效应纠正。在伊洛河流域的试验结果表明,估算的ET与地面实测数据的平均相对误差由纠正前的23.5%减小到纠正后的12%,与高分辨率估算结果的相关性分别由纠正前的0.339提高到纠正后的0.604,经过尺度纠正后的ET精度有了很大程度的提高。     

尺度问题研究进展

尺度是与空间现象与过程有关的术语, 关于尺度、尺度效应及尺度转换方面的研究广泛地存在于材料、化学、计算机等领域。在总结地学领域尺度、尺度转换及尺度效应研究的基础上, 着重介绍了近年来在定量遥感领域尺度相关问题的新兴研究进展。     

遥感影像空间尺度上推方法的评价

首先分析了几种常用的影像质量评价指标在遥感数据空间尺度上推方法评价中的不足,同时提出了已有的关于空间尺度上推方法在评价思路上的不妥之处.引入了空间分辨率和SSIM(structural SIMilarity)2个遥感影像质量评价指标,给出了新的评价思路,并在此基础上对5种遥感数据空间尺度转换方法进行了评价.在本实验中,空间分辨率和SSIM 2个遥感影像质量评价指标一致表明,Bilinear和Bicubic方法的结果影像能够更好地接近目标空间尺度下的影像特征.实验表明,依据新的评价思路,采用空间分辨率和SSIM 2个评价指标进行空间尺度上推方法表现出较强的有效性和优越性.     

空间数据尺度转换方法与应用

首先提出了空间数据尺度转换的重要性和基本概念,总结归纳了常用的尺度转换方法;最后以河南理工大学为例,给出了不同尺度下空间数据精度损失。     

纹理频谱分析的高分辨率遥感影像最佳尺度选择

基于对纹理频谱的分析提出了一种高分辨率遥感影像最佳尺度的选择方法。首先,分析四种典型地物在傅里 叶变换频域的频谱响应特性。然后,采用点扩散函数对原始影像进行尺度扩展,进而根据地物纹理的径向与角向曲线 随尺度扩展的变化选择最佳尺度。最后,通过分析四种地物在6个尺度下的纹理特征可分性,说明本文方法能客观反映 出地物的尺度效应,具备最佳尺度选择的可行性。利用支持向量机对QuickBird全色影像进行面向对象的分类,实验结 果表明在最佳尺度下可取得较高精度。     

遥感尺度内涵及遥感像元尺度效应分析的改进分形方法

本文首先分析了遥感影像尺度的三层次内涵。重点针对遥感像元尺度,分析了遥感像元尺度效应及其分形机理,由于现有分形方法没有考虑影像本身尺度(空间分辨率),造成尺度间分形维数的比较时像元尺度效应变化难以有效反映,本文针对此问题提出了基于表面积的加窗分形布朗运动和加窗双层地毯两种改进分形方法。为验证改进分形方法的可靠性,采用了不同像元尺度下系列监督分类进行验证。试验结果表明,每种地物的分维数都随着空间分辨率的降低或像元尺度的缩小,呈总体下降趋势,在某些特征尺度上会出现预示着某些地物结构的拐点,这些拐点对观测该区域地物具有一定指示意义。系列监督分类精度也一定程度上证明了以上两种改进分形方法在分析尺度效应中的可行性。因此本文的方法对于分析遥感像元尺度效应和探索地物尺度聚合规律具有一定的理论意义。     

地图综合缩编系统中可视化环境的建立

根据数字深圳空间基础信息平台建设的实际需要,分析了地图综合缩编的总体实施原则;提出了地图综合缩编操作中的五个具体控制条件;从用户角度,详细描述了点、线、面的可视化环境设置,对图形显示环境和地图接边环境的控制进行了设计。     

Morphology‐based modeling of aggregation effect on the patch area size for GlobeLand30 data

Currently, research on the scale effect mainly concentrates on revealing and describing the phenomenon; little work has been done to model the scaling of analysis indicators along with the scale change of the data. Such models can help explain and estimate the scale effect and are thus of great interest. As patch morphology significantly influences patch evolution over data scale transformation, this study proposes a model that applies patch morphology metrics to explain and estimate the change in the patch and category area ratio in the upscaling of raster categorical data. In the experimental evaluation, area scaling of GlobeLand30 data under majority aggregation is studied intensively. Two metrics—the ratio of the patch area after aggregation to its original area and the ratio of the category area after aggregation to its original area—are used in this evaluation. The experimental results indicate that this model can adequately describe the pattern of the patch area change and precisely estimate the category area change arising from the resolution change. It is also demonstrated that the spatial distribution of patches has much less influence on the change in the category areas compared with the patch morphology. Additionally, the modeling approach in this study may also be adopted to investigate the scaling of other landscape metrics.     

