联合星载高光谱影像和堆栈集成学习回归算法的红树林冠层叶绿素含量遥感反演

红树林是世界上生产力最高、价值最高的湿地生态系统之一。冠层叶绿素含量CCC（Canopy Chlorophyll Content）作为红树林重要的生物物理参量,是估算其生产力和评价其健康状况的重要指标。本文利用珠海一号高光谱卫星（OHS）影像与Sentinel-2A多光谱数据计算传统植被指数与组合植被指数并构建了高维数据集,综合利用正态分布检验、最大相关系数法与变量重要性评价进行数据降维和变量优选;分别基于单一线性回归算法、机器学习回归算法和堆栈集成学习回归算法构建了红树林CCC遥感反演模型,探明北部湾红树林CCC的最佳遥感反演模型,验证OHS高光谱影像与Sentinel-2A数据反演红树林CCC的精度差异,评估SNAP-SL2P算法反演红树林CCC的适用性。研究结果表明：（1）通过数据降维和变量选择处理,从高维度OHS数据集选取了8个特征变量,其中RSI_（12,17）、DSI_（12,18）和NDSI_（6,12）组合植被指数对红树林CCC反演精度的贡献率较高;（2）联合OHS数据和最优堆栈GBRT集成学习回归模型（Score=0.999,RMSE=0.963 μg/cm²）的训练精度优于最优RF机器学习回归模型（RMSE降低了7.531 μg/cm²）,明显优于最优Lasso线性回归模型（RMSE降低了19.383 μg/cm²）;（3）在最优堆栈集成学习回归模型下,OHS数据反演红树林CCC的精度（R²=0.761,RMSE=16.738 μg/cm²）高于Sentinel-2A影像（R²=0.615,RMSE=20.701 μg/cm²）;（4）联合OHS和Sentinel-2A数据的最优堆栈集成学习回归模型反演红树林CCC的精度都明显优于SNAP-SL2P算法（R²=0.356,RMSE=49.419 μg/cm²）。研究结果论证了正态分布检验、最大相关系数法和基于XGBoost的特征选择方法有效降低了高维数据集的维度,并得到了最优特征变量;OHS数据的最优堆栈GBRT集成学习回归模型训练精度最高,是估算红树林CCC的最优反演模型;OHS和Sentinel-2A数据都能有效反演红树林CCC（R²均大于0.61）,而OHS数据的估算精度更高（R²大于0.75）;SNAP-SL2P算法不能有效反演红树林CCC（R²小于0.4）,且对红树林CCC数值存在系统性低估。     

利用Sentinel-2影像超分辨率重建的红树林冠层氮含量反演

氮素是植被整个生命周期的必要元素,红树林冠层氮素含量（CNC）遥感估算对红树林健康监测具有重要意义。以广东湛江高桥红树林保护区为研究区,本文旨在基于Sentinel-2影像超分辨率重建技术进行红树林CNC估算和空间制图。研究首先基于三次卷积重采样、Sen2Res和SupReMe算法实现Sentinel-2影像从20 m分辨率到10 m的重建;然后以重建后的影像和原始20 m影像为数据源构建40个相关植被指数,采用递归特征消除法（SVM-RFE）确定CNC估算的最优变量组合,进而构建CNC反演的核岭回归（KRR）模型;最后选取最优模型实现CNC制图。研究结果表明：基于Sen2Res和SupReMe超分辨率算法的重建影像不仅与原始影像具有很高的光谱一致性,且明显提高了影像的清晰度和空间细节。红树林CNC反演波段主要集中在红（B4）、红边（B5）、近红外波段（B8a）以及短波红外波段（B11和B12）,与“红边波段”相关的植被指数（RSSI和TCARIre1/OSAVI）也是红树林CNC反演的有效变量。基于3种方法重建后10 m的影像构建的模型反演精度（R²val>0.579）均优于原始20 m的影像（R²val=0.504）;基于Sen2Res算法重建影像构建的反演模型拟合精度（R²val=0.630,RMSE_val=5.133,RE_val=0.179）与基于三次卷积重采样重建影像的模型拟合精度（R²val=0.640,RMSE_val=5.064,RE_val=0.179）基本相当,前者模型验证精度（R²cv=0.497,RMSE_cv=5.985,RE_cv=0.214）较高且模型变量选择数量最为合理。综合重建影像光谱细节及模型精度,基于Sen2Res算法重建的Sentinel-2影像在红树林CNC估算中具有良好的应用潜力,能为区域尺度红树林冠层健康状况的精细监测提供有效的方法借鉴和数据支撑。     

