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—体化的观测手段,针对不同典型地表类型开展...     

陆表定量遥感反演方法的发展新动态

随着获取的遥感数据越来越多,定量遥感正处于一个飞速发展的时期。本文从反演方法和遥感数据产品生成两个主要方面对近期陆表定量遥感的发展进行评述。由于大气—陆表系统的环境变量数远远超过遥感观测数,定量遥感反演的本质是个病态反演问题。在评述机器学习方法(包括人工神经网络、支持向量回归、多元自适应回归样条函数等)的应用基础上,重点关注克服病态反演的7种正则化方法:多源数据、先验知识、最优化反演的求解约束、时空约束、多反演算法集成、数据同化和尺度转换。定量遥感发展的另外一个显著特征是由数据提供者(比如数据中心)将观测的遥感数据转换成不同的地球生物物理化学参数产品,即遥感高级产品,并服务于数据使用者。概括介绍了北京师范大学牵头研发的GLASS(Global LAnd Surface Satellite)产品的新进展与全球气候数据集的研发情况。     

Bootstrap方法在遥感线性BRDF模型反演中的应用

在遥感反演中,通常假设反演参数和模型误差的先验分布服从正态分布,这个假设通常不太符合实际。为此,本文提出由Bootstrap方法估计反演参数和模型误差的先验分布的方案。同时对先验数据按照地物分类,统计假设检验表明将先验知识分类的合理性。最后,以RossThick-LiTransit核组合的线性核驱动BRDF模型为例,用NOAA-AVHRR观测数据对使用Bootstrap方法的反演算法进行试验,并与正态假设下的Tikhonov正则化反演和Bayes反演结果比较,说明对先验知识分类和使用Bootstrap方法的遥感反演方法能明显减小参数反演结果的不确定性,提高其可信度。     

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。     

耦合地表方向反射特性的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演

地气分离是气溶胶光学厚度AOD (Aerosol Optical Depth)卫星遥感反演中的难点之一,当前大多反演算法一般将地表假定为朗伯体,这使得反演结果在城市等高异质地区具有较大的不确定性。本文利用长时间序列MODIS BRDF/Abledo产品,通过离散余弦变换的惩罚最小二乘估计时空滤波算法构建了地表BRDF形状因子先验数据集。通过耦合考虑地表各向异性反射特性的辐射传输前向模型及半经验核驱动模型,以先验数据集为驱动进行地表参数估算,实现考虑地表BRDF效应的气溶胶遥感反演。基于该算法,以北京为研究区开展了Landsat 8 OLI传感器反演实验,并使用AERONET地基观测数据及与朗伯假设和地表反射率数据库支持反演进行交叉对比,结果表明,新算法在城市/植被地区的反演点对在期望误差线内比重为84.6%/86.0%,可以有效改善朗伯假设对AOD的高估。通过与MODIS气溶胶产品（MOD04/MCD19A2）对比,新算法获取的AOD与AERONET观测值具有更高的一致性,城市站点反演结果在误差线内占比较DT、DB、DTDB及MAIAC产品分别提高了46.8%、13.9%、14.7%及...     

基于波谱知识库的MODIS叶面积指数反演及验证

目前用物理模型反演叶面积指数普遍存在缺少先验知识的状况，如何获得准确的先验知识是遥感走向应用的一个关键环节。中国典型地物标准波谱数据库就是结合国家重大行业中的应用需求，研究制定地物波谱获取与分析的技术规范和数据标准，建立典型地物标准波谱数据库。从波谱数据库提取模型反演所需要的先验知识，实现了基于SAIL模型的MODIS数据（经过几何纠正与大气纠正）叶面积指数的反演。另外，基于TM数据，对MODIS混合像元进行了分解，用纯像元的叶面积指数与实测数据进行对比验证，同时，反演结果与NASA的LAI产品也进行了对比，结果表明基于波谱库的先验知识可以有效的提高叶面积指数的反演精度。     

BRDF模型参数分阶段鲁棒性反演方法

遥感BRDF物理模型均建立于一定的假设或基于某些理想状况，其模拟的数据与观测数据之间多少会存在一些差异（误差）。利用BRDF模型反演地表参数时，如果不加选择地使用所有观测数据，势必会影响模型参数反演的准确度。遥感反演时一般都采用代价函数进行参数拟合。经典的最小二乘（LS）拟合代价函数对正态分布误差具有一定的抗干扰性，但是当观测数据含有异常值时却会导致反演结果的不稳定。最小中值平方（LMS）方法具有鲁棒性特点，反演时若将其作为代价函数，则可以有效地检测出观测数据中含有的异常值，从而可以使模型反演准确度提高。本文以遥感BRDF物理模型——SAIL模型为例，使用模拟数据与真实地面观测数据，构建LMS与LS两种代价函数，分阶段地进行地表参数的反演方法研究。结果显示，针对具有一定误差或模型不能完全表示的观测数据，本文采用的分阶段方法可以对模型参数鲁棒地反演。     

