ICESat-2植被冠层高度和地表高程数据产品用于森林高度提取的效果评价

由美国宇航局(NASA)研制的新一代冰、云和陆地高程卫星(ICESat-2)于2018-09-15发射成功,其搭载的先进地形激光测高系统(ATLAS)采用微脉冲多波束光子计数激光雷达技术,可用于全球高程线采样数据的获取.目前公开发布了9种数据产品,其中包括植被冠层高度和地表高程数据产品(ATL08),为全球森林结构参数...     

ICESat-2机载实验光子云数据自适应去噪及分类算法

第二代星载激光雷达冰、云和陆地测高卫星ICESat-2（The Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2）搭载了先进光子计数式激光雷达,使用了全新的微脉冲多波束光子计数式激光雷达。由于光子计数式激光雷达的自身特点,其光子云数据具有受噪声光子影响大、信噪比与扫描时间相关、光子分布密度不均匀等问题,目前开发的去噪算法并不能很好的应用于不同的光子云数据。基于以上问题,本文提出一种改进的去噪算法,首先分析光子云内部特征并自适应选择最优参数进行粗去噪,然后进行两次精去噪,最后对光子云进行分类并拟合出地面线及冠层顶线,为提取森林冠层高度提供基础。使用该算法对MABEL数据进行去噪实验,实验结果表明：该去噪算法的一次去噪对不同环境下MABEL数据在夜间的去噪平均精确度为94.5%,F1-score为96.3%,日间平均精确度为86.7%,F1-score为91.7%,且三次去噪算法完成后能够显著提升光子云去噪精度。实验证明该算法对MABEL光子云数据具有较好去噪效果和稳定性,可为ICESat-2数据处理提供参考。本文的光子分类算法能够从光子数据中提取冠层顶点、地面点及林内光子并在此算法中进一步精确去除剩余噪点,最终光子分类结果显示该算法能够从复杂光子云数据中提取森林剖面结构。     

ICESat-2机载试验点云滤波及植被高度反演

新一代星载激光雷达卫星ICESat-2将采用多波束微脉冲光子计数技术,并进行高程剖面式的对地观测。由于该点云数据具有背景噪声大、密度低并呈线状分布等特点,传统的点云滤波算法并不适用,研究新的点云滤波算法十分必要。本文以ICESat-2的机载模拟器MABEL数据为例,首先介绍了微脉冲光子计数激光雷达的基本原理和数据特点,并针对高程剖面点云提出基于局部距离统计和最小二乘局部曲线拟合的点云滤波算法;然后,对美国加利福尼亚州Sierras-Forest地区MABEL试验中532 nm通道的光子点云进行滤波处理,并利用识别的地面点插值得到3 m分辨率的线状DEM,进而估算了该区域美国云杉的平均树高;最后,对该滤波算法进行精度评价,并分析了误差来源及其对DEM精度和树高反演精度的影响。结果表明:(1)该算法整体精度达97.6%,能有效剔除绝大部分噪声点且对地形起伏具有较强的自适应能力;(2)误分噪声点影响了滤波过程中局部地形的拟合,而滤波过程中的分类误差将降低DEM和树高反演的精度。     

基于ICESat-2数据及TanDEM-X DEM的林下地形反演

传统光学遥感手段以及SAR获取的数字高程模型(DEM)包含一定的植被信号,如何准确估计植被高度并将其从包含植被高信号的DEM中扣除,对生成高精度DEM具有重要意义.基于此,提出一种基于ICESat-2/AT-LAS数据和TanDEM-X DEM的林下地形生成方法.首先利用ICESat-2 ATLAS数据联合MODIS、温度、降雨及高程等辅助信息通过随机森林进行建模及预测,实现空间连续植被高反演;之后,在估计X波段InSAR森林区穿透深度基础上,利用反演所得植被高,扣除TanDEM-X DEM中的植被高信号,得到林下地形.选取我国东北地区作为试验区,实验结果表明:反演林下地形精度为9.14 m,相比原始Tandem-X DEM的精度提高21.2％.     