基于WOFOST模型与UAV数据的玉米生长后期地上生物量估算

地上生物量能够有效反映作物的生长状态,其信息的实时估算对产量预测和农田生产管理都有重要意义。作物生长模型因其详尽的生理生化基础和对生长过程数字化描述能力,成为生物量估算的理想模型。近年来,研究人员利用数据同化算法将时间序列遥感数据同化到作物生长模型中,实现了作物模型由基于气象站的点模拟到区域尺度面模拟的外推,使生物量模拟结果同时具备大范围和机理性两个方面的特点。这一模式下,时间序列的遥感数据质量将对生物量模拟精度产生直接影响,作物生长后期受到光谱饱和的影响,遥感数据的作物冠层信息获取能力会出现明显下降,因此有必要对该阶段遥感数据和作物模型的结合方式进行优化,提升生物量模拟精度。本文针对东北地区春玉米生物量遥感估算存在的问题,提出了利用WOFOST作物模型结合无人机（UAV）遥感数据实现作物生长后期生物量准确估算的新思路。新思路首先利用多光谱遥感数据获取WOFOST模型具备较高空间异质性的土壤速效养分参数以提升模型的空间信息模拟能力,使其能在一定程度上摆脱点尺度模拟的限制。同时,结合集合卡尔曼滤波算法将生长前期无人机（UAV）遥感数据同化到模型中,以缩短模型单独运行时间,减少模型运行过程中的参数误差累积,实现无遥感数据参与下的短期作物生长模拟,并输出生长后期相应的生物量模拟结果。最后,本文利用地面实测数据对新方法的生物量模拟精度进行了评价。结果表明,与全生育期数据同化相比,新方法的生物量估算精度有了明显的提升（全生育期同化：R² = 0.45,RMSE = 4254.30 kg/ha;新方法：R²= 0.86,RMSE = 2216.79 kg/ha）。     

机载激光雷达数据分析与反演青海云杉林结构信息

利用机载激光雷达点云数据,计算了9种度量指标,并将其分为冠层的高度指标、结构复杂度指标和覆盖度指标。利用高度指标和结构复杂度指标,结合大量实测单木结构与年龄估测数据,从样点和区域尺度分别分析了青海云杉林冠层垂直结构分布,分析得知实验区内主要以中龄林和成熟林为主,冠层垂直分布复杂程度偏低,高度分化程度一般。通过回归分析发现首次回波覆盖度指标FCI与实测的有效植被面积指数PAI_e有良好的相关性（R²=0.66）,在此基础上基于辐射传输模型反演了实验区内PAI_e的水平分布,且用实测数据验证发现反演的PAI_e略高于实测值（R²=0.67）,绝对平均误差为0.65。分析结果很好地反映了激光雷达在森林空间结构信息提取方面的应用潜力。     

