利用机载LiDAR点云的建筑表面太阳辐照度计算

针对城市建筑表面太阳能利用的迫切需要问题,该文提出一种屋顶及立面太阳辐照度一体化计算方案.该方法以机载LiDAR点云为数据基础,以"建筑遮挡分析—天空视域分析—太阳辐照度模型构建"为技术框架,高效率和准确地计算了建筑屋顶及立面辐照度.同时,将散射辐射分为环 日散射、天穹散射和建筑散射,提高了建筑散射辐射计算准确度.选取南京奥体新城约30 km2区域(共计5 216栋建筑)进行分析,结果表明,建筑屋顶直接辐照度时间变化规律明显,受太阳高度角、屋顶坡度和坡向影响较大,而建筑立面太阳辐照度则主要受建筑朝向影响.利用本文方法计算建筑表面太阳辐照度,可为光伏发电模拟、建筑形态设计、城市能源规划等提供基础信息产品.     

CBERS02B卫星CCD传感器数据反演陆地气溶胶

研究利用CBERS02B卫星的CCD传感器数据反演陆地气溶胶的方法。采用的方法是暗像元法。具体步骤为: 根据地面采集的植被光谱数据, 结合CCD传感器特点, 建立浓密植被(暗像元)红蓝波段(CCD传感器的第三和第一波段)反射率与地表反射率之间的关系, 确定了暗像元识别的阈值, 讨论气溶胶光学厚度对暗像元识别的影响以及消除这种影响的方法; 利用6S进行辐射传输运算, 构建查找表; 根据CBERS02B卫星的CCD传感器数据, 从查找表插值得到气溶胶光学厚度, 并进行了算法的误差分析。用广西南宁市及北京地区附近的两景数据进行了实际的反演试验, 使用MODIS的气溶胶产品与反演结果进行比对。结果显示, CBERS02B卫星的CCD传感器数据能够较好的反演陆地气溶胶。     

基于准不变目标物的天绘一号多光谱数据交叉定标

为拓展天绘一号多光谱数据定量化应用,本文采用基于准不变反射率目标物的交叉定标法,以HJ1ACCD2作为参考传感器,对天绘一号多光谱数据进行交叉定标处理。首先利用大气辐射传输模型(MODTRAN)对已知辐射定标系数的HJ1A-CCD2数据进行反射率反演,计算待定标数据相同准不变目标物的辐亮度,建立待定标数据辐亮度与DN值之间的线性关系得到辐射定标系数,并利用MODTRAN对天绘一号多光谱数据进行大气校正。对比准不变目标物光谱曲线,水体在红、近红外波段差异较大,裸露地和建筑物屋顶在4个波段吻合较好。误差分析结果表明除蓝波段外,准不变目标物在其他几个波段的相对误差均小于5%。     

基于月球反射的遥感器定标跟踪监测

月亮辐照度是可见近红外波段一种稳定的辐射参考基准,对月观测已成为星载遥感仪器辐射定标和验证的一种新方法。风云三号03星(FY-3C)中分辨率光谱成像仪(Moderate Resolution Spectral Imager,MERSI)增加了对月观测功能,改进了太阳反射波段的在轨辐射定标。本文收集分析了MERSI在轨工作以来的全部11组对月观测数据,利用通道间辐照度比值方法移除月相角,日—月—星相对距离等因素对月亮辐照度观测值的影响,开展了可见光近红外波段的辐射定标工作,实现了MERSI太阳反射通道的辐射定标系数动态跟踪和评估。通过线性回归及统计发现,通道8辐射响应的年衰减率达到了14.55%,通道9达到了8.42%,通道1、6、10、11、16和19的年衰减率为1.15%—4.72%,其余通道未检测到衰减。研究结果可以用于订正MERSI数据的辐射定标系统性偏差,提高MERSI全寿命期的辐射定标精度。     

黑体辐射定律遥感教学改革设计与实践

普朗克黑体辐射定律是遥感类课程教学的重点和难点,本文以定律分析为核心,从数值模拟大气层顶太阳光谱辐照度曲线、卫星传感器光谱响应函数卷积计算、地物行星反射率计算及地表温度反演4个方面入手,对黑体辐射定律理论教学和实践教学内容进行优化设计和教学实现。实践证明,该教学改革不仅可以使学生更容易理解和掌握黑体辐射定律揭示的基本规律,而且以此为基础,能够使学生通过实践加深对地物两大特性(反射特性和热辐射特性)的理解,提高学生对遥感类课程的兴趣。     

