黑河遥感试验中尺度上推研究的进展与前瞻

尺度问题是遥感科学研究的一个关键科学问题,但其理论和方法的发展严重受限于稀缺的多尺度观测数据。黑河生态水文遥感试验(Hi WATER)的核心目标之一是开展多尺度观测以支持尺度转换研究。本文综述了Hi WATER中定点观测的尺度上推研究进展,内容包括:(1)尝试严格定义了空间平均、空间尺度上推、观测足迹、代表性误差、观测真值等概念;(2)介绍了Hi WATER获取的多尺度(单点—像元—区域—流域)生态水文观测数据;(3)发展了基于地统计理论的多尺度采样方法,改进了基于时间稳定性的采样方法;(4)定量评估了辐射、碳通量、土壤水分、地表温度单点观测的代表性误差,实证了异质性地表遥感产品真实性检验的不确定性主要来源于观测的时空代表性;(5)发展了定点观测的尺度上推方法,将克里格方法推广至回归克里格、面到面、不等精度观测等情形,发展了贝叶斯框架下的非线性尺度上推方法,实证了引入遥感观测作为协同信息可显著提高尺度上推的精度。总之,Hi WATER初步形成了从采样设计、多尺度观测、代表性误差的度量、尺度上推新方法到真实性检验的研究框架。     

基于北京二号与地理国情数据的林地提取

由于地理国情林地数据不包含实地面积小于400 m²的树木或四旁单排林,若仅利用地理国情的林地数据统计区域森林覆盖率,将对四旁树面积较大地区的林地统计结果产生较大误差。为提取区域内准确的林地覆盖与空间分布状况,本文借助地理国情地表覆盖数据,提出了一种基于北京二号高分辨率遥感影像的林地提取方法。首先,根据遥感影像光谱特征,将研究区按植被、道路、铁路、建筑用地进行地类划分,并基于遥感影像进行各地类的样本提取,通过可分离检验的样本利用最大似然分类提取研究区内植被覆盖范围;然后,借助地理国情地表覆盖数据,使用叠置分析剔除误分、错分地类,得到区域林地的空间分布。试验结果表明：(1)研究区内林地覆盖率为20.3%,尚未满足北京新一轮林地规划需求;(2)地理国情地表覆盖数据内林地面积占提取林地总面积的54.03%,说明在部分地区使用本文方法对地理国情林地数据进行补充是有必要的。通过将试验结果与遥感影像进行目视比对并结合外业调查结果发现,提取的林地空间分布情况与实际分布基本相符。本文为地理国情的应用提供了一种新方法,研究结果可辅助区域的绿色发展规划,有助于构建科学的生态空间格局。     

高分遥感驱动的精准土地利用与土地覆盖变化信息智能计算模型与方法研究

通过对地观测可在影像空间上全面反映地表地理现象、格局及演化过程,基于遥感数据提取的土地利用与覆盖变化(LUCC)产品为分析地理要素空间分布规律及其变化机制提供全覆盖、定量化和快速更新的本底信息.本文以高分辨率遥感视觉特征(图)与多源多模态观测机理特征(谱)相互耦合的图谱认知理论研究为基础,提出了精细地理图斑空间结构(精...     

基于云量影像的日照百分率遥感集成模型

通过遥感影像云量数据和地面站点日照百分率观测数据建立遥感集成日照百分率模型,模拟遥感集成日照百分率的空间分布。基本思路是以空间尺度上的富余弥补时间尺度上的稀缺。云的移动是连续的,所以一幅云量遥感影像中,某一格网点周围一定区域范围内的云量都有可能对该点日照情况产生影响,因此对遥感总云量数据在日照轨迹内及云移动所经路径内重采样,能够更接近可照时段内云量的真实情况。然后按云量和日照百分率的负相关性,建立了日尺度的日照百分率遥感集成综合模型,实现对遥感集成日照百分率的模拟,完成日照百分率的遥感集成空间分布模拟图。结果表明：（1）重采样后的总云量克服了云量观测在时间上的局限性;（2）遥感集成日照百分率克服了气象站点空间上的局限性;（3）遥感集成日照百分率模型模拟精度相对插值法有显著的提高。     

