基于GeoEye-1影像的自适应浅海水深反演方法

本文基于GeoEye-1影像研究了自适应浅海水深反演方法在甘泉岛附近浅海区域的适用性.GeoEye-1遥感影像经预处理后,通过反射率计算叶绿素浓度进而确定出对数比值模型的参数进行建模,实现无实测数据的多光谱水深反演,并通过实测数据对反演结果进行验证.结果表明:利用自适应水深反演方法对甘泉岛附近浅海区域水深反演精度较高,...     

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)...     

HY-1D COCTS海表温度反演与印证

海洋一号D (Haiyang-1D,HY-1D)卫星于2020年6月成功发射,与海洋一号C (Haiyang-1C,HY-1C)卫星形成上、下午卫星组网,是中国HY-1系列卫星在轨业务化运行的海洋遥感卫星。HY-1D卫星上搭载的海洋水色扫描仪COCTS (Chinese Ocean Color and Temperature Scanner)有两个热红外通道,波段范围分别为10.30—11.40μm和11.40—12.50μm,可用于海表温度SST (Sea Surface Temperature)观测。本文采用HY-1D COCTS热红外通道的观测亮温,基于大气辐射传输模拟计算,开展云检测和SST反演算法研究,对2021年1月西北太平洋海域的COCTS观测数据进行SST反演,并采用现场实测和同步卫星数据对反演得到的COCTS SST进行印证。COCTS与现场实测SST的比较结果表明,二者的平均偏差为-0.04℃,标准偏差为0.45℃。且COCTS与iQuam的SST偏差与SST以及大气水汽总量之间没有明显的依赖关系。COCTS与搭载在Suomi NPP卫星上的可见光红外成像辐射计VI...     

HY-1C/D海洋水色卫星产品体系及其典型应用

海洋一号C星(HY-1C)和海洋一号D星(HY-1D)是中国首次对地观测组网的海洋水色业务化应用卫星,其上搭载了海洋水色水温扫描仪COCTS (Chinese Ocean Color and Temperature Scanner)、海岸带成像仪CZI(Coastal Zone Imager)、紫外成像仪UVI (Ultra-Violet Imager)、星上定标光谱仪SCS (Satellite-based Calibration Spectrometer)和船舶自动识别系统AIS (Automatic Identification System),实现了全球海洋水色要素每天2次、海表温度每天4次的全球覆盖观测,中国近海及海岸带区域每3天2次的50 m高分辨率观测。本文介绍了HY-1C/D卫星及其载荷性能、产品处理流程、产品分级与分发等相关信息,HY-1C/D卫星产品体系完整且数据产品处理与分发高效。同时阐述了HY-1C/D卫星的叶绿素a浓度估算和海表温度反演产品,以及HY-1C/D卫星数据在浒苔绿潮、海冰/极冰、近海养殖、内陆水体和台风云图等方面的典型监测应用且具有较好的产品质量、...     

HY-1/CZI卫星影像的海上运动船只自动检测方法

船只遥感检测对于海上航行安全保障和海洋权益维护具有重要意义,传统基于极高空间分辨率的合成孔径雷达(SAR)和光学卫星影像的船只检测由于重访周期长,难以实现高频监测应用。中国自主“海洋一号”系列卫星(HY-1)搭载的中分辨率海岸带成像仪(CZI),虽然空间分辨率相对较低(星下点50 m),但HY-1C、HY-1D形成双星上下午组网观测,具有重访周期短的优势,对于海上船只监测具有重要价值。本文利用卷积神经网络进行特征学习和目标提取,建立了HY-1/CZI影像船只自动检测方法。验证结果表明,相对于传统图像处理方法,本文方法具有不需要调整阈值、适应性强的特点,检测精度达到77.71%,可应用于HY-1/CZI影像的海上运动船只自动监测。     

海洋一号C星光学载荷对海面溢油的识别能力分析

中国首颗海洋水色业务卫星(HY-1C)搭载有水色水温扫描仪(COCTS)、海岸带成像仪(CZI)、紫外成像仪(UVI)等多套光学载荷,已于2019-06开展业务化运行。溢油是海洋环境监测的重要目标之一。近年来,光学遥感对海面溢油不同污染类型的识别、分类与估算原理得以阐明,其技术优势获得认可,能有效促进海面溢油的精细化定量探测。本研究以中国近海,主要以2019-02-20中国南海东沙岛附近海域一次溢油事件为例,收集了HY-1C星COCTS和CZI数据,并获取了同一天的VIIRS、MODIS Terra & Aqua遥感数据,开展了海面溢油的识别分类及其对比分析,重点评估COCTS与CZI光学载荷对海面溢油识别的效能。结果表明：在弱耀光对比条件下,COCTS、CZI、VIIRS均能有效识别此次东沙岛溢油,且COCTS对溢油的识别能力不弱于VIIRS数据;CZI不仅能识别此次溢油,还能区分此次溢油形成的海面油膜与溢油乳化物,从而提供更多的判定信息;CZI数据中,不同溢油污染类型的光谱信号离散度大于清洁海水平均噪声,展现了溢油量估算的潜力。HY-1C星光学载荷展现了优良的辐射分辨率、高信噪比等性能,随着HY-1D星的发射,双星组网观测还能提供更佳的时相分辨率数据,未来会在海洋溢油的实时、定量、精细化观测中提供丰富的数据支撑。     