利用无人机数码影像估算马铃薯地上生物量

株高和地上生物量AGB（Above-Ground Biomass）是作物长势监测的重要指标,因此快速获取这些信息对指导田间管理具有重要意义。本研究通过无人机搭载高清数码相机分别获取马铃薯5个生育期的影像数据,地面实测株高H（heigh）和AGB以及地面控制点GCPs（Ground Control Points）的三维空间坐标。首先,利用试验区域的影像数据结合GCPs的位置信息从生成的数字表面模型DSM（Digital Surface Model）中提取出马铃薯的株高（Hdsm）。其次,选取26种植被指数和H、Hdsm组成新的数据集与AGB作相关性分析,筛选出相关性较高的前7个植被指数同Hdsm作为估算马铃薯AGB的输入参数。然后,使用MLR（Multiple Linear Regression）、SVM（Support Vector Machine）和ANN（Artificial Neural Network）方法分别基于植被指数、植被指数和Hdsm构建马铃薯多生育期AGB估算模型,对不同估算模型进行比较分析,从而选择出AGB估算的最佳模型。结果表明：基于DSM提取的Hdsm与实测株高H高度拟合（R²=0.86,RMSE=6.36 cm,NRMSE=13.42%）;各生育期基于3种回归技术均以植被指数融入Hdsm构建的模型精度最高,估算能力最强;各生育期利用MLR方法构建的AGB估算模型效果最佳,其次为SVM-AGB估算模型,而ANN-AGB估算模型效果最差。该研究可为马铃薯AGB快速、无损监测提供科学参考。     

地基激光雷达灌丛化草原小叶锦鸡儿生物量估算

小叶锦鸡儿是内蒙古灌丛化草原中最具代表性的景观植物,准确估算小叶锦鸡儿灌丛的地上生物量对研究灌丛化草原生态系统、监测草原灌丛化程度具有重要意义。地基激光雷达TLS(Terrestrial Laser Scanning)可通过获取高密度点云数据准确估算灌木体积,被广泛应用于反演灌木生物量,但在灌丛化草原中尚未得到有效应用。本研究首先在中国科学院灌丛化草地植被恢复试验区获取了5个样方(10 m×10 m)共42株灌丛的TLS点云数据及实测生物量信息;然后分别使用整体凸包法、切片凸包法、切片分割法、体积表面差分法、体素法5种方法计算灌丛体积并与实测生物量进行回归分析;最后,通过留一交叉验证对5种方法建立的生物量估算模型精度进行对比分析。结果表明：TLS可在不破坏植被的情况下实现快速、准确地小叶锦鸡儿灌丛生物量反演,是传统野外调查方法的可靠替代技术。研究中采用的5种方法均能较好地估算灌丛生物量,其中：（1）相比于整体凸包法（R ²=0.87, p<0.001, RMSE=30.50 g）,切片凸包法（R ²=0.89, p<0.001, RMSE=28.01 g）与切片分割法（R ²=0.88, p<0.001, RMSE=29.03 g）可有效减弱离群点造成的体积高估,生物量估算精度有所提升;（2）格网大小为3 cm、高度统计变量选取标准差时,体积表面差分法计算的体积与实测生物量拟合度最好(R ²=0.89, p<0.001, RMSE=28.89 g),表明高度标准差是估算小叶锦鸡儿灌丛生物量的强预测因子;（3）体素法解释了生物量估计值90%的变化(R ²=0.90, p<0.001, RMSE=26.28 g),是适合小叶锦鸡儿灌丛生物量反演的最优模型。     

无人机遥感与XGBoost的红树林物种分类

无人机遥感数据会衍生大量的光谱、纹理与结构特征,如何提取优势特征是提高红树林物种分类效率和精度的关键问题.针对深圳福田红树林自然保护区缓冲区获取的无人机高光谱影像和LiDAR点云数据,本研究旨在利用极端梯度提升算法(XGBoost)的“特征重要性”属性筛选出适合红树林物种分类的8类优势特征:基于无人机高光谱影像的单一特...     