利用高分辨率森林覆盖影像实现高山林线的自动提取

快速准确地提取高山林线对标定全球气候变化、科学管理森林资源具有重要意义。秦岭高山林线位于高海拔的生态交错带,垂直带谱分布明显,为本文提供了理想的试验区域。遥感技术具有重访周期短、观测范围大和不受地理环境等条件限制的特点,克服了传统实地调查方法效率低、成本高等缺点。本文基于全球首套30 m空间分辨率森林覆盖数据,结合数字高程模型以及秦岭山脉分布数据,提出一种基于遥感的自动提取高山林线的算法;结合高分辨率的Google Earth影像和GPS地面站点观测数据以及NDVI数据,验证高山林线提取结果的准确性;基于高程数据系统分析研究区高山林线分布与地形特征的关系。结果表明：（1）本文结果与Google Earth影像中实际林线分布基本一致,进一步说明本文提出的林线搜索算法的优越性;（2）秦岭林线高程分布特征呈现显著的坡向差异,呈现南坡林线高于北坡,东坡林线高于西坡的特征。鉴于遥感技术的大范围对地观测的能力,以及卫星影像数据较高的数据质量和易获取性,本文提出的分块迭代搜索策略适用于寻找不同级别的高山林线分布,可进一步推广至全球高山林线制图研究,以期为全球山地生态系统监测、保护和恢复提供技术支撑。     

基于城市天际线的遥感视频生产与交通信息提取

传统交通信息获取方法较难获取大范围、全覆盖的实时动态交通流信息,提出一种利用城市天际线作为观测平台的城市遥感视频生产与交通信息提取方法。首先,在超高层建筑物拍摄对地观测数据;然后,对原始倾斜视频观测数据进行正射校正,与卫星影像融合生成大范围城市遥感视频数据;最后,训练深度学习模型进行车辆分类识别,基于识别结果计算区域车辆数目及密度。在深圳平安大厦观光层开展数据采集并处理分析,结果表明,所提方法可生产低成本、长时间、大范围、高质量的城市遥感视频,基于该遥感视频开展的车辆检测误识别率和漏识别率低,车辆计数准确率高,可对区域交通流量进行有效监控,准确实时地获取城市内部区域交通情况。     

基于动态阈值哈希的大规模遥感影像快速内容检索方法

随着我国遥感对地观测技术的快速发展,接收和存档的遥感影像数据量呈指数级增长,传统的检索方法难以在超大的遥感影像数据量上进行快速内容检索,造成遥感影像检索技术缺乏突破性进展,使得我国遥感影像利用率和利用效率受到限制。本文提出了一种创新的哈希索引方法,该方法根据特征向量的空间分布情况动态生成向量的哈希编码,可对高维的遥感影像特征向量进行低维编码,大大降低了检索计算量,可显著提高大规模遥感影像库内容检索的准确率和效率。在天地图数据集的检索试验表明本文提出方法在准确度和检索效率上均有显著提升,有较大的应用潜力。     

基于遥感和GIS的环境敏感性分区研究

文章在对邹城区域生态环境状况进行分析和判别的基础上,确定了邹城环境敏感性单因子及分级依据。利用SRTM3数据,提取了邹城区域高程分级和坡度数据;利用TM遥感影像,通过监督分类和和人机交互解译方法提取植被要素和土地利用/覆被数据。结合收集到的矿产资源、自然保护及风景区及采煤塌陷风险分布专题信息建立敏感性分析数据库,使用ARCGIS平台进行空间叠加分析,得到邹城区域环境敏感性分区图。发现邹城区域重度敏感区主要分布在坡度较大、易发生水土流失地区以及山地;中度敏感区主要包括地下水源地、贡献较大的水体、自然保护区和部分塌陷风险较大的区域;轻度敏感区多为天然及人工林地。对于不同敏感级别的地区应有针对性地采取保护性开发,并在土地利用中尽量避免对重度及中度敏感区的干预。最后指出了应用RS和GIS空间信息技术进行敏感性分区的作用和意义。     

面向非均质区域的空间增强型时空融合模型研究

随着遥感技术的发展,遥感数据日益增加。然而,受传感器限制及云雨天气影响,单一传感器难以获取高时空分辨率的遥感影像,从而在一定程度上影响全球及区域环境变化研究。遥感影像时空融合理论与技术的发展为解决这一问题提供了有效途径。近年来,国内外学者提出了大量的时空融合算法,但对于复杂地表景观区域空间细节的融合仍存在挑战,地表非均质区域时空融合的精度有待提高。为此,本文提出了一种面向非均质区域的空间增强型时空融合模型。首先,基于混合像元分解原理与遥感数据空间特征尺度不变性假设,将低分辨率光谱变化降尺度为高分辨率光谱变化值;然后,基于不同分辨率遥感数据光谱关系的时间不变性假设,获得最终融合影像。试验结果表明,相对于常用融合模型STARFM、FSDAF,本文模型既能有效反映不同地物物候变化信息,同时能更好地保留地表的空间细节,增强了非均质地表覆盖区域融合影像的空间特征与效果;本文模型的均方根误差RMSE、相关系数r及结构相似性指标SSIM平均值分别达到0.024、0.898、0.897,相对于常用融合模型STARFM、FSDAF,RMSE平均值分别降低了6.71%和4.33%,r平均值分别提高了1.9...     

