近岸及内陆二类水体漫衰减系数的遥感反演研究进展

漫衰减系数作为水体表观光学的一个重要参数,是水下光场结构和光强的直观反映,其反演算法被应用于大面积水域的水下光场和组分变化的研究。本文首先介绍漫衰减系数反演算法基本原理,传统测量方法和现代反演算法,分析近十年国内外研究成果和存在的问题,提出今后漫衰减系数遥感反演算法的发展方向。研究结果表明:传统测量方法在适用范围和精度上都不能满足当今需求,而现代反演算法不仅弥补了传统测量方法的不足,且具有较好的普适性和更广泛的应用领域。其反演算法主要有两种:经验法和半解析法。优点是经验法偏重于特定区域,反演精度高;半解析法具有一定的普适性,引入模型参数多。缺点是经验法受实测数据影响较大,半解析法受物理模型限制。今后应加强对大气纠正和物理模型的研究,拓展其适用性。研究成果有助于研究者更为全面的了解漫衰减系数反演算法,为水色遥感研究提供理论和实践参考。     

用偏最小二乘法反演二类水体的水色要素

简要介绍了偏最小二乘法的原理、算法及优点。将该方法应用于黄海和南海二类水体光谱的水色要素反演,交叉检验结果表明反演精度高,预报相对误差不超过38％。该方法应用于加有5％随机噪声的人工合成光谱的水色要素反演,结果表明模型的稳健性强,预报相对误差不超过5％。研究结果表明,偏最小二乘法适合于处理变量多样本数又少的问题,适合于从二类水体光谱中提取水色要素信息。     

内陆湖泊颗粒有机碳反演及日变化初步研究

以太湖及洞庭湖为例,检验海洋一类水体颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)浓度遥感估算方法在内陆湖泊二类水体中的适用性,结果表明,一类水体POC反演模型并不适用于二类水体。针对二类水体建立了以近红外波段(834 nm)为因子的单波段POC反演模型以563及834 nm波段组合为因子的两种双波段反演模型,模型验证结果显示,单波段模型的均方根误差(RMSE)为1.12 mg/L,平均相对误差(MAPE)为35.8%,两个双波段反演模型的RMSE分别为1.09 mg/L及1.11 mg/L,MAPE分别为37.3%及37.8%,三种模型均可用于太湖及洞庭湖水体的POC浓度遥感估算。在此基础上,以太湖为例,建立了基于静止轨道卫星海洋水色(GOCI)卫星数据的太湖POC反演模型,反演模型的MAPE为35%。利用5月13日8景GOCI影像,研究了太湖POC浓度日变化,发现POC浓度日变化存在两个阶段:上午至中午的递减阶段和中午至傍晚的递增阶段。     

BP神经网络遥感水深反演算法的改进

针对BP神经网络遥感水深反演算法（简称传统BP算法）的缺点,提出了改进型BP神经网络遥感水深反演算法（简称改进型BP算法）,其基本原理是在模型训练过程中反复运用粒子群算法对BP神经网络的权值和阈值进行优化以弥补传统BP算法的不足。试验表明：改进型BP算法的训练迭代收敛速度明显快于传统BP算法,浅水区的水深反演精度优于传统BP算法,且学习算法对初始权值和阈值不敏感。     

中国近岸浑浊水体大气修正的迭代与优化算法

中国近岸水体泥沙含量较高，且变化梯度大；泥沙浓度可从几千mg／l变化到1mg／l以下。针对上述浑浊二类水体的大气修正一直是水色遥感应用的难点之一。利用水体近红外固有光学特性的Arnone光谱迭代算法在泥沙含量较低时适用，其近红外光谱迭代关系与根据2003年春季黄东海水色试验数据得出的现场光谱关系大致相当。当泥沙含量达到某一程度时，该算法失效，导致蓝光等较短波段的离水辐亮度为负。根据现场数据分析结果，这一分界点大概在泥沙浓度10—20mg／l。因此，本文首次提出将中国近岸浑浊水体进一步区分为中低和中高浑浊水体，并给出初步的划分标准，采用光谱优化方法对中高浑浊水体进行水色大气修正。优化误差函数的选取以现场试验获取的可见光波段光谱关系式为基础。结果表明，优化算法在近岸高浑浊水体可给出满足光谱分布规律的反演结果。与其他大气校正方法一样，优化方法也需要进一步的微调。将Gordon标准算法、Arnone光谱迭代和优化方法结合，对SeaWiFS图像进行处理，分别得出归一化离水辐亮度和总悬浮物（TSM）浓度分布图像，结果令人满意。     

