基于高分一号遥感影像的农村黑臭水体识别方法研究

农村黑臭水体治理是改善农村人居环境的一项非常重要的内容,黑臭水体识别是黑臭水体治理的前提和基础。本文在反射率光谱指数BOI(Black and Odorous water Index)的黑臭水体识别模型基础上,结合省基础测绘数据、高分辨率数字正射影像等专题资料,提出了基于高分一号(GF-1)遥感影像的农村黑臭水体识别模型,能够初步判别农村黑臭水体分布情况,为快速获取农村黑臭水体空间位置提供了解决方案,在农村黑臭水体治理中具有一定的应用价值。     

GF-1 WFV影像的翅碱蓬植被指数构建

目前大部分植被指数主要针对绿色植被构建,缺乏针对其他颜色特别是红色植被的指数。此外,面向湿地或潮间带植被识别提取的植被指数也相对较少。为拓展针对红色植被指数构建的研究,结合翅碱蓬植被的红色特征,基于高分一号（GF-1）卫星宽覆盖影像（wide field of view,WFV）,通过对比翅碱蓬及其周边地物在GF-1 WFV影像中的光谱反射率特征,构建了翅碱蓬植被指数（suaeda salsa vegetation index,SSVI）。为评估SSVI提取翅碱蓬的精度,以辽宁双台子河口湿地自然保护区为研究区,采用各种植被指数分别提取了不同年份的5景GF-1 WFV影像翅碱蓬信息,并对提取结果精度及错分像元数进行统计分析。结果表明,SSVI平均提取精度为88.6%,平均错分像元占研究区比例为5.1%,在5个指数中提取翅碱蓬精度最高、效果最好。此外,5期影像间较大的时间跨度也证明了SSVI的鲁棒性较强,具有较好的适用性,受时间影响较小。综上,构建的SSVI可有效用于翅碱蓬的识别与提取,并监测其时空变化。     

月尺度农作物提取中GF-1 WFV纹理特征的应用及分析

农作物种植结构包含农作物种类、数量结构和空间分布特征等信息,是农业科学管理的基础.在不考虑农作物时间序列最佳窗口期的前提下,以石津灌区为研究区,基于高分一号(GF-1)WFV影像计算并分析纹理特征在农作物分类识别中的能力.并在纹理特征分类效果相对较差的时相内引入植被指数,从而弥补纹理在农作物表达上的缺陷.经过对比各组分...     

面向GF-1 WFV影像的城市建设用地指数构建

针对GF-1 WFV影像缺少中红外波段,无法使用大多数建设用地指数提取建成区的问题,利用Fisher线性判别分析"类内聚合,类间分离"的投影准则,本文提出一种针对GF-1 WFV影像城市建设用地指数UBIWFV。该指数利用蓝光和绿光波段线性组合运算分离和增强建设用地信息。利用该指数提取了福州、石家庄和武汉3个不同研究区城市建设用地,并与建筑用地指数RBI提取结果进行比较。结果表明,该指数在不同研究区提取结果总体精度达到85%,Kappa系数达到0.7以上,提取结果空间连续性和完整性更好,指数阈值选取较容易。该指数相比RBI指数抑制裸土信息效果更明显。UBI_(WFV)指数对于城市建设用地提取具有一定的可行性和适用性。     

利用GF-1 WFV影像和FY-3D MERSI火点产品提取过火区的方法

利用遥感技术获取过火区信息对生态环境监测具有重要意义,其中高分辨率数据更适合提取小范围过火区。目前已有多种利用国外火点产品结合遥感影像提取过火区的研究。为了增强国产遥感数据火情监测能力,提高小范围过火区的提取效率和精度,基于过火前后2幅GF-1 WFV影像和多时相FY-3D MERSI火点产品开展过火区提取研究。2处研究区分别位于四川省凉山彝族自治州木里藏族自治县和西昌市。首先根据火点与过火区形成的关系,结合火点的时间、空间和光谱特征,筛选并扩充火点像元,确定过火区粗略范围;然后确定每种地表类型的分割阈值,分类过火像元和非过火像元;最后剔除周边小斑块,得到过火区提取结果。以人机交互方式获得的过火区参考真值作验证,并与神经网络分类法提取过火区的结果作对比。结果表明本文方法的过火区提取结果精度要明显高于神经网络分类法,Kappa系数达到0.82。该方法可以充分结合GF-1 WFV影像和FY-3D MERSI火点产品数据的优势,降低样本像元选择时间成本和不确定性,快速准确地提取小范围过火区。未来可考虑通过选择更高精度的火点产品,结合实地考察验证对该方法改进完善。     

高分一号卫星遥感影像提取冰川堰塞湖水体方法比较

快速准确地从遥感影像提取冰川堰塞湖水体信息,是研究冰坝遥感监测与应急监测的核心热点问题.以GF-1卫星遥感影像为主要数据源,采用归一化差分水体指数(NDWI)、改进阴影水体指数(ENDWI)和面向对象(SVM)对克亚吉尔冰川堰塞湖水体进行定量提取.比较分析3种水体判识方法,3种方法均可以提取完整的水体边界,并且抑制了9...     