遥感与中国可持续发展:机遇和挑战

中国要实现可持续发展,必须积极应对资源短缺、环境恶化、海洋开发和气候变化等一系列重大资源环境问题;随着全球经济发展一体化进程加快,中国必须以全球视角研究和解决面临的资源环境问题。遥感在地球科学、环境科学、资源科学与全球变化研究中具有宏观动态的优点,是不可替代的全球观测手段,是实施可持续发展战略的基础性技术支撑。本文回顾了遥感科学技术进步的历程,总结了国际上围绕可持续发展所开展的全球遥感科学计划,分析了中国遥感现状和服务于可持续发展的前景,并结合国际上地球综合观测系统的发展态势,提出了中国遥感科学技术发展面临的挑战和机遇,进一步阐述了遥感发展面临的建立地球综合观测系统之系统、高精度遥感模型与参数反演、遥感产品真实性检验与遥感性能判据及测试系统、遥感数据与地球系统模式同化、遥感大数据与主动服务等前沿科学与技术问题。最后指出遥感要更好地服务于社会可持续发展,服务于国家的全球战略,服务于国民经济建设;必须创新遥感应用服务模式,加快遥感产业化和商业化进程;建议推进卫星观测系统的商业化,加快无人机遥感发展,促进遥感应用市场化。     

贝叶斯网络支持的地表参数混合反演模式研究

基于贝叶斯网络理论，建立用于植被地表参数估计的混合反演模式，结合遥感物理模型实现了冬小麦叶片叶绿素含量（Cab）和冠层叶面积指数（LAI）的反演。用模型模拟数据以及2001年顺义遥感实验数据验证结果表明，LAI和Cab均有较好的反演精度。针对含噪声模拟数据反演结果中约有10％的噪声数据反演失败的情况，用不确定知识的处理方法有效地降低了失败点的比例。混合反演模式本质上是一个融合先验知识与观测数据的知识推理方案，本文实现了对反演过程中参数后验概率更新算法并引入热力学中的信息熵概念实现了参数后验信息动态定量计算，同时简单探讨了现阶段定量评价遥感反演过程中信息流控制存在的难点问题。     

黑河遥感试验：回顾与展望

地球系统科学的基石之一是地球观测系统，许多观测试验甚至成为一个阶段地球系统科学认识和研究方法进步的里程碑。在这些观测试验中，遥感试验始终是核心组成部分。黑河遥感试验是以中国典型内陆河流域——黑河流域为研究区，以流域内山区冰冻圈、人工绿洲、天然绿洲的生态水文过程为研究对象，于2007年—2017年开展的大规模、多学科卫星—航空—地面综合遥感试验，历经“黑河综合遥感联合试验”和“黑河生态水文遥感试验”两个阶段，由52家单位，670余位科研人员参与，650多个试验数据集全部共享。黑河遥感试验以流域复杂异质性地表研究为特点，在多尺度观测方法创新、定量遥感发展、生态水文应用等方面取得了突破，实现了定量遥感和流域生态水文集成研究的深度结合。论文回顾了黑河遥感试验10年历程，凝练了尺度转换、异质性度量、不确定性定量的多尺度试验三原则，总结了星机地一体化、流域—子流域—足迹—单点多尺度嵌套、传感器网络、通量矩阵多尺度观测新方法，介绍了在多源遥感协同反演方法、异质性辐射传输模型、遥感产品真实性检验技术上的进步。在试验中也研发了降水、积雪、蒸散发、土壤水分、净初级生产力等10多种高分辨率流域尺度生态水文产...     

异质性地表反照率遥感产品真实性检验研究现状及挑战

地表反照率直接决定了地表能够吸收到的太阳辐射能量,是研究气候变化、能量平衡的一个关键参数。遥感为大尺度、连续获取地表反照率提供了一种有效的观测手段。但遥感数据本身的精度限制和反演模型的不确定性,使基于卫星数据反演的反照率产品存在误差,而这种误差的存在又会影响产品的进一步应用。正确的认识这种误差有助于提高产品的应用精度,深化其应用的深度和广度。真实性检验就是正确认识卫星反照率产品准确性、稳定性的重要手段,它是卫星产品从生产到应用的桥梁。虽然目前已经开展了大量的真实性检验工作,但即使是针对同一种卫星产品,真实性检验的结果往往并不一致。其根本原因在于验证中所采用的参考值能不能够准确地代表卫星像元尺度的地面真值。地面观测和卫星产品像元之间巨大的尺度差异以及广泛分布的地表异质性,使地面观测并不能直接作为像元尺度真值与卫星产品进行简单的对比。因此真实性检验过程并不是直接的,而是需要经过一系列严格、独立的过程得到像元尺度真值后与产品在一定的空间和时间范围内进行对比。针对目前真实性检验结果准确性和可信度不高等问题,本文尝试从地面实测数据、尺度转换、验证方式、评价方法及验证中存在的问题等几个方面来论述反照率产品的真实性检验现状及挑战。     