植物叶片生化组分遥感反演的主成分变换算法

主成分分析(PCA)算法是一种常见的高光谱数据特征提取方法。针对PROSPECT辐射传输模型反演问题,尝试了两种PCA算法来对高光谱数据进行变换,进而反演植被生化组分含量。反演结果表明:两种PCA反演算法均能对传统反演算法中干物质难反演的问题有所改善;分块主成分算法比全局主成分算法具有更好的反演效果。     

基于神经网络的二类水体大气修正

大气修正是海洋水色遥感中的关键技术之一。近海二类水体大气修正面临两个挑战：浑浊水体造成NIR大气修正波段的离水辐射明显大于零;近海上空存在较强吸收性的气溶胶。本文针对HY-1A CZI,在辐射传输模拟的基础上建立了基于神经网络技术的二类水体大气修正算法,可以由波段1-4的TOA反射率和三个角度反演得到离水反射率、气溶胶光学厚度等参数。利用模拟数据进行了算法的性能评估,并开展了卫星数据处理试验。结果表明,除了在非常浑浊的水体,反演结果基本合理。     

QAA在遥感影像反演中的性能评估与分析

准分析算法QAA(Quasi-analytical algorithm)作为最常用的半分析反演算法被广泛应用于水体吸收系数和后向散射系数的反演,但目前对其在大范围遥感影像中的反演性能研究还较少。基于Sentinel-3系列卫星搭载的OLCI遥感影像,将朝鲜海峡、马六甲海峡、白令海峡和霍尔木兹海峡作为不同类别大范围水体的代表海域,并选取水体漫衰减系数作为间接评价参量,对QAA在4个海峡的反演性能进行了分析评估。结果表明,基于QAA计算得到的水体吸收系数和后向散射系数具有较高的精度和可靠性,而且反演精度与水质呈线性负相关,在K_d490等于0.05 m~(-1)左右时的反演精度最高。     

引入PD极化相干最优的三阶段植被高度反演算法

经典三阶段植被高度反演算法中地表相位和植被冠层相位估计不准确直接影响反演精度,特别是在植被稀疏区域,植被反演效果较差甚至出现反演失败现象。针对这一问题,本文将PD极化干涉相干优化方法引入三阶段植被高度反演中,提出了一种改进的植被高度反演算法。该方法利用PD极化干涉相干优化方法能最大限度分离相位中心的特性能够获得更准确的地表相位和植被冠层相位,从而提高植被高度反演的精度和稳定性。最后,利用ESA BioSAR项目数据进行试验,结果表明该算法相比经典三阶段算法稳定性更高,反演的地表相位、植被冠层相位和植被高度结果更加可靠。     

水体光谱测量与分析Ⅰ：水面以上测量法

水色遥感的基础之一是水体光谱特征测量与分析。水体光谱特性包括两个方面 :表观光学特性(AOPs)和固有光学特征 (IOPs)。该文主要讨论与水色遥感基本参数直接相关的表观光学量的测量与分析。现场表观光谱的测量从方法上可分为两类 :剖面测量法和水表面以上测量法。两种方法相对独立 ,适用范围上具有互补性。该文主要针对水面以上测量法进行讨论。水色遥感一般要求表观光谱特性的测量必须能够导出离水辐射率LW、归一化离水辐射率LWN、遥感反射率Rrs、和刚好处于水面以下 0 -深度的辐照度比R等。国际上有关水色的测量规范中 ,仅有针对大洋一类水体的。中国的近岸水体和湖水绝大部分是二类水体 ,因此该文也将对二类水体光谱测量的有关参数化问题进行讨论。同时 ,对数据分析处理中的一些关键参数的确定 ,提出新方法     

水色光谱分析与多成分反演算法

影响水体可见光近红外遥感信息提取精度的因素除大气候正外，主要是对水体（海洋）光谱与水体所含物质成分之间的作用机理了解得不够。由于水体光谱的机理与陆地地物波谱的机理有很大的差别，共光谱数据的测量和分析方法也不一样。该文首先较为完整地描述了地叶绿素、悬浮泥沙、黄色物质为主要水体成分的水色机理，以及遥感反射率与各成分散射与吸收的关系，确定了进行水体光谱分析所必须的关键参数，然后提出一种基于快局域水体的多     