中国南方森林冠顶高度Lidar反演—以江西省为例

激光雷达(Lidar)与光学遥感的有效结合对中国南方区域森林冠顶高度反演意义重大,而国产卫星将为中国森林生态研究提供新的数据源。本文联合利用大脚印激光雷达GLA和国产MERSI数据,在实现GLAS波形数据处理和不同地形条件下森林冠顶高度反演算法基础上,建立了区域尺度不同森林类型林分冠顶高度GLAS+MERSI联合反演关系模型,进行了江西地区森林冠顶高度反演。总体上,GLAS激光雷达森林冠顶高度估算精度较高;且在与MERSI 250 m数据的联合反演模型中,针叶林模型精度较好(R²=0.7325);阔叶林次之(R²=0.6095);混交林较差(R²=0.4068)。分析发现,考虑了光学遥感生物物理参数的GLAS+MERSI联合关系模型在区域森林冠顶高度估算中有较高精度,且在空间分布上与土地覆盖数据分布特征非常一致。     

高光谱与高空间分辨率遥感数据的亚热带森林生物量反演

精确估算森林生物量对全球碳平衡以及气候变化的研究有重要意义。以亚热带天然次生林为研究对象,借助地面实测样地数据,通过对机载LiCHy(LiDAR,CCD and Hyperspectral)传感器同时获取的高光谱和高空间分辨率数据进行信息提取和数据融合,建模反演森林生物量。首先通过面向对象分割方法进行单木冠幅提取,然后融合从高光谱数据提取的光谱特征变量和从高空间分辨率数据提取的单木冠幅统计变量,构建多元回归模型估算地上、地下生物量,最后利用地面实测生物量经交叉验证评价模型精度。结果表明,综合模型的精度(R~2为0.54—0.62)高于高光谱模型(R~2为0.48—0.57);在高光谱模型中地上生物量模型精度(R~2为0.57)高于地下生物量模型(R~2为0.48);在综合模型中地上生物量模型精度(R~2为0.62)同样高于地下生物量模型(R~2为0.54)。交叉验证结果表明,与仅使用高光谱数据(单一数据源)相比,通过集成高光谱和高空间分辨率数据的生物量反演效果有所提升,可以更加有效地估算亚热带森林生物量。     

全球海洋次表层温度异常遥感反演的季节时空变化特征

卫星遥感反演海洋内部多时相、大尺度热力结构信息对于了解海洋内部复杂、多维的动力过程有重要意义。本文采用随机森林回归模型,利用卫星遥感观测的海表参量（海表高度异常（SSHA）、海表温度异常（SSTA）、海表盐度异常（SSSA）和海表风场异常（SSWA））,反演不同季节、不同深度层位（1000 m深度以上）的海洋次表层温度异常（STA）,并用Argo实测数据作精度验证,采用均方根误差（RMSE）、归一化均方根误差（NRMSE）以及决定系数（R²）评价模型在全球及洋盆尺度上的反演精度。结果显示,全球海洋16个深度层位的平均R²在春、夏、秋、冬四季分别为0.53、0.60、0.54、0.66,NRMSE分别为0.051、0.031、0.043、0.044。随着季节的变化,模型反演性能有所波动。模型在印度洋的反演效果最佳,不同季节、不同深度层位上的平均R²和RMSE分别为0.71和0.18 ℃,而大西洋的反演精度最低,平均R²和RMSE分别为0.46和0.25 ℃。研究表明随机森林模型适用于全球不同季节的STA遥感反演,且在不同洋盆上均有较好的反演效果;不同季节上,上层STA有明显变化信号,空间异质性显著,但300 m以深,STA信号较弱且基本不随季节变化。本研究可为长时序、大尺度海洋内部参量信息遥感反演与重建提供依据,有助于进一步发展深海遥感方法。     

GIS and educational and instructional challenges

. This paper discusses the educational and instructional challenges posed by the rapid development and acceptance of GIS as a tool for applied spatial analysis. Many commentators have noted the mismatch between the sophisticated capabilities of Spatial Analysis/GIS and the techniques that are actually employed in practice. It must be recognized that there is a challenge to educators to overcome this gap. This mismatch is especially apparent in the case of social science applications. This paper (a) discusses implications for training both future users and developers of GIS tools; (b) includes some observations on the tensions between the demand for skills (to satisfy certain applications) and the potential diversion of effort and talent from fundamental research; and (c) offers some thoughts for ways in which progress might be made.     