超分辨率学习算法在海岸地形航空摄影测量中的应用

针对海岸地形航空摄影遥感影像分辨率低导致测量测量低问题,研究超分辨率学习算法在海岸地形航空摄影测量中的应用。基于无人机海岸地形航测遥感影像数据,利用超分辨率学习算法对影像数据进行重建获得高分辨率海岸地形遥感影像;通过最大类间方差法对遥感影像进行分类,并采用反距离加权值法进行匹配,获得海岸地形地理信息。实验结果表明：相比传统方法,本文方法可以获取较高的分辨率遥感影像以及海岸地形航空摄影测量精度,遥感影像峰值信噪比(PSNR)指标平均值在19 dB以上,平面误差与高程误差均小于等于±1.50。     

缺少控制点的卫星遥感影像外推定位

简要介绍了遥感卫星轨道参数外推、传感器姿态和扫描侧视角精化的算法,分析了对国内某地区同一轨道上连续17景资源二号卫星影像进行外推对地目标定位的试验结果。在无地面控制点情况下,根据外推出的遥感卫星系统参数对单景影像实施几何纠正,当外推16景影像(深度达480km)时,对地目标定位精度不低于实地上的100m,明显好于利用卫星星历数据直接进行影像几何纠正的568m精度,从而验证了所建立外推模型的正确性和实用性。     

高分辨率遥感卫星辅助无人机空中三角测量

针对传统无人机影像空中三角测量需要大量外业控制点的问题,提出通过高分辨率遥感卫星影像空间定位获取地面点坐标,并将这些地面点作为无人机影像的控制点来源,以此辅助无人机空中三角测量。在基于RPC模型的高分辨率遥感影像空间定位的基础上,采取多种控制点布设方案进行了无人机影像空中三角测量,并对比分析了各布控方案对试验精度的影响及原因。试验结果表明,在不采用外业实测控制点的情况下,只用高分辨率遥感影像空间定位得到的加密点作全局控制,平差后检查点平面精度可达到0.629 m,高程精度可达到0.823 m,如果要保证更高的空三精度,可在测区四周及中心增加少量外业实测控制点。     

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。     

Remotely-sensed assessment of the impact of century-old biochar on chicory crop growth using high-resolution UAV-based imagery

In recent years, special attention has been given to the long-term effects of biochar on the performance of agro-ecosystems owing to its potential for improving soil fertility, harvested crop yields, and aboveground biomass production. The present experiment was set up to identify the effects on soil-plant systems of biochar produced more than 150 years ago in charcoal mound kiln sites in Wallonia (Belgium). Although the impacts of biochar on soil-plant systems are being increasingly discussed, a detailed monitoring of the crop dynamics throughout the growing season has not yet been well addressed. At present there is considerable interest in applying remote sensing for crop growth monitoring in order to improve sustainable agricultural practices. However, studies using high-resolution remote sensing data to focus on century-old biochar effects are not yet available. For the first time, the impacts of century-old biochar on crop growth were investigated at canopy level using high-resolution airborne remote sensing data over a cultivated field. High-resolution RGB, multispectral and thermal sensors mounted on unmanned aerial vehicles (UAVs) were used to generate high frequency remote sensing information on the crop dynamics. UAVs were flown over 11 century-old charcoal-enriched soil patches and the adjacent reference soils of a chicory field. We retrieved crucial crop parameters such as canopy cover, vegetation indices and crop water stress from the UAV imageries. In addition, our study also provides in-situ measurements of soil properties and crop traits. Both UAV-based RGB imagery and in-situ measurements demonstrated that the presence of century-old biochar significantly improved chicory canopy cover, with greater leaf lengths in biochar patches. Weighted difference vegetation index imagery showed a negative influence of biochar presence on plant greenness at the end of the growing season. Chicory crop stress was significantly increased by biochar presence, whereas the harvested crop yield was not affected. The main significant variations observed between reference and century-old biochar patches using in situ measurements of crop traits concerned leaf length. Hence, the output from the present study will be of great interest to help developing climate-smart agriculture practices allowing for adaptation and mitigation to climate.     

基于GPS、姿态和激光测距的三维遥感直接对地定位

传统的遥感对地定位是依据野外测设（或地图上量取）地面控制点采用立体像对或空间变换等原理进行的,而三维遥感直接对地定位采用了ＧＰＳ定位技术,姿态测量系统和扫描激光测距技术来直接对同步获取的遥感数据进行三维定位,能够实时（准实时）地得到地面点的三维位置和遥感信息,它具有快速实时（准实时）且无需地面控制,是遥感对地定位的重大突破。     

基于瓦片技术的高分辨率遥感影像快速访问技术在测绘生产中的应用研究

随着地理信息和遥感技术的不断发展,高分辨率遥感影像的应用范围不断扩大,这对海量遥感影像的有效使用和管理提出了迫切需求。本文基于瓦片技术,对高分辨率遥感影像进行处理,实现了影像的快速访问。该技术已经应用到实际的测绘生产中,对提高生产效率和影像的统一管理具有重要意义。     