面向对象影像多尺度分割最大异质性参数估计

多尺度分割是遥感影像分析的关键步骤,影像分割过程中的尺度参数选择直接关系到面向对象影像分析的质量和精度。首先,总结了面向对象影像分析中尺度概念的内涵,分析遥感影像空间和属性两大基本特征,依据空间统计和光谱统计获得理论上最优的空间尺度分割参数、属性尺度分割参数。其次,运用了基于谱空间统计的高分辨率影像分割尺度估计方法,分析了分形网络演化多尺度分割与影像谱空间统计特征的关系,进而将基于谱空间统计的面向对象影像分析尺度参数应用于分形网络演化多尺度分割算法中,最后,对其参数的合理性进行验证。研究采用高空间分辨率IKONOS和SPOT 5影像数据,选择建筑实验区和农田实验区进行空间和光谱特征统计,以进一步估计分割中的最佳尺度参数。使用分形网络演化方法对图像进行分割,利用监督分类对本文提出的尺度估计方法进行验证,验证结果表明尺度估计方法可以一定程度上保证后续的面向对象影像分类的精度。不同于以往分割后评价的尺度选择方法会需要大量的运算量,本文方法不需要先验知识的参与,且在分割前就可以自适应地估计出相对较为合适的尺度参数,提高了面向对象信息提取的自动化程度。     

作物LAI的遥感尺度效应与误差分析

以黑河中游盈科绿洲为研究区, 利用Hyperion高光谱数据, 采用双层冠层反射率模型(ACRM)迭代运算反演LAI; 通过LAI的均值化(LAImean)以及Hyperion数据反射率线性累加反演LAI(LAIp), 定量分析LAI反演的尺度效应; 从模型的非线性和地表景观结构的空间异质性2个方面分析引起反演误差的原因, 并在LAI-NDVI回归方程的基础上利用泰勒展开的方法对低分辨率数据反演结果进行了误差纠正。结果表明, 地表景观结构的空间异质性是造成多尺度LAI反演误差的关键因素, 通过泰勒展开式能很好地实现大尺度数据LAI反演结果的误差纠正。     

由NPP-VIIRS影像估算广东省碳排放的尺度效应分析

碳排放估算是节能减排和全球气候变化研究的重要领域之一,NPP-VIIRS夜间灯光影像能够反映人类活动强度而被广泛应用于碳排放的空间估算分析。本文构建和对比了基于2015年NPP-VIIRS夜间灯光影像的广东省能源消耗碳排放估算拟合模型,并重点研究了NPP-VIIRS影像的尺度效应,探讨了500、1000、1500和2000 m分辨率的模型结果精度。研究显示：①二次多项式拟合模型是碳排放估算的较优化方法,广东省21个城市之间拟合结果差异较大;②1000 m分辨率的NPP-VIIRS夜间灯光影像的广东省碳排放估算结果均方根误差最小,2000 m分辨率的绝对误差较小,并通过升尺度提高了模型运算效率;③间隔100 m从500 m连续递增至2000 m的不同空间分辨率的夜间灯光影像碳排放估算结果具有波动性,在1000 m分辨率处趋于平衡。本文分析了基于NPP-VIIRS夜间灯光影像的广东省碳排放估算模型,揭示了不同空间分辨率影像的尺度效应规律,可为夜间灯光影像碳排放估算提供空间尺度优化和结果精化方面的参考。     

叶面积指数遥感尺度效应与尺度纠正

由于地表空间异质性的普遍存在,遥感反演模型的非线性必然会导致不同分辨率观测的遥感结果不一致,从而产生遥感产品尺度效应。本文研究了遥感产品尺度效应概念、模拟方法和定量计算模型,并利用锡林浩特草原研究区的实测数据,对尺度效应模型和方法进行了定量计算与验证分析。首先,基于不同升尺度方法与多尺度遥感成像机理之间的机理联系,通过“先反演再平均”与“先平均再反演”之间的差异,可计算“高”分辨率与“低”分辨率之间的遥感产品尺度差异。其次,分别以红光、近红外两波段反射率和归一化植被指数(NDVI)为自变量,对叶面积指数(LAI)非线性遥感模型进行泰勒展开,研究了模型非线性、遥感数据空间异质性对LAI遥感产品尺度差异的影响,发现高阶项可忽略,利用二阶导数项和遥感数据方差项可定量计算遥感产品尺度差异,经过二阶导数项纠正后的尺度差异相对偏差从5.6%分别降低到0.78%和1.45%。最后,分析了LAI遥感产品尺度效应的特征规律,得出以下结论:随着植被覆盖的增大,同等遥感空间异质性的LAI遥感产品尺度差异越大,且红光波段比近红外波段的尺度差异敏感性高近2个数量级;对于绝大部分陆地植被区域,存在“低分辨率低估”尺度效应,且遥感产品尺度差异的主导要素为LAI模型非线性,NDVI变量自身非线性对尺度效应贡献占23.5%;对于湿地类植被与水体混合情形,NDVI变量非线性的贡献为主导贡献,出现“低分辨率高估”尺度效应,必须利用红光、近红外两波段的二阶导数项非线性尺度差异,才能解释这一类型的LAI遥感产品尺度效应。本文建立了具有一定普适意义的遥感产品尺度效应定量模拟与尺度纠正方法,对推动定量遥感的尺度问题研究有一定参考价值。