基于ICESat-2 ATLAS数据的DEM高程精度评价

为探究ASTER GDEMV3、SRTM1 DEM和AW3D30 DEM 3种开源DEM数据的高程精度,本文以高精度ICESat-2 ATLAS测高数据为参考数据,利用GIS统计分析、误差相关分析及数理统计对DEM的高程精度进行对比评价。结果表明：①AW3D30的质量最稳定;SRTM1 DEM在平原精度最高;在高原山地精度由高到低依次为AW3D30 DEM、ASTER GDEMV3、SRTM1 DEM。②DEM数据高程精度受地表覆盖影响较大,且与地形因素密切相关,在相同地表覆盖的两个研究区中DEM数据高程精度表现情况不一致,SRTM在平原地表覆盖下精度表现最好,平均误差为3.15 m,AW3D30 DEM在山地地表覆盖下精度表现最好,平均误差为7.61 m。③坡度对DEM数据的高程精度影响较大,在两个研究区3种DEM数据的高程误差均随坡度的增加而增加;坡向对DEM数据的高程精度影响较小,未发现明显的规律。     

利用ICESat-2激光测高监测长江三峡水位变化

为了利用ICESat-2卫星激光测高数据监测长江三峡水位变化,该文利用ICESat-2卫星的全球内陆水体高程数据(ATL13),提取水面激光足迹点并剔除高程异常值和系统误差,对长江三峡流域重庆市巫山县至湖北省宜昌市的水位变化进行了研究,并利用水文站的实测水位对结果进行了验证。结果表明,长江三峡水位具有明显的季节变化,上半年水位降低,下半年水位升高。通过与实测水位对比分析,其平均误差为0.10 m,均方根误差为0.12 m,相关系数为0.999。表明ICESat-2激光测高数据可以高精度地监测长江三峡的水位变化。     

ICESat-2与Sentinel-2数据融合的深度学习浅滩水深测量

目前卫星测深(SDB)被广泛应用于近海岸水深测量,然而常用的经验模型较简单,无法适用于各类复杂浅滩环境。为突破传统方法的局限性,本文提出一种ICESat-2与Sentinel-2数据融合的深度学习浅滩水深测量方法。以美国密西西比州猫岛(CI)、巴克岛(BI)为研究区,利用ICESat-2提取先验水深点,再基于Sentinel-2数据训练一维卷积神经网络(1-DCNN)以获取研究区水深图;同时采用波段比值模型(BR)、随机森林(RF)和多层感知器(MLP)作为对比方法进行精度定量分析发现,本文方法在CI、BI测得水深的均方根误差和决定系数分别为0.20 m、0.94和0.95 m、0.95,精度验证优于其他方法,因此该方法提高了水深反演精度。     

ICESat-2/ATLAS全球高程控制点提取与分析

ICEsat-2/ATLAS是目前高程精度最高的星载激光数据,其数据覆盖全球,能够作为生产高精度全球地面参考高程的基础数据.基于ICESat-2/ATLAS全球激光数据产品ATL08,获取了全球ICESat-2陆地高程点,研究了基于参考高程数据和属性参数提取全球高程控制点的方法,并利用高精度参考高程数据验证了其精度.利...     

ICESat-2与多源光学影像的潮滩地形反演方法

针对潮滩地形监测存在的操作难度大、价格高、精度低等问题,本文基于ICESat-2卫星激光点云剖面数据,提出了结合多源光学影像的潮滩地形反演方法。以中国黄海辐射沙脊群的两大沙洲系统——条子泥与高泥为研究对象,利用低通滤波降噪技术提取地形高度值,并与潮汐水位数据相结合赋值,实现了从二维到三维的转换,提高了目前主流的水边线潮位赋值法的反演精度。该模型展现了更多滩面地形起伏变化的细节,高度差异明显,可以观测到清晰的潮沟地形。对比实测数据,相关系数为0.89,均方根误差为0.34 m。研究结果验证了ICESat-2数据对于潮滩地形反演的重要作用,为构建人类活动影响下的潮滩演化理论奠定了数据基础。     