IMU/DGPS辅助车载CCD及激光扫描仪三维数据采集与建模

三维信息快速采集是真实场景建模与三维虚拟现实技术的关键。本文提出了一种基于激光扫描仪、线/面阵CCD相机及GPS与IMU等多种传感器融合的车载移动式数据快速采集系统。各传感器安置在车内稳定平台上并随车保持一致的运动姿态。通过对GPS和IMU数据进行卡尔曼(Kalman)滤波,可推测出整个系统及各传感器的位置和最佳姿态估计;从扫描仪点云数据可提取出街道场景中事物的三维几何信息;线阵CCD相机用于获取路面带状地物等线性特征;面阵CCD采集街道两侧面状纹理信息,从而快速获得城市目标的地理坐标和三维建模信息,由此可重建城市路面街道的三维真实场景。     

资源三号测绘卫星传感器校正产品几何模型

资源三号测绘卫星为了获取较大的幅宽和较高的空间分辨率,其三线阵相机和多光谱相机采用了多片CCD拼接成像的方式获取地面影像。如直接提供分片的CCD影像产品,用户难以使用。传感器校正产品解决了CCD影像拼接的问题,拼接后的影像不仅视觉无缝,同时几何无缝。该产品同时解决了多光谱波段间配准的问题,且生产过程中引入的投影差误差和交会误差可以忽略不计。该产品消除了大部分畸变,故拥有极高的RFM替代严密成像几何模型精度。本文利用安平和登封地区的三线阵数据进行验证,试验区三线阵传感器校正产品RFM替代精度优于1%像元,无地面控制点立体定位精度优于15 m,带控制点平面误差在3 m以内,高程误差在2 m之内,且三线阵平差平面定位精度要优于两线阵。     

HJ-1A CCD与TM数据及其估算草地LAI和鲜生物量效果比较分析

基于地面实测和PROSAIL模型模拟数据,研究了新型传感器HJ-1ACCD与TM数据一致性问题,分析了传感器天顶角和光谱相应函数差异的影响,对比两种传感器数据估算草地LAI和鲜生物量的效果,得出以下结论:(1)HJ-1ACCD和TM反射率数据的拟合系数R2在0.7322和0.9205左右,在反射率较小时,两种传感器数据一致性较好;随着反射率增大,HJ-1ACCD数值逐渐高于TM。总体而言,在可见光和近红外波段,两种传感器较为接近,其中红波段最接近。(2)两种传感器的NDVI数据一致性非常高,且受传感器天顶角和光谱响应函数影响作用较小(相对误差约为0.34%—0.53%),而反射率的相对差别在3.34%—9.54%。(3)传感器天顶角较光谱响应函数对反射率影响更大。(4)基于HJ-1ACCD反射率数据估算草地LAI和鲜生物量效果较好,其中以CCD2传感器估算效果最好。     

遥感影像大气校正通用查找表的设计与插值算法

大气参数查找是遥感图像大气校正中一个重要的步骤。本文针对当前多数大气参数查找表普适性不强、查找表数据存储空间巨大、具体实施步骤不详细的问题,建立了一个通用化的多维大气参数查找表,其光谱分辨率为1 nm,并适用于多种遥感传感器。本文采用二进制文件方式存储查找表,并研究采用多维拉格朗日和多维反距离加权插值方法对输入参数进行插值。结果表明以二进制文件方式存储查找表,不但可以最大化地减少磁盘存储空间,还可以实现查找表数据快速随机读取;相对于多维反距离加权插值方法,多维拉格朗日插值方法的速度更快,精度更高,与MODTRAN4.0模型计算结果(真值)相比,它的误差仅为±1.0%左右。     

针对Terra/MODIS数据的改进分裂窗地表温度反演算法

针对Terra/MODIS数据提出改进的分裂窗地表温度反演算法。充分考虑了传感器观测角度(VZA)的影响,并对地表和有效大气辐射按照不同的亮度温度区间分别进行Planck函数简化。利用TIGR3大气廓线库中的875条晴空大气廓线,ASTER波谱库中的106条地物发射率波谱,结合MODTRAN4大气辐射传输模型模拟得到分裂窗算法系数。利用MODTRAN4模拟数据对算法精度进行验证,结果表明本文的改进算法和原算法的均方根误差RMSE分别为0.34K和0.65K。敏感性分析表明,在中等湿润的大气条件下,算法对大气水汽含量并不敏感。该算法降低了传感器观测角度带来的地表温度反演误差。利用2009年6月美国SURFRAD辐射观测网6个站点的实测数据对改进算法、原算法以及MOD11_L2地表温度产品进行了对比验证,RMSE分别是0.93K、1.49K和1.0K,表明本文算法可以提高反演精度。     