数据驱动的蒸散发遥感反演方法及产品研究进展

蒸散发是水圈、大气圈和生物圈中水分循环和能量交换的纽带。在全球尺度上,蒸散发约占陆地降水总量的60%;作为其能量表达形式,潜热通量约占地表净辐射的80%。随着通量观测技术的发展,全球长期持续的观测数据得以获取和共享,近年来基于数据驱动的蒸散发遥感反演方法取得了较好的研究进展。本文针对数据驱动的蒸散发遥感反演方法和产品,从经验回归、机器学习和数据融合3个方面展开,对现有的研究进展进行了梳理、归纳和总结,并从驱动数据、反演方法、已有产品等方面指出目前仍存在的问题和不足。未来仍需开展数据驱动的高时空分辨率的蒸散发遥感反演方法的研究,有效考虑地表温度和土壤水分等可以指示地表蒸散发短期变化的重要信息,同时加强基于过程驱动的物理模型与数据驱动的模型的结合,使两类模型能互为补充、各自发挥所长,共同推动蒸散发遥感反演研究水平的进步。     

高分遥感共性产品生成和真实性检验技术体系

随着高分辨率对地观测系统重大专项的成功实施，GF-1—GF-7七型卫星共19种主要载荷发射升空，形成了中国遥感卫星多谱段、多模式的观测能力，可为各种科研和行业遥感应用提供源源不断的高空间、高时间和高光谱分辨率的高质量遥感数据。如何打通高分卫星遥感数据到信息的转换链，降低高分卫星数据应用门槛、提升高分卫星应用服务成效已成为急需破解的迫切问题。遥感定量产品的误差来源包括传感器成像、几何与辐射定标、数据预处理、定量反演与产品检验等各个环节，提高定量遥感产品精度是一个复杂的系统工程，各行业应用部门和多领域用户难以独立完成全流程数据处理、产品生产和检验。本文在分析高分卫星遥感产品体系的基础上，针对多用户共同需求，梳理了7大类共45种共性定量遥感产品；从全链条误差溯源和质量检验需要出发，提出了高分遥感共性产品生成和检验的技术体系，分析了算法测评—算法优化—产品生产—真实性检验等环节面临的关键技术；进而提出了高分遥感共性产品真实性检验平台与产品定型分系统的初步设计方案，并介绍了系统研发的最新进展；最后对高分共性产品应用前景进行了展望，构建高分遥感共性产品生成与真实性检验技术体系，对于保障高分卫星遥感...     

集合卡尔曼滤波方法的高时空分辨率山区地表反照率反演EI北大核心CSCD

高分辨率地表反照率遥感产品以其空间分辨率高的优点,目前正成为区域能量平衡和气候变化研究的重要数据源。现行的高分辨率地表反照率遥感反演算法及数据产品均假设地表平坦且均一,缺乏对地表异质性和地形复杂性的考虑,将适用于平坦地表的反演算法应用于山区将存在一定的误差。改进的直接算法将直接反演算法与山地辐射传输模型结合,为反演山区高分辨率地表反照率提供了可能,可以反演山区地表反照率产品。但该算法受到下垫面积雪、云污染等影响,反演的影像时域不连续,且存在着较多的缺失值,无法构建时空连续的地表反照率产品来支撑山区地表能量平衡相关研究。针对这一问题,本文以高分四号(GF-4)卫星数据为例,首先基于改进的直接反演算法反演山区高分辨率地表反照率,结合MODIS BRDF/Albedo产品构建先验知识背景场,采用集合卡尔曼滤波方法对反演的山区地表反照率进行时空填补,构建了时空连续的地表反照率反演方法,并生产了2016年—2017年的山区地表反照率产品。研究结果表明,反演的时空连续高分辨率地表反照率产品与地面站点观测数据的一致性较好。不同坡度地面站点的验证结果显示,反演的时空连续地表反照率产品在湿地、农田等平坦地表下RMSE小于0.01,坡度较大的站点下RMSE为0.0163。本文描述的山区地表反照率时空填补技术也可以应用到其他定量遥感产品,为这些产品在山区地表下的填补技术提供有效参考。     