优化短期余水位组合预测模型

针对现有非稳定非线性余水位预测模型较少和精度较低的问题,本文研究基于MEEMD算法与遗传优化BP神经网络的余水位组合预测模型。利用夏威夷岛4个长期验潮站获取的余水位时序数据,首先采用遗传算法MEEMD对余水位时序数据进行处理分析,得到较为稳定的余水位IMF分量;然后将经过遗传算法优化后分解的较为稳定的各个IMF分量作为BP神经网络预测模型的输入变量,分别建立12、24、48 h短期余水位的MEEMD遗传算法优化BP神经网络预测模型。通过与非优化BP神经网络预测模型结果进行对比分析,结果表明,优化前后均方根误差的偏差最高达2.03 cm,验证了预测24 h内的短期余水位仍保持其相关特性。该组合预测模型对于分析余水位变化规律和潮汐预报的精度、水位改正等均有重要意义。     

应用GA-SVM的渭河水质参数多光谱遥感反演

建立了基于支持向量机的遥感水质参数反演模型, 构建了基于浮点数编码的遗传算法优选模型参数。以渭河为研究对象, 基于高分辨率多光谱遥感SPOT-5数据和水质实地监测数据, 分别建立了一元和多元经验模型进行渭河水质参数的反演。在样本数目有限的情况下, 提出的GA-SVM方法的反演结果比神经网络和传统的统计回归方法好, 且各方法的多元回归结果均好于一元回归的结果。SVM具有强的非线性映射能力, 适合小样本情况, 由GA实现了模型参数的自动优选, 使GA-SVM用于解决回归问题表现出优势。将机器学习和全局优化智能     

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。     

一种拓展的半物理时空融合算法及其初步应用

Landsat 5卫星较低的时间分辨率(16天)使得其很难获得大区域的、时相一致的清晰影像数据集。本文发展了一种基于半物理模型的时空融合算法-即乘性调制融合算法,并借助多时序的MODIS反射率数据来生成多时相的Landsat TM/ETM+反射率合成影像,经镶嵌后得到区域尺度的高时空分辨率地表反射率数据集(Landsat TM/ETM+)。本文利用吉林省2006年—2011年的Landsat 5 TM地表反射率数据以及500 m的MOD09A1反射率产品来生成3个时相的Landsat 5 TM反射率合成数据,从而获得研究区在上述时相下地表反射率数据的镶嵌图。初步分析表明,所生成的Landsat 5 TM反射率数据的光谱分布特征与MOD09A1反射率数据较为一致,且图像在整体上光谱特征的连续性较好。     

基于相似性保持和特征变换的高维数据聚类改进算法

提出一种基于相似性保持和特征变换的高维数据聚类改进算法.首先,通过相似性度量函数计算得到高维空间对象相似度矩阵,并利用近邻法、Floyd最短路径算法将相似度矩阵转换为最短路径距离矩阵;然后,将高维特征变换转化为遗传优化问题,利用特征变换降维后的二维数据进行k-均值聚类,并根据(高维坐标,降维后二维坐标)值进行RBF神经...     

基于禁忌搜索的点状注记研究

地图注记是为待定位注记求取注记位置的过程,它是自动地图制图中的一个重要的难题,其中点状注记问题可以看作是一个组合优化问题。解决优化组合问题,目前有许多成熟的算法,比如模拟退火法,遗传算法,神经网络优化算法以及禁忌算法等等。目前,模拟退火法,遗传算法和神经网络优化算法已经被用来优化点状注记的配置问题。本文将介绍禁忌算法在点状注记配置中的应用,并用国家1∶250000地形图点状居民地图层数据实验,证明该方法有较高的搜索效率,得到的注记结果基本上解决了压盖问题。     

利用光谱反射率估算叶片生化组分和籽粒品质指标研究

对可见光至短波红外波段(350—2500nm)冬小麦田间冠层光谱反射率与叶片含氮量间的关系进行了相关分析。结果表明，820—1100nm波段的光谱反射率与叶片含氮量极显著正相关；1150—1300hm波段的光谱反射率与叶片含氮量显著正相关，以上两波段为叶片全氮的敏感波段。对各生育时期叶片全氮与其他生化组分的关系进行了回归分析，并建立了相关的回归方程，显著性检验结果表明，方程具有较高的可靠性。小麦的叶片含氮量可以估算其它生化组分及干物质指标含量，开花期叶片含氮量可用来估测籽粒蛋白质和干面筋等品质指标含量。