中国近海绿潮生物量的卫星光学遥感估算

生物量是精准量化海洋大型漂浮藻类的关键参数,是反映海洋生态环境变化的有效指标。光学遥感卫星能为绿潮的精细化监测与评估提供数据支持,实现绿潮的精准识别与量化估算。针对中国海洋一号C/D卫星（HY-1C/D）海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager)、美国中分辨率成像光谱仪MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)、欧洲空间局哨兵2号卫星多光谱成像仪MSI(Multi Spectral Instrument)等光学遥感数据特点,基于绿潮生物量变化模拟与观测验证数据,本研究提出了适用于不同光学卫星数据的绿潮生物量估算模型与计算方法,开展了中国近海绿潮生物量光学遥感估算与交叉验证。结果表明：相较于绿潮像元面积和覆盖面积,绿潮生物量估算结果的不确定性最小,该参数能有效减少面积参数所内含的尺度效应差异,能更准确地用于海洋绿潮的量化与评估。此外,基于CZI和MODIS数据开展2021年中国近海绿潮生物量协同监测应用,有效提高了绿潮生物量监测的精度,详细量化了2021年中国近海绿潮生物量的年内变化,展现了绿潮生物量的精...     

基于多光谱数据的南海浅水水深测量算法研究

沿海地区的水深测量是大多数海岸工程和沿海科学应用的常见要求。然而,在我国南海浅水区域(0—10 m)及部分政治敏感区,船只很难到达导致测量非常不便,这种情况下遥感测量方法凸显了其价值。本文基于QuickBird多光谱遥感影像及同时期多波束实地测量水深点数据,利用6种算法模型定量反演了中国南海甘泉岛周边浅海的水深。精度验证结果表明,基于遗传算法优化的BP神经网络模型与实际测量水深的相关系数R2大于0.96,测量结果可靠。     

基于开源代码构建水色遥感数据处理系统——以HY-1C/D为例

中国在《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015年—2025年)》中专门规划了海洋观测卫星系列,通过从单一的试验星到星座的组网,建立起较为完善的海洋环境立体监测体系。由于大气层的影响以及海洋参数在大气层顶的贡献通常很低,卫星观测对海洋卫星地面数据处理系统定量化程度提出了很高的要求。美国自20世纪70年代发射CZCS水色卫星以来,在水色卫星数据处理系统上积累了多年经验。本文通过借鉴NASA成熟开源的SeaDAS科学处理框架,针对HY-1C/D海洋水色水温仪传感器(COCTS),集成前人算法,开发出HY-1C/D离线数据处理系统(OffLine-COCPS),实现了从L1B数据(几何定位和辐射定标后)开始到水体遥感反射比和各类水色产品制作的全链条数据流程。结果表明,自主建立的HY-1C/1D卫星COCTS传感器大气校正相关查找表基本满足了在全球范围内的定量化应用。根据统计投影得到HY-1C/1D双星COCTS反演的叶绿素全球产品,表明系统可实现对HY-1C/1D双星反演叶绿素产品提供支撑,进而与NASA官方发布的同期MODIS叶绿素产品散点图比较,整体分布趋势也与MODIS保持一致。通...     

基于支持向量机和BP神经网络的水深反演研究

根据高空间分辨率Quickbird遥感影像反射率和实测水深之间的相关性,选取相关性较高的反演因子b1/b2、b1/b3和b2/b3建立单因子模型、双因子模型、多因子模型和BP神经网络模型,并对甘泉岛附近20m内的水深进行反演。同时,利用最佳指数因子(OIF)和支持向量机(SVM)对甘泉岛研究区域基于水深颜色分成两类,将分类结果分别提取建立BP神经网络模型并进行水深反演。通过对反演结果对比发现:遥感影像分类前,线性回归模型中多因子线性模型反演精度最高,但比BP神经网络模型稍差。遥感影像分类后,浅海水域BP神经网络模型的反演精度要比分类前的各模型反演精度低,但是,深海区域BP神经网络模型的反演精度最高。     