利用暗目标法从高分一号卫星16 m相机数据反演气溶胶光学厚度

针对高分一号卫星(GF-1)的16 m宽覆盖相机数据,探讨了暗目标法的应用。首先,利用地面观测的植被光谱数据,结合模拟计算,发现利用红蓝波段线性关系能更好地去除地表影响,而利用反演的气溶胶光学厚度AOD进行大气校正能很好地去除伪暗目标;然后,以天津地区和北京地区为试验区进行了反演试验。结果表明,利用本算法能较好地观测气溶胶分布,与地面观测结果均有较好的相关性(R0.8),但反演结果整体偏高,可能是云像元的影响。误差分析表明,整景图像采用统一的观测天顶角会带来较大误差,最大误差为0.3;绝对辐射定标精度在3%以下,反演精度能控制在10%,城市型气溶胶会对反演带来较大误差。     

基于混合式特征选择的高分五号影像农田识别

精准农田识别是农作物估产和粮食安全评估的基础。遥感数据作为农田识别的重要数据源,可提供动态、快速的监测结果。高光谱数据在农田识别分类方面具有巨大的应用潜力,但其中的冗余波段影响了分类效率和分类精度。因此,本研究提出了一种适用于高光谱数据农田分类的混合式特征选择算法。首先,基于变量的重要性排序或约束程度,按步长逐步进行降维;其次,寻找分类精度骤减的转折点,并将其对应的变量作为特征子集;最后,利用序列后向选择SBS（Sequential Backward Selection）方法搜索最优分类特征子集。本研究利用GF-5高光谱数据,共研究了3种降维方法（随机森林RF（Random Forest）、互信息MI（Multi-Information）和L1正则化（L1 regularization））和3种分类算法（随机森林、支持向量机SVM（Support Vector Machine）和K近邻KNN（K-Nearest Neighbor））的组合在农田分类中的表现。结果表明,基于L1正则化法得到的特征子集自相关性较低,并且包含的红边和近红外波段有效提高了农田、森林和裸土的区分度。在不同分类模型比较中发现,SVM在高维空间中表现出非常好的抗噪能力,分类精度高于RF和KNN。而RF在低维空间中的泛化能力要高于SVM和KNN。相比于第一步降维得到的特征子集,使用SBS搜索得到的最优特征子集均提高了分类精度。最终,具有23维输入的L1-SVM-SBS分类模型得到了最高的总体分类精度（94.64%）和农田召回率（95.83%）。本研究为高光谱数据特征优选提供了一种新思路,筛选出了更具代表性的特征波段,提高了农田分类精度,对高光谱遥感分类研究具有参考价值。     

高分一号遥感影像在青藏高原湖泊的提取方法

基于高分一号影像,选用归一化差异水体指数(NDWI)阈值法、LBV变换法、"全域-局部"水体自动分割法,分别提取了布若错、赛布错和雅根错的边界。分析对比3种方法,结果显示NDWI阈值法与LBV变换法从整张影像中提取湖泊边界,影像中的非湖泊范围的区域如阴影区等,会误判为湖泊的像元;"全域-局部"水体自动分割法将提取范围从全域转为局部,减少了非湖泊范围内地物信息的干扰,并对每个湖泊的NDWI阈值独立判断,实现了湖泊边界的精细提取。     