地图中半线半面符号的设计与研究

针对地图中的一类特殊符号,提出了半线半面符号的概念,对这类符号的构造特点进行了研究,在此基础上,采用面向对象的思想对该类符号进行了结构化描述,并在计算机环境下实现了半线半面符号的自动绘制。     

科技发展趋势及对测绘的影响

本文分析了信息技术、空间技术等与测绘相关的各领域科技发展趋势和特点,总结了科技进步对测绘发展的重大影响,指出科技进步使测绘的工作对象、服务主体、应用范围等持续拓展,推动了地理信息更好更快发展。     

遥感与资源环境信息系统应用与展望

本文分析了９０年代遥感与地理信息系统的发展趋势。根据国民经济持续发展的需求和计算机技术、信息技术的发展前景，提出了今后遥感与地理信息系统发展的建议。     

测绘进步推动经济发展的关联分析

总结了测绘技术的发展历程,就技术进步与投资模式转换、就业结构变化、价格结构变化、需求结构变化4个方面,从技术经济角度对测绘技术的进步与经济发展的关系进行了具体分析,并对测绘技术经济效益进行了综合分析,最后对下一步的努力方向提出设想。     

墨家与先秦测绘

先秦诸子百家中,儒、道、法、阴阳诸家均视科学技术为末道,或不屑为之,或持明确的排斥态度。惟独墨家表现出一种与众不同的科学精神,重视对自然科学,包括测绘科技的研究和应用技术的探讨。在后期墨家的经典著作《墨经》中,保存了这一学派对包括测绘科技在内的自然科学和应用技术的许多研究成果,在中国科技史乃至世界科技史上占有重要的地位。墨家思想影响了魏晋时期鲁胜、刘徽,宋代沈括等科学家汲取了墨家的科技思想。李约瑟博士预测:"墨家思想所遵循的路线如果继续发展下去,可能已经产生欧几里得式的几何学体系了"。     

国土资源基础数据库整合与集成建库模式与实现

国土资源基础数据库建设位于国土资源信息化建设“十五”规划中五大任务之首,在空间信息基础设施的建设中有重要意义。本文结合国土资源基础数据库数据的特点和多年的基础数据库建库研究和工程实践,分析当前基础数据库建设的现状和存在的问题,提出并说明国土资源基础数据库整合与集成建库模式及实现思路。     

国土网络化管理审批模式及系统实现技术

通过对国土资源管理业务特性的分析和抽取,本文提出了建立“外部交换平台”的核心技术, 给出了相应的解决方案。在外部交换平台的逻辑架构基础上,阐述了三级审批系统的设计与实现,论证了基于外部交换技术的网络化管理审批模式实现的可行性和高效性。     

测绘外业车辆监控管理系统的建设与研究

通过分析现有车辆监控系统及其应用,介绍了如何进行测绘外业车辆监控管理系统的建设。从技术上采用WebGIS与GPS相结合,以B/S结构进行开发建设,实现了基于WebGPS(基于网络形式的地理信息系统,集成GPS技术的监控系统)的车辆监控与管理系统并通过了应用的检验,为监控应用提供了新思路和新手段。     

数字地面模型(DEM)和正射影像(DOM)的设计与实施

从1:2000比例尺数字地面模型(DEM)和1:2000比例尺正射影像(DOM),设计与实施过程入手,系统的阐述了数字地面模型(DEM)和正射影像(DOM)的设计与实施过程和方法。成果的精度经全野外实地全站仪检测比较,符合成图的精度要求,结论认为这项成果能够广泛应用于测绘生产中应用。