利用TanDEM-X影像和ICESat-2高程数据获取南极高精度数字高程模型

高精度DEM是南极科学研究的基础地理信息数据之一。德国空间局发布的TanDEM-X双站干涉影像对不仅分辨率高、覆盖范围大,而且具有零时间基线,不受时间去相关、大气变化及地面目标形变的影响。本文基于TanDEM-X双站干涉影像对和迭代差分InSAR技术获取南极高分辨率DEM;然后利用南极ICESat-2高程数据和最小二乘平差方法改正DEM产品的系统性偏移误差,提高DEM产品的绝对精度。真实数据试验结果表明,本文方法可获取分辨率优于5 m、绝对精度优于2 m的南极DEM。     

双站InSAR和ICESat-2测高相结合的西昆仑山近20年冰川物质平衡变化监测

山地冰川物质平衡是研究冰川变化的重要参数。自21世纪初,全球气候变暖背景下大部分山地冰川消融加速,而青藏高原西昆仑山冰川却呈现稳定甚至冰量增加趋势,被认为是“喀喇昆仑异常”的中心,但该地区近年来冰量变化是否仍延续正平衡趋势还存在一些争论。因此,本文利用新近发布的ICESat-2卫星测高和TanDEM-X 90m DEM数据,定量估算了2013—2019年间西昆仑山冰川厚度变化和物质平衡,并结合SRTM DEM、冰流速资料和Landsat光学影像分别分析了该地区近20 a冰川物质平衡变化趋势、冰川跃动情况和冰川面积变化。结果表明：(1)2013—2019年间,西昆仑山大部分冰川仍处于积累或平衡状态,物质积累速率为0.228±0.055 m w.e./a;(2)近20 a内,冰川整体呈正平衡趋势,但2013—2019年冰川物质年均积累速率大于2000—2013年(0.173±0.014 m w.e./a);(3)2013年后,冰川跃动仍广泛分布,发现5Y641F0046冰川首次发生跃动,西昆仑冰川东支和5Y641F0073冰川近20 a内一直处于活跃期,中峰冰川由2013年前的活跃状态转为...     

ICESat-2 ATL08去噪算法实现及精度评价

针对光子计数激光点云特点，研究实现了ICESat-2卫星ALT08技术文档点云去噪算法与精度评估。首先逐点计算目标点邻域范围内点的总数作为局部密度值，由于信号通常比噪声在空间分布上更集中，密度直方图常呈噪声在左、信号在右的双峰特点；然后通过峰值计算、距离判断等计算噪声与信号高斯函数初值，并采用高斯函数加期望方差最大算法拟合两个精确的波形位置；最后将双高斯函数交点位置作为去噪阈值，小于阈值的点标记为噪声，大于阈值的为信号。通过MABEL数据的试验结果表明：当信号噪声呈现典型双峰分布特征时，算法去噪效果优秀，精度优于98%，处理不符合双峰特征数据时效果变差。     

Jason-2卫星的激光测距观测值噪声估计

针对Jason-2卫星定轨中关于多普勒无线电定轨定位系统(DORIS)和卫星激光测距(SLR)随机模型研究的不足,该文提出了3类k阶差分算子通用递推公式及相应的差分算子观测噪声估计方法。利用电离层平静和异常两个时段的Jason-2卫星DORIS和SLR多站数据进行了应用研究,计算结果验证了所提方法的正确性。同时分析了DORIS和SLR观测噪声随卫星高度角的变化规律以及观测噪声时的相关特性,并指出了3类差分算子的适用性。     

基于地形图分幅及要素分类代码的对象标识研究

地理要素对象标识是空间信息系统的重要组成部分。文中对地理要素对象标识的概念进行阐述,对其性质、类型及生成方法进行分析与总结。在此基础之上提出一种基于基本比例尺地形图分幅和地理要素分类代码的地理要素对象标识,深入分析该对象标识的特性及功能特点,并对其在基础地理空间数据增量更新中的应用进行探讨。     