HY-1C/D卫星CZI数据监测湖泊藻华的适用性评价与方法选择

随着湖泊富营养化加剧,蓝藻水华频发暴发,藻华的卫星遥感监测面临着中高空间分辨率卫星过境时间长、中低空间分辨率卫星数据在小型湖泊监测能力不足的问题。海洋水色业务卫星海洋一号C星和D星(HY-1C/D)搭载的海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager)具有50 m空间分辨率,3 d重访周期,是内陆中小型湖泊藻华遥感监测的重要数据源。本文构建了以CZI数据的绿光(560 nm)—近红外波段(825 nm)连线作为基线,红光波段(650 nm)到该基线的垂直距离作为藻华识别指数AFAH (Adjusted Floating Algae Height),并将其应用在4个典型的富营养化湖泊(太湖、巢湖、滇池、星云湖),评价了其在湖泊藻华遥感监测方面的适用性和不确定性。结果表明:(1)在无云的理想条件下4种藻华识别指数的藻华识别精度高于0.93;在非理性条件下的藻华识别方面,AFAH优于NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)、DVI (Difference Vegetation Index)和VB-FAH (Virtual bas...     

CatBoost模型在水深反演中的应用

在多光谱遥感水深反演研究中,由于影响反演精度的因素较多,传统的水深反演模型具有一定局限性。机器学习算法在解决非线性高复杂问题上较有优势,将其应用在某些特定区域水深反演可提高反演精度。本文利用Sentinel-2多光谱遥感影像和LiDAR测深数据,以瓦胡岛为研究区域,构建CatBoost水深反演模型,与传统水深反演模型及Boosting中的XGBoost和LightGBM模型的反演精度进行比较。试验结果表明,经过参数优化后的CatBoost水深反演模型的决定系数、均方根误差、平均绝对误差和平均相对误差分别为96.19%、1.09 m、0.77 m和9.61%,准确性最高,效果更佳。     

HY-1C卫星CZI影像卤虫条带提取研究——以艾比湖为例

基于HY-1C卫星海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager)影像提取卤虫条带,对利用自主遥感数据开展生物资源监测与指导捕捞利用具有重要意义。本文以艾比湖为例,分析了HY-1C卫星CZI影像与Landsat-8卫星OLI数据的卤虫—水体端元光谱特征及差异;结合滑动窗口裁剪和光谱匹配因子SBAF (Spectral Band Adjustment Factors)模拟构建了有效样本量为837的卤虫—水体数据集;使用深度为5层的U型全卷积神经网络U-Net (U-Shaped Fully Convolutional Neural Network)算法提取卤虫条带并进行了评估与应用。与支持向量机法、最大似然分类法、归一化水体指数法相比,U-Net算法效率高、鲁棒性更好,卤虫条带的提取精确率和F1分数分别为92.02%和90.55%,比其他方法高出约11%—23%,即使面对复杂水体背景干扰,提取错误率也仅有3.3%;由2019年—2021年10景CZI影像的提取结果可知,研究期间卤虫条带的最大最小面积之比约为5.8,变化剧烈且与水体面积存在一定关联,但决定卤虫条带分布与面积的...     

中国海洋水色卫星传感器COCTS HY-1D产品初步评价

卫星遥感产品的真实性评价对利用遥感产品开展应用研究具有重要的意义。本文利用全球典型的长期固定平台现场测量数据对中国自主海洋水色卫星HY-1D所搭载的水色水温扫描仪COCTS (COCTS HY-1D)遥感反射率(R_rs)和叶绿素a (Chl-a)产品进行了评价,并在全球尺度上通过与国际主流海洋水色卫星传感器的产品进行了进一步的对比分析。结果表明,COCTS HY-1D R_rs产品与现场测量R_rs数据吻合较好,可见光波段相关系数在0.91—0.98,各波段平均绝对百分比误差平均值约为22.9%。相较于国际主流海洋水色卫星传感器MODIS Aqua与现场数据各波段平均绝对百分比误差平均值约为20.5%的比较结果,产品精度相当;在全球尺度上,与MODIS Aqua相比,R_rs产品分布趋势一致,数值大小一致,相关系数在蓝光波段较高,可达0.94,各波段相关系数平均值为0.84。Chl-a产品相关系数为0.85,高于MODIS Aqua与VIIRS-SNPP的Chl-a产品的相关系数0.76。整体上,COCT...     