基于已知定向参数影像的光束法区域网平差

从自检校光束法区域网平差模型出发,建立了利用同一地区已知定向参数的影像解求新获取影像外方位元素并进行目标定位的数学模型。以此为基础,对来自某地区相隔两年的三期不同摄影比例尺航空影像两两组合地进行联合光束法区域网平差。结果表明,当两期影像比例尺相近时,所解求的新影像外方位元素和加密点坐标精度基本达到常规光束法区域网平差的精度;当两期影像比例尺不同时,利用已知定向参数的大比例尺影像解求出的小比例尺影像的外方位元素和加密点坐标可满足现行规范精度要求,利用已知定向参数的小比例尺影像去解求大比例尺影像的外方位元素和加密点坐标精度明显下降且不可用。本文的研究证实,就同一地区的多时相航摄影像而言,利用已知定向参数的影像进行新影像的定向方法是可行的。     

森林垂直结构参数遥感反演综述

随着遥感技术的发展,林业遥感从早期森林分类制图的定性研究,逐步发展到森林整体特性的遥感定量反演研究。目前利用遥感反演的森林叶面积指数、生物量、叶绿素浓度、碳储量等参数以描述森林生化理化特征、水平结构特征为主,而描述森林垂直结构的参数较少。本文针对不同高度处森林的叶面积密度和冠层垂直高度廓线参数,综述了遥感获取森林垂直结构参数的方法以及典型地表类型的垂直结构参数曲线,并总结了森林垂直结构参数提取方法中存在的问题,探讨未来研究方向。     

一种基于GeoEye-1立体像对数据的快速提取平均树高方法

探讨了可见光立体像对遥感数据在森林平均树高估算研究方向的可行性,为解决大区域快速提取森林平均树高参数的科学问题提供技术支撑。利用GeoEye-1卫星立体像对中提供的有理多项式系数(RPC)参数和数字表面模型(DSM)与数字高程模型(DEM)的理论原理,建立了基于DSM和DEM空间相差模型建立林分冠层高度估算方法流程。结果表明:基于湖南攸县黄丰桥国有林场GeoEye-1立体像对影像数据,按照估算流程,最终得到试验区小班尺度的样地平均树高遥感提取结果。结合样地地面实测控制点和地面小班数据调查数据,该方法提取的研究区平均树高总体误差率在83.1%,其中最大误差为3.773 m,最小误差为0.025 m。因此,本研究是一种可以快速获得研究区大范围森林平均树高参数的创新、可行的方法。     

Estimating chlorophyll content of crops from hyperspectral data using a normalized area over reflectance curve (NAOC)

The Normalized Area Over reflectance Curve (NAOC) is proposed as a new index for remote sensing estimation of the leaf chlorophyll content of heterogeneous areas with different crops, different canopies and different types of bare soil. This index is based on the calculation of the area over the reflectance curve obtained by high spectral resolution reflectance measurements, determined, from the integral of the red–near-infrared interval, divided by the maximum reflectance in that spectral region. For this, use has been made of the experimental data of the SPARC campaigns, where in situ measurements were made of leaf chlorophyll content, LAI and fCOVER of 9 different crops – thus, yielding 300 different values with broad variability of these biophysical parameters. In addition, Proba/CHRIS hyperspectral images were obtained simultaneously to the ground measurements. By comparing the spectra of each pixel with its experimental leaf chlorophyll value, the NAOC was proven to exhibit a linear correlation to chlorophyll content. Calculating the correlation between these variables in the 600–800 nm interval, the best correlation was obtained by computing the integral of the spectral reflectance curve between 643 and 795 nm, which practically covers the spectral range of maximum chlorophyll absorption (at around 670 nm) and maximum leaf reflectance in the infrared (750–800 nm). Based on a Proba/CHRIS image, a chlorophyll map was generated using NAOC and compared with the land-use (crops classification) map. The method yielded a leaf chlorophyll content map of the study area, comprising a large heterogeneous zone. An analysis was made to determine whether the method also serves to estimate the total chlorophyll content of a canopy, multiplying the leaf chlorophyll content by the LAI. To validate the method, use was made of the data from another campaign ((SEN2FLEX), in which measurements were made of different biophysical parameters of 7 crops, and hyperspectral images were obtained with the CASI imaging radiometer from an aircraft. Applying the method to a CASI image, a map of leaf chlorophyll content was obtained, which on, establishing comparisons with the experimental data allowed us to estimate chlorophyll with a root mean square error of 4.2 μg/cm², similar or smaller than other methods but with the improvement of applicability to a large set of different crop types.