北京地区HJ-1卫星CCD数据的气溶胶反演及在大气校正中的应用

与现有的大气卫星传感器相比,环境一号卫星(HJ-1)CCD相机具有较高的空间分辨率(30m),使得在城市地区找到光谱纯像元的机率大大增加。本文提出一种基于纯像元提取的城市地区气溶胶光学厚度(AerosolOpticalDepth,AOD)反演算法,利用像元纯净指数来提取CCD影像上的纯像元,并由HJ-1A星和B星的多时相CCD观测数据结合地表双向反射率模型确定纯像元的地表反射特性,在此基础上反演AOD。与AERONET地基测量数据的对比表明,该算法具有较高精度,相关系数为0.83,线性拟合斜率为1.091,截距为0.053。基于该方法的AOD反演结果作为输入,能较大程度提高HJ-1卫星CCD影像大气校正的精度。     

渤海近岸水体漫衰减系数Kd(490)遥感反演模型

利用2005年渤海近岸水体生物光学数据集, 建立了基于水体遥感反射率光谱Rrs(λ)数据的490nm波段水体漫衰减系数Kd(490)经验反演模型, 经实测数据检验, 模型反演结果的平均相对误差为18.4%, 均方根误差(对数坐标下)为0.094m-1, 相关系数R2 (对数坐标下)为0.902。分析了模型的噪声敏感性, 在输入端引入±5%误差的情况下, 模型反演结果的平均相对误差波动在9%以内, 均方根误差的变化在0.035m-1以内, 模型是稳定可靠的。以ENVISAT MERIS数据为例, 进行了模型的示范应用, 给出了渤海Kd(490)的空间分布。     

GNSS载噪比反演船载气象要素传感器距水面高度

船载气象要素传感器距水面高度是使用块体参数化方法预测近海面大气折射率廓线的必要参数,对于海面蒸发波导等无线电气象系统监测结果的准确性具有重要意义. 利用全球卫星导航系统(GNSS)载噪比(CNR)时间序列反演船载气象要素传感器距水面高度. 该方法提取船舶GNSS接收机输出的卫星信号CNR,采用Lomb Scargle周期谱分析GNSS直射信号与反射信号相干性,反演天线相位中心距水面高度. 根据GNSS天线与气象要素传感器几何关系换算船载气象要素传感器距水面高度. 利用趸船实验数据对该方法进行验证,统计有效反演次数,分析海况对反演结果的影响以及反演高度时均变化. 结果表明:利用该方法反演船载气象要素传感器距水面高度是可行的.      

水面菲涅尔反射对~761 nm叶绿素荧光估算的影响

叶绿素荧光是光合作用的有效探针,可用于海洋浮游植物的监测与定量评估。太阳诱导叶绿素荧光覆盖可见光—近红外650—800 nm,在～685 nm与～740 nm表现出两个形态不同的荧光峰特征。基于～685 nm荧光峰的叶绿素浓度反演算法较为成熟,但在高悬浮物和高叶绿素浓度的水体中,算法的有效性不足。基于叶绿素荧光在氧气吸收谱段(O2-A)的填充作用,水体遥感反射率光谱～761 nm峰值中包含有太阳诱导叶绿素荧光信号,能用于水体叶绿素浓度的估算,但该反射峰形态特征还取决于传感器的光谱分辨率。本研究基于不同光谱分辨率的大气吸收谱线特征,模拟了水体遥感反射率光谱(750—775 nm)上太阳诱导叶绿素荧光的信号响应特征;分析了利用遥感反射率(～761 nm)计算叶绿素荧光的原理,阐明了不同光谱分辨率条件下水体叶绿素荧光信号在反射光谱上的形态变化规律。采用水面以上测量法获取的离水光谱辐亮度,包含了水面的菲涅尔反射信号,由于真实的菲涅尔系数难以准确测量,这给基于～761 nm处遥感反射率峰值的荧光信号估算带来不确定性影响。研究表明,假定菲涅尔系数为0时,虽然～761 nm叶绿素荧光信号与其浓度具有较好的线性统计关系,但却带来较大的不确定性;这种不确定的影响,在低浓度叶绿素水体中表现明显,在高浓度叶绿素水体中,影响相对较小;准确估算菲涅尔系数,有助于减少这种不确定性影响。对基于遥感反射率～761 nm叶绿素荧光信号的深入探讨,将能推动未来水体叶绿素荧光的识别与利用。     