中国遥感实验与真实性检验的发展思考

遥感实验与真实性检验始终在遥感科学与技术发展中发挥重要的作用，遥感实验是真实性检验的基础，真实性检验是遥感算法精度的重要保障，是遥感产品质量提升的重要途径。中国遥感实验和真实性检验发展历经遥感应用实验、定量遥感机理研究实验以及真实性检验综合实验等3个主要发展阶段，遥感系列实验有力推动了中国遥感真实性检验理论和方法的发展，形成了从遥感观测到像元“真值”的遥感产品真实性检验系统性技术链条，发布实施了遥感真实性检验系列国家标准，构建了中国算法测评与真实性检验平台。2022年11月4—6日，中国举行了“首届遥感实验与真实性检验学术论坛”，围绕遥感实验与真实性检验理论与实践、地面观测与不确定性、真实性检验实践与平台、遥感实验与真实性检验的未来发展等多个议题展开了热烈的交流与讨论。论文在总结和回顾中国遥感实验与真实性检验领域主要进展的基础上，阐述中国遥感实验与真实性检验面临的问题与挑战，文章最后对其发展前景进行了展望。     

基于地球静止气象卫星的地表参数遥感研究进展

地表参数定量遥感反演是遥感科学研究的重要环节.21世纪以来,地球静止气象卫星数据在地表参数遥感反演中受到越来越多的重视.本文对利用地球静止气象卫星进行地表参数遥感反演研究的进展进行了综述.文章首先简单介绍了当前正在运行的欧盟Meteosat、美国GOES-R、日本葵花和中国风云静止卫星系统,随后详细总结了不同卫星系统估...     

从实景三维建模到数字孪生建模

从实景三维建模到数字孪生建模是国家数字经济和智慧社会建设与发展的基本需求。本文探讨了实景三维建模和数字孪生建模的关键技术内涵,介绍了数字乡村、未来社区和智能铁路等典型应用场景。广域范围实景三维建模在低成本高效数据采集和智能化自动化三维精细建模与动态更新方面面临挑战,城市级或重大工程级的数字孪生建模在全要素整体性的表征数据与机理模型集成表达方面还存在关键技术瓶颈。测绘技术亟须多学科交叉融合创新,突破天空地有机协同实时动态获取多细节层级实景三维数据、智能化处理多专业多尺度多模态时空数据、不完备数据条件下复杂场景的三维实体化精细建模、表征数据与机理模型结合的全生命周期数字孪生模型动态构建等核心关键技术,形成通用地理空间智能,实现测绘技术的高质量发展和对经济社会发展不可替代的更有力的基础支撑。     

基于BRDF原型反演地表反照率

先验知识在遥感反演中起到重要的作用,本文首先根据各向异性平整指数AFX和地表多角度观测数据集建立了BRDF二向性反射分布函数原型库,然后介绍了以BRDF原型作为先验知识的提取多角度数据地表反照率的原型反演算法,为验证算法的精度,将原型反演及全反演算法拟合验证数据子集得到的反照率与MODIS全反演算法拟合完整数据集得到的结果作比较。结果对比表明,观测天顶角在40°以内时,非垂直主平面的观测数据能够代表部分地表的各向异性反射特征,此时原型反演算法的最大平均绝对误差为0.036,相对精度比全反演算法高约5%—10%;当数据位于垂直主平面时,观测信息量严重不足,此时原型反演算法结果相对较稳定,而全反演算法的最大绝对误差高达0.18。 综上所述,原型反演算法能够在整个采样空间范围内对BRDF进行约束,对观测数据位置分布的依赖较小,抗噪声能力强,在反演观测信息不足的多角度数据时,结果精度优于全反演算法。     

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。     

MODIS LAI产品真实性检验与偏差分析

当前对MODIS LAI产品的真实性检验工作中,更多的是关注遥感产品在数值与趋势上与地表真值的一致性程度,很少工作能够全面分析遥感LAI产品偏差来源以及不同来源的偏差对全局偏差的贡献率。本文在对MODIS LAI产品进行真实性检验基础之上,进一步分析了MODIS LAI产品偏差来源。将遥感产品真实性检验偏差来源分解为反演模型,反射率数据和冠层聚集效应3个方面,并定量分析各个偏差源对真实性检验结果的影响。以河北省怀来玉米为研究对象,结合实测LAI数据和Landsat 8 OLI(Operational Land Imager)数据建立NDVI LAI半经验模型,得到LAI参考数据,据此对MODIS LAI产品进行真实性检验及偏差分析。研究表明,该区域MODIS LAI产品存在明显的低估现象,参考数据和MODIS LAI数据均值分别为3.53 m2/m2和2.33 m2/m2,MODIS产品低估为34.14%。在各个偏差因素中,反射率数据的差异对结果影响最大,即MODIS地表反射率数据与Landsat 8 OLI地表反射率数据的差异造成的偏差占总偏差的57.50%;聚集效应的影响次之,占总偏差的28.33%;模型差异对结果的影响最小,占总偏差的14.17%。本研究对遥感产品真实性检验及其不确定性分析具有一定的借鉴意义。