高分一号卫星中国植被覆盖度高时空分辨率产品验证与分析

植被覆盖度FVC (Fractional Vegetation Cover)是衡量地表植被状况的重要指标之一。卫星遥感是获取全球与区域动态FVC的主要技术手段,但现有FVC产品空间分辨率主要为中等（300 m）及中低分辨率,难以满足应用需求。已有高分辨率卫星较长的重访周期是制约高分辨率FVC产品难以生产的主要原因。国产高分一号（GF-1）宽幅相机（WFV）具有高时空分辨率特点,16 m空间分辨率和4天重访周期为高时空分辨率FVC产品生产提供数据支撑。本文对中国2018年—2020年16 m/10天GF-1 FVC产品从直接验证和间接验证两方面进行定量分析与评价,结果显示：（1）基于中国甘肃黑河站、吉林净月潭站、河北塞罕坝站等地面实测数据进行直接验证,GF-1 FVC产品精度（R2=0.57,RMSE=0.12,BIAS=-0.03）优于GEOV3 FVC产品,能够降低森林类型高估现象;（2）中国陆地近88%的像元GF-1 FVC产品全年缺失率低于70%,在生长季内约占82.73%的像元缺失率低于73.68%,产品能够较好的体现植被季节变化特征。基于国产GF-1卫星的高时空分辨率FVC产...     

融合高分一号、风云四号及葵花-8的光合有效辐射遥感方法及产品研究

光合有效辐射是植被生产力模型的重要输入参数,也是陆地生态系统模型及生物地化模型等的重要特征参量。目前的全球或区域尺度光合有效辐射产品在起伏地表情形的精度及可用性尚存在不足,高分系列卫星的发射,为高空间分辨率光合有效辐射遥感产品反演提供了可能。本文结合高分一号卫星(GF-1)反演的地表反照率产品,气溶胶光学厚度产品,日本新一代静止卫星Himawari-8及国产风云四号卫星(FY-4)的云光学厚度产品及美国的SNPP卫星反演的气溶胶光学厚度产品(用于填补GF气溶胶产品的空值区),发展了一种基于参数化模型的光合有效辐射遥感反演方法。晴空条件下,主要考虑气溶胶和瑞利散射对光合有效辐射的衰减;云天情形,则主要考虑云光学厚度参数对入射辐射的影响,以球形粒子的Mie散射理论和平面平行大气辐射传输原理计算总透过率;针对起伏地表,分别计算地形对坡面入射角度的影响、对直接辐射的遮蔽以及对散射辐射的增强/衰减效应,从而得到高分卫星光合有效辐射遥感反演模型及产品。利用河北怀来试验站、西南大学柑研所及黑河流域地表过程综合观测网的连续观测数据对光合有效辐射产品进行了对比验证,其相关系数为0.87,平均偏差为1.5...     

辐射传输模型模拟与深度学习结合的高分一号卫星植被光合有效辐射吸收比例产品反演算法

植被光合有效辐射吸收比例FPAR (Fraction of absorbed Photosynthetically Active Radiation)是碳循环光能利用率模型中的关键参数之一。高分系列卫星的发射,为反演定量遥感产品提供了高时空分辨率的卫星遥感数据,基于高分数据的植被光合有效辐射吸收比例产品能够为生态系统碳循环的分析评估提供更加精细、精度更高的输入参数产品。本文发展了一种基于深度学习的光合有效辐射吸收比例反演方法。该方法利用SAIL(Scattering by Arbitrarily Inclined Leaves)模型模拟多种太阳入射角度、观测角度、大气条件下的植被冠层光合有效辐射吸收比例及冠层反射率,形成海量输入—输出模拟数据集,具有鲁棒性及更好的普适性;基于深度信念网络对数据集进行训练,得到高分一号（GF-1）卫星光合有效辐射吸收比例遥感反演模型。利用中国科学院怀来遥感综合试验站及黑河流域地表过程综合观测网FPAR地面站点连续观测数据对玉米作物、芦苇草地等下垫面反演的FPAR进行了对比验证,RMSE分别为0.15和0.17。本方法以辐射传输模型模拟的多维大气及地表输入...     

高分五号高光谱遥感影像的城市土地利用景观格局分析

本文以武汉市江北核心区域7个行政区为例,以"高分五号"(GF-5)高光谱遥感影像为实验数据,提出了一种基于深度学习的空—谱结合高光谱影像分类算法(SSUN)的改进算法SSUN-CRF,通过全连接条件随机场(FC-CRF)对SSUN分类结果进行细化,并结合选取的7个景观格局指数分别从类型斑块水平以及景观水平分析7个行政区景观格局特点及武汉市城市化趋势。结果表明:(1) SSUN-CRF算法能够快速准确地提取城市用地类型,总体精度可达0.9048,Kappa系数可达0.8807;(2)从斑块类型水平上分析:根据各行政区不同类别景观类型百分比(PLAND)可以看出,武汉市主城区以居住用地为主,汉阳区3类居住用地PLAND指数高于其他主城区,表明汉阳存在较大"城中村"现象;江汉区商业用地斑块密度(PD)高且聚合度(AI)低,即商业用地多且分布均匀,表明江汉区是武汉的重要商贸区;(3)从景观层次水平上分析:根据香农多样性(SHDI)、香农均匀度(SHEI)指数分析可以看出,武汉市江北区域各用地类型总体分布均衡,景观生态多样性和稳定性较好;从斑块密度(PD)和香农多样性(SHDI)空间布局分析可知武汉市的城市扩张呈现以主城区为核心向外蔓延趋势,且沿主城区东南、西南方向扩张趋势明显。本文研究成果对武汉市总体发展规划、优化土地利用及可持续发展建设具有重要的指导意义,进一步可为发展长江经济带、"长江主轴"提供决策参考。     