高分五号热红外传感器多通道SST反演

2018-05高分五号（GF-5）卫星发射升空,其上搭载的全谱段成像仪在热红外8—13 μm谱段范围内具有4个温度反演通道（B09,B10,B11,B12）,空间分辨率设计优于40 m,在国内民用传感器领域实现了由单通道向多通道、中空间分辨率向高空间分辨率的跨越式突破,使得GF-5卫星热红外数据在地表热环境遥感领域具有极其重要应用价值。本研究基于GF-5的4个热红外通道的通道响应函数,利用全球742条TIGR（Thermodynamic Initial Guess Retrieval）探空廓线数据,进行不同观测角度、水汽含量和海表发射率条件下的MODTRAN4.0（Moderate resolution atmospheric Transmittance and Radiance code4.0)辐射传输过程模拟,基于模拟结果分别对两通道、三通道和四通道劈窗算法海表温度SST（ Sea Surface Temperature）反演系数进行修订,并分析观测角度、水汽含量和海表发射率对不同通道组合的精度影响,并通过GF-5卫星实际反演的SST结果进行验证。GF-5全谱段成像仪SST反演两通道劈窗算法组合共有6种,即B09-B10、B09-B11、B09-B12、B10-B11、B10-B12、B11-B12;三通道劈窗算法组合共有4种,即B09-B10-B11、B09-B10-B12、B09-B11-B12、B10-B11-B12;四通道劈窗算法组合1种,即B09-B10-B11-B12。通过对不同通道组合形式研究发现,水汽含量对SST反演精度有较大的影响,且温度反演的精度随着水汽含量的增加而降低;其次是观测角度,SST反演精度随着观测天顶角的增大而降低;最后是发射率的影响,两通道、三通道和四通道劈窗算法SST反演精度随着发射率的变化总体在0.1 K以内变化。最后以大亚湾核电站周围海域为验证区,用GF-5热红外遥感影像进行SST的反演并做误差分析,结果表明B09-B10通道SST反演实际误差为0.57 K,反演精度较高,实际误差与理论模拟误差相差0.24 K,差异的来源主要包括辐射定标和传感器噪声等要素影响,其他通道形式反演精度有待于传感器响应稳定后进一步验证。     

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...     

海岸线遥感光谱角度-距离相似度生长模型自动化提取

海岸线变迁是沿海生态系统变化的重要指示因子,是国家海洋经济关注的重要组成部分。本文通过构建光谱角度—距离相似度模型,解决HJ-1B/IRS红外传感器在海岸线自动化提取应用中的可行性问题,以及当前方法应用于不同时相数据过程中的阈值不稳定性问题,拓展IRS传感器的应用领域和价值。光谱角度—距离相似度模型以多光谱像元归一化辐射值为向量元素,度量不同像元在单位空间距离上的角度相似性,以迭代方式分析水体样本像元与周边八邻域相邻像元的角度—距离相似性,通过相似性约束对水体样本进行区域生长以获取水岸分界线。通道辐射归一化分析表明采用反射率和量化等级最大值归一化的通道值能很好地反映地物随季节的变化;样本相似度分析表明以水体和非水体相似度两倍方差(0.01)为误差的生长阈值(0.98)适用于全时相影像水岸线提取,总体精度优于80%。验证数据分析表明,角度—距离相似度模型阈值稳定、不受时相影响。通过与常用的High Pass卷积滤波、Roberts卷积滤波、Sobel卷积滤波、Laplacian卷积滤波、FFT高通变换和Canny提取结果比对分析表明,High Pass、Laplacian和FFT变换无法应用于IRS传感器,Roberts和Sobel相对来说能较好的识别水陆边缘,Canny在正常噪声条件下也能有效识别水陆边缘。但这些算法在识别水陆边缘线的同时,也将内陆地物边缘线进行了识别,如何将内陆地物边缘线从识别结果中有效去除,是这些方面所面临的重要难点。比较而言,角—距相似度模型能很好的应用于IRS传感器的海岸线提取,对传感器的噪声并不敏感,在B4通道非正常水平噪声条件下也能提取出理想结果,而且后续处理简单,不存在内陆边缘线的干扰问题。光谱角度—距离相似度模型对海岸线识别精度较高、模型参数稳定,能有效地提升IRS传感器在海岸线提取方面应用价值。在实际应用过程中需要避免的是,既覆盖陆地又覆盖海洋的云团会遮挡地物光谱信息,造成海岸线无法有效分离,因此需要对影像数据进行有效的筛选。本文基于遥感影像提取的海岸线只是瞬时水边线,需要进一步结合海岸线的类型以及潮位数据和DEM等数据进行修正得到最终的海岸线。     