Tycho-2星表读取及恒星视位置计算研究

为了建立高精度的恒星视位置计算模型,该文基于FORTRAN语言对Tycho-2星表进行读取,并分别绘制J2000.0时刻全球和中国区域恒星分布图;建立了一个新的恒星视位置计算模型,对天顶望远镜实测CCD星像进行处理,并与NOVAS-F程序的视位置计算结果进行比较,以此验证新的计算模型的可行性。实验结果表明,新的恒星视位置计算模型精度符合精密天文大地测量标准。     

面向P2P的分布式矢量地理数据组织及算法研究

P2PGIS是对等计算技术与地理信息系统(GIS)结合的产物.面向P2P的栅格地理数据共享已得到广泛应用,但矢量地理数据与P2P的结合仍然面临诸多难题.本文深入研究了面向P2P的分布武矢量数据索引机制,提出了基于Linking机制的矢量地理数据组织模式、分割及无损拓扑重建算法.实验表明本文提出的分布式矢量数据组织方式和...     

P2P环境下影像数据流传输的资源定位及选择研究

在传统P2P资源定位方法的基础上,对空间P2P系统采用一种网格索引peer分组来实现资源定位,并探讨peer选择策略来优化资源定位结果,采用历史速度记录反馈推测peer选择优先级使得性能高和可靠的peer可以优先被选择.大量模拟实验测试peer选择策略局部最优和不等概率随机选择两种模式,结果显示peer选择策略的有效性以及有效性程度取决于peer个数、资源文件大小和用户行为等应用场景.     

短波红外CO2反演过程约束研究及初步反演结果

短波红外通道卫星CO2遥感是近年国际研究热点。首先,开展了卫星观测对气溶胶及大气温度的敏感性研究;其次,针对基于最优化理论的非线性迭代反演方法反演过程中的不收敛问题,提出了修正的阻尼牛顿方法(MDNM),并利用模拟数据评估了MDNM方法的有效性;最后,利用GOSAT卫星数据反演CO2的垂直混合比浓度,并与地基TCCON站点数进行比对。研究结果表明:短波近红外CO2卫星遥感受气溶胶散射及温度影响明显;通过地基比对初步验证了MDNM具有良好的精度,两者的相关性R2达到了0.729。     

基于FY-2F数据的中国区域地表温度日变化模型评价及特征研究

地表温度日变化模型作为非常重要的输入参数在气象、水文、生态等领域研究中具有重要意义。风云二号(FY-2F)静止气象卫星的地表温度产品的时间分辨率为1小时,这为拟合精确的地表温度日变化(DSTC)模型提供了可能。本文首先利用194个气象站点对应的2014年的FY-2F地表温度产品评价了GOT01、VAN06、JNG06、INA08、GOT09和GEM_V这6种地表温度日变化模型在中国区的模拟精度,对不同时间窗口和不同地表覆盖类型拟合精度的差异进行了分析;其次,选用JNG06模型探究了中国区域地表温度随经纬度、季节和地表覆盖类型的日变化规律。研究结果表明:在不同时间窗口内,GOT09模型获得了全局最优的拟合精度,均方根误差为0.89 K;JNG06和GEM_V模型精度次之,均方根误差分别为0.92 K和0.94 K;GOT01、INA08和VAN06模型精度最差;各模型在城市和建筑区、农用地和自然植被以及常绿阔叶林这3类地表覆盖类型的拟合精度最好,其均方根误差在0.89—0.92 K,在其余地表覆盖类型的拟合精度在1.0 K以上。JNG06模型模拟的地表温度在4种典型的地表类型随纬度的变化规律较为明显,地表温度在1月份随纬度变化较为剧烈,在7月份整体波动较为平缓。综上所述,使用FY-2F地表温度产品建立的DSTC模型在中国区域具有较高的精度,模拟的地表温度随着纬度变化的规律较为明显。使用本文模型既可以纠正现有模型又可获取归一化地表温度产品,同时可以检验和标定陆面模式地表温度模拟结果。