高分五号大气痕量气体差分吸收光谱仪观测数据的火山喷发SO2总量反演

火山喷发产生的高浓度SO₂气体及其远距离输送会对全球气候变化和航空飞行安全产生重要影响。卫星遥感技术以大面积连续观测、高时空分辨率等优势成为大气SO₂监测的重要手段之一。作为中国第一颗紫外可见光波段的高光谱载荷,高分五号卫星大气痕量气体差分吸收光谱仪（GF-5 EMI）通过探测地球大气或表面反射、散射的紫外辐射来解析SO₂总量的分布和变化。本文首先基于大气辐射传输模型SCIATRAN,选择中低纬地区地表类型均一的海洋区域像元,模拟了典型大气条件下的晴空天顶反照率,用以评价EMI载荷天顶观测光谱的精度。其次,基于TROPOMI L1 Radiance辐亮度数据和DOAS反演原理,经477 nm O₄云筛选、光谱定标、慢变剔除、斜柱转垂直柱等步骤后,获得同一火山喷发区域的SO₂总量反演结果并与TROPOMI官方offline L2 SO₂产品进行对比分析。最后,利用GF-5 EMI UV-2通道观测数据,采用DOAS算法反演获得GF-5 EMI大气SO₂总量,并将反演结果与国际同类载荷S5P/TROPOMI SO₂总量结果进行比较分析,评判GF-5 EMI在全球火山活动SO₂变化监测方面的能力。结果显示,300—400 nm波段范围内,海洋区域采样点EMI观测光谱值低于SCIATRAN模拟光谱值,EMI与TROPOMI观测光谱呈现出相似的系统性偏差。基于高空间高光谱分辨率的TROPOMI L1 Radiance辐亮度数据、315—327 nm、325—335 nm和360—390 nm共3个波段窗口、以及上述DOAS反演原理获得的SO₂结果与TROPOMI官方发布的offline L2 SO₂产品结果相关性较高,两者的相关系数可达到0.97—0.99,相对偏差在3%—9%。GF-5 EMI能够获取火山喷发SO₂排放的时空分布特征,并与国际同类载荷TROPOMI反演结果具有较高的空间一致性,能够满足全球火山喷发监测、预警及其气候影响研究的应用需求。     

基于高分一号宽幅多光谱影像的鄱阳湖湿地分类研究

典型湿地类型分类对于湿地生态环境保护和生态环境建设具有重要意义。本研究以高分一号宽幅多光谱影像数据作为数据源,以鄱阳湖典型湿地作为研究对象,进行典型湿地类型分类。研究采用主成分分析、归一化植被指数、比值植被指数和归一化差异水体指数等方法对不同湿地类型进行光谱特征分析,结果表明:高分一号宽幅多光谱影像反演的归一化植被指数和归一化水体指数能够较好地区分水体、泥滩、挺水植物和湿生植物等常见湿地类型。通过归一化植被指数将湿地类型分为植被和非植被,归一化差异水体指数将植被类型进一步分为挺水植物和湿生植物,将非植被分为水体和泥滩。构建决策树对典型湿地类型进行自动分类,经过精度评价和分析验证,该方法针对高分一号宽幅数据进行典型湿地分类总体精度能够达到82.28%,Kappa系数0.7346,优于常规的监督分类和非监督分类。     

基于卫星遥感的关中盆地PM2.5浓度时空变化特征研究

空气污染与人类健康息息相关,是全世界关注的重要环境问题。空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物(PM_2.5)是空气污染物的重要组成部分,基于高精度、高覆盖率的PM_2.5数据集,可以开展对PM_2.5浓度时空变化特征的研究,从而可为空气污染控制政策的制定提供重要科学依据。然而传统地面监测手段获取的PM_2.5浓度观测数据较为稀缺,不足以开展深入研究。利用PM_2.5粒子的消光特性,借助卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)反演PM_2.5浓度,可以有效弥补地面监测站点观测数据的不足,目前已成为研究PM_2.5的重要手段。随着我国经济发展和城市化进程的加快,PM_2.5污染问题日益显著。     