利用ECMWF和GPS估计大气可降水量

河南连续运行参考系统(Continuously Operating Reference Stations,CORS)有63个测站,但仅有6个测站安装有气象传感器,而且数据极其不完整,而气象数据对于(Global Positioning System,GPS)反演水汽十分重要.针对这一问题,研究了利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的再分析资料插值河南测站的气象参数和大气可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV).研究结果表明:插值的气压平均偏差和均方根误差在1 hpa以内,气温平均偏差和均方根误差在5 K左右;针对气温插值结果偏差稍大的问题,对插值温度进行改正,能提高50％左右的精度;将实测气象参数的GPS/PWV和无线电探空的Radio/PWV作为真值,证明了利用插值的气象参数估计河南地区GPS/PWV的精度完全满足需求,进一步提高河南CORS系统在气象方面的应用价值.     

南京地区大气气溶胶综合观测与对比分析

利用CE-318太阳光度计、MPL激光雷达与卫星观测数据,分别采用光谱消光法、Fernald方法以及MODIS暗像元法(DDV)反演南京地区气溶胶光学厚度,并进行了对比分析。通过研究分析3月3日、6日卫星反演气溶胶光学厚度的空间分布图,发现长江流域附近以及市区(除老山、中山陵等山区地带之外)的AOD较高。3月3日太阳光度计、激光雷达与卫星数据在站点位置(南京信息工程大学,118.7°E,32.2°N)的AOD值分别为0.455、0.289、0.4;3月6日的AOD值分别为0.373、0.267、0.25。通过对比分析3月至9月之间的多天数据,可得3种数据计算所得AOD相差不大,说明卫星与激光雷达反演数据相对可靠。其中,3月3日与3月6日的太阳光度计数据显示,观测地区出现常见的两种AOD变化类型:一种是早晚高,中午低;一种是早低晚高。此外,激光雷达所得数据结果随着时间的变化幅度较大,且可以在有云的天气条件下探测气溶胶;本文利用激光雷达数据计算出的9 km以下AOD值多数在0.3左右,3月3日与3月6日两天之中,2 km以下较脏,出现了一些气溶胶层,6km以上相对比较干净,个别时段6 km以上高空存在云层。与地基观测相比,卫星虽然时间分辨率虽然低,但是对于大面积的趋势分析却有着绝对的优势。在今后的气溶胶观测发展中,结合三者的优势,有助于以较高精度,大面积反演大气气溶胶空间分布情况,获得较准确的气溶胶参数。     

BDS-3新频点B1C/B2a动态数据特性及PPP精度分析

通过载噪比(CNR)、数据完整率、伪距与载波相位观测值噪声和伪距多路径效应四个指标对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)新频点B1C/B2a车载动态数据的特性进行了分析,测试了BDS-3新频点动态精密单点定位(PPP)的性能,并与其它全球卫星导航系统(GNSS)进行了对比.试验结果表明,BDS-3新频点B2a平均CNR优于北斗卫星导航系统(BDS)其它频率,但略差于GPS L5;相较于其它GNSS,BDS数据完整率相对较高,其中BDS-3 B2a新频点数据完整率最高;BDS-3 B2b伪距观测值噪声最小,B1C和B2a伪距观测值噪声约为B2b信号的3倍,但不同频率相位观测值噪声处于同一量级;对于伪距多路径而言,BDS-3 B1C/B2a信号略小于B2b信号.总体而言,GPS L5信号抑制多路径效应的能力最强.在动态PPP性能方面,BDS-3 B1C/B2a双频组合动态PPP定位精度最优,其三维(3D)均方根(RMS)误差为0.439 m,相比BDS B1I/B3I、GPS L1/L2、 GLONASS G1/G2和Galileo E1/E5a双频组合PPP,其精度改善率分别为49%、 5...