海洋一号D卫星海岸带成像仪偏航90°相对辐射定标

海洋一号D (HY-1D)卫星搭载了一台海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager),由两台三反离轴相机组成,成像仪同时采用了视场拼接和光学拼接两种拼接方式。由于CZI高达63°的视场角,相机边缘畸变明显,其所成偏航90°影像存在明显的非线性畸变。本文针对HY-1D卫星海岸带成像仪的结构特点,提出了一种基于探元邻接关系的偏航数据自动标准化方法,有效地改善了海洋一号海岸带成像仪偏航图像非线性畸变的问题,保证了线阵电荷耦合器件CCD (Charged Coupled Device)探元对同一地物成像的理论前提。利用HY-1D海岸带成像仪偏航90°辐射定标数据计算获得相机相对辐射定标系数,对卫星正常推扫影像进行相对辐射定标实验,并利用在轨统计法进行对比实验。使用本文方法利用偏航辐射定标数据进行相对辐射定标后,陆地场景下传感器所有探元最大条纹系数优于0.33%,平均条纹系数优于0.04%,中位数条纹系数优于0.03%;海洋场景下传感器所有探元最大条纹系数优于0.48%,平均条纹系数优于0.07%,中位数条纹系数优于0.06%,各项指标均优于基于大量数据统计的在轨统计法。实验结...     

渤海湾近岸海域水深遥感反演研究

针对多光谱遥感技术进行浅海水深信息提取具有覆盖地域大、动态连续监测等特点,该文利用环境与灾害监测预报小卫星星座A星(HJ-1A)影像数据,对渤海湾20m以内近岸水域的水深进行实验研究。通过对HJ-1A遥感图像不同波段及波段组合的反射率与实测水深值的相关关系分析,选取敏感波段,建立最佳回归模型,定量计算研究区水深值。研究发现:5~10m水深区域内遥感反演效果最好;10~20m次之;0~5m受沿岸构筑物、泥沙等影响严重,反演效果较差。     

利用HY-1C卫星CZI数据在COVID-19疫情期间武汉知音湖和黄家湖的浊度监测研究

水体浊度是内陆湖泊水质的重要参数之一,是水环境生态系统中重要的影响因子。2019年12月底,武汉市受到新型冠状病毒肺炎疫情的影响,政府在2020-01-25—2020-02-05期间紧急建设了火神山和雷神山医院。医院建设过程中,对附近水体浊度进行动态监测有助于疫情防控与政府决策。以我国较高空间分辨率的水色海洋1C(Haiyang-1C, HY-1C)卫星海岸带成像仪(coastal zone imager, CZI)传感器数据为基础,结合高频同步浊度自动监测站测量数据,利用全局半经验浊度反演算法,建立了适用于武汉水体的浊度反演模型。利用该模型分析了医院建设前、中、后期的知音湖、黄家湖和朱山湖遥感反演的水体浊度变化,发现医院附近的水体与远离医院的水体浊度变化趋势一致,说明医院的建设施工不是影响浊度变化的原因;同时分析了武汉的降雨在医院建设前、中、后期的变化,发现降雨量的变化可能是导致水体浊度下降的主要因素。该研究也表明,国产较高分辨率水色遥感HY-1C卫星CZI传感器具有良好的小型内陆水体浊度动态监测能力。     

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。     

多光谱浅海水深提取方法研究

利用我国南海某岛礁的TM数据和实测水深资料,试验性地研究了一种在不同底质反射条件下多光谱定量提取水深信息的方法,计算了浅海岛礁水深,取得了较好的应用效果和较高的测深精度.     

HY-1C卫星COCTS近海水体遥感反射率产品真实性检验

中国HY-1C卫星水色水温扫描仪(COCTS)从2018年9月发射至今已积累了大量的全球观测数据,本文利用AERONET-OC实测数据集对COCTS近海水体遥感反射率(Rrs)产品进行了真实性检验。本文对实测光谱数据集进行归一化处理,按光谱特征分为A (清洁)、B (比较清洁)、C (轻微浑浊)、D (比较浑浊)这4种光学水体类型,对COCTS Rrs产品在这4类水体的精度进行评价。结果表明:COCTS反演Rrs在A、B两种水体类型中存在轻微高估(平均绝对百分比误差APD (Average absolute Percent Difference)分别为38.79%、44.44%),在C类水体轻微低估(APD=40.85%),而在D类水体显著低估(APD=47.14%)。COCTS不同波段Rrs产品在4类水体的精度亦存在差异,其中412 nm、443 nm波段在A类水体中和实测数据一致性相对较好(APD均小于30%);520 nm、565 nm波段在C、D两类水体中和实测数据一致性相对较好(APD均小于30%);670 nm波段在4种水体均呈现显著低估。由于AERONET-OC波段和CO...