高分五号大气痕量气体差分吸收光谱仪对流层NO2柱浓度遥感反演研究

搭载于“高分五号”（GF-5）卫星上的痕量气体差分吸收光谱仪（EMI）是一台星下观测的高光谱载荷,测量紫外和可见光光谱范围的地球后向散射辐射,设计用于大气痕量气体的探测。本研究基于EMI在VIS1通道的实测光谱,利用差分光学吸收光谱（DOAS）方法进行了对流层NO₂柱浓度反演,展示了基于EMI载荷的对流层NO₂柱浓度反演结果,与同类载荷产品进行交叉验证,并利用地基观测结果进行了地基验证。研究表明,EMI反演结果与OMI、TROPOMI具有较好的空间分布一致性和较低的相对偏差,与TROPOMI具有较好的时间变化一致性。地面验证结果表明EMI NO₂反演结果具有较高的精度。本研究证明了EMI在全球NO₂监测方面的能力,可以为中国后续污染气体探测载荷的设计和反演算法的开发提供参考。     

多源卫星遥感的华北平原大气NO2浓度时空变化

为探讨1996年以来华北平原对流层NO_2柱浓度变化的空间特征,基于GOME、SCIAMACHY和OMI卫星传感器的监测数据,以SCIAMACHY的NO_2柱浓度为基准,根据建立的GOME和SCIAMACHY,SCIAMACHY和OMI之间的相关关系,校正GOME和OMI监测的NO_2数据;利用线性正弦曲线模型拟合方法研究1996年—2016年长时间序列华北平原对流层NO_2变化的空间分布特征。结果显示,华北平原对流层NO_2浓度自1996年开始持续上升,到2011年达到最高值,然后呈现下降趋势。该变化趋势主要受经济发展和环保政策的双重影响。1996年—2011年,NO_2柱浓度高值区分布在北京市、天津市、河北唐山市和保定市、山东德州市和济南市、安徽滁州市以及江苏南京市、常州市和无锡市,并且具有较高增长率;2012年—2016年NO_2柱浓度平均值远高于1996年—2011年NO_2柱浓度平均值,高值地区范围扩大,分布在河北南部、河南北部和山东西部,但华北平原地区NO_2柱浓度均呈现负增长,表明"十二五"规划提出的大气环保政策取得了显著成效。同时,对流层NO_2柱浓度可以反映典型环保事件如北京奥运会、国庆阅兵和南京青奥会时期大气环保政策的实施效果。     

耦合WorldView-2和珠海一号影像的红树林物种分布

红树林物种遥感分类受影像分辨率、波段信息、分类策略、影像特征选择方法等因素影响。现有的红树林物种遥感分类研究大多关注于分类精度的比较,较少报道商业高分与国产高光谱卫星的结合在物种分类的应用。基于湛江高桥红树林保护区的高分（WorldView-2）和高光谱（珠海一号）卫星影像,本文旨在利用随机森林分类方法,比较不同特征选择算法（极端梯度提升（XGBoost）、极端随机树（ERT）、连续投影算法（SPA））和不同空间分辨率（WorldView-2影像从0.5 m的分辨率重采样为1 m、2 m、4 m、8 m、10 m）对红树林物种分类精度的影响,并耦合WorldView-2与珠海一号影像研究红树林物种空间分布格局及影响因素。每种空间分辨率的WorldView-2影像提取248个特征（52个光谱特征及196个纹理特征）,珠海一号影像提取117个光谱特征。结果表明,XGBoost方法优于ERT和SPA,在影像特征选择中具有巨大优势;与其他空间分辨率相比,2 m分辨率的WorldView-2影像具有更高的分类精度;耦合WorldView-2和珠海一号影像的分类精度（分辨率：2 m,总体精度：88.98%,kappa系数：0.846）高于单一的WorldView-2影像（分辨率：2 m,总体精度：83.47%,kappa系数：0.768）和珠海一号影像（分辨率：10 m,总体精度：78.50%,kappa系数：0.703）;另外,林窗、高程、离岸距离一定程度上影响红树林物种分布格局。本文表明WorldView-2与珠海一号高光谱影像的结合在景观及区域尺度上精确提取红树林物种信息具有巨大潜力,有利于红树林生物多样性保护及科学管理。