基于联合方向梯度和均值对比度的红外弱小目标检测方法

针对小目标在整幅图像中占比很低,且目标周围存在大量杂波,提出了一种基于联合方向梯度(Associated Directional Gradient,ADG)和均值对比度(Mean Contrast,MC)的红外弱小目标检测算法。该算法由两个模块组成:ADG利用红外弱小目标的高斯分布模型,将单一方向的梯度与一个相邻方向上的梯度相加组成新的联合梯度特征,增强真实目标、抑制背景杂波的同时能够消除高亮边缘对目标检测效果的影响;MC融入方向信息来计算目标的多方向对比度,选用多方向对比度的最小值抑制结构噪声,并将均值滤波的思想引入对比度的计算,抑制背景中的孤立噪声,进一步降低检测的虚警率。在实际红外图像上的实验结果表明,该算法在增强目标信噪比和抑制背景噪声方面,能够取得较好效果。

中法海洋卫星产品体系及风浪数据精度综述

中法海洋卫星(China-France Oceanography SATellite,CFOSAT)由中国和法国联合研制,于2018年发射并已在轨运行5年多,星上的载荷包括SWIM(Surface Waves Investigation and Monitoring)波谱仪和扇形波束旋转扫描微波散射计(CFOSAT SCATterometer,CSCAT),提供了全球海面风场和海浪谱的大面积联合遥感观测资料。中法海洋卫星1—4级数据产品包括后向散射系数、沿轨海面风场和海浪谱、全球网格化风场和海浪谱、宽刈幅海浪、极地海冰、多星融合风场和有效波高等,为海洋环境预报、海洋灾害监测、全球气候变化研究等提供了新的数据源。文中具体介绍了中法海洋卫星产品体系以及国内外学者和机构对海风、海浪数据精度的评估结果。

中法海洋卫星微波散射计真实性检验技术体系构建

中法海洋卫星(China-France Oceanography SATellite,CFOSAT)是国际首次用于联合探测海面风场和波浪谱的科学观测卫星,搭载的微波散射计(CFOSAT SCATterometer,CSCAT)是国际上首次采用扇形波束旋转扫描体制的星载微波散射计,相比笔形波束旋转扫描体制,这种新体制可以实现海表同一面元的多入射角观测,观测样本数相比笔形波束体制更多,因而具备更高精度海面风场的观测能力。基于CSCAT产品业务化真实性检验相关工作的总结基础,结合卫星管理部门对卫星遥感产品检验体系的认识,针对CSCAT的载荷特性,提出一种卫星管理部门、数据用户、科研学者三方相互协作的、业务化评估和科学评估相结合的风场产品真实性检验技术体系,有助于卫星遥感产品的质量提升和观测技术及检验技术的发展。此外,面向业务化的检验技术体系有助于全面地、系统性地评价与监测CSCAT载荷的测量性能,支撑载荷性能优化以及反演算法改进;同时也可以帮助CSCAT产品用户更全面地了解其海面风场产品的精度特性,促进CSCAT海面风场产品的定量化应用。

中法海洋卫星的系统设计与技术特点

中法海洋卫星(China-France Oceanography SATellite,CFOSAT)是中国和法国联合研制的海洋动力探测遥感卫星。它是世界上第一颗具备全球海面波浪谱和海面风场联合同步观测能力的卫星,同时也是中国首次在系统层面与世界先进宇航机构开展全方位、全流程合作的航天工程项目。文中介绍了中法海洋卫星的系统设计和研制历程等内容,展示了中法海洋卫星高度的技术先进性以及鲜明的技术特点,同时回顾了项目国际合作中的主要工作与成就。

考虑速度聚束效应的SAR海浪成像仿真方法

针对合成孔径雷达(SAR)海浪成像仿真技术对于速度聚束效应的考虑不充分,仿真数据无法准确反映实际SAR数据的问题,建立一种充分考虑速度聚束效应的SAR海浪成像仿真方法并进行了实验验证。计算了SAR图像强度的概率密度分布的仿真结果与理论结果之间的均方误差(MSE),在风速分别为5、10和15 m/s时,考虑速度聚束效应前、后比对结果的MSE分别为0.1012、0.1576、0.0556与0.0179、0.0314、0.0088。仿真结果表明,所提SAR海浪成像仿真方法有效提高了仿真数据的准确性,对SAR海浪成像的应用具有一定实用价值。

OBE理念与课程思政融合的“微波遥感”课程考核

将OBE理念与课程思政融合渗透到高等教育课程建设与考核过程中,对提高人才质量和培养创新型人才至关重要。在测绘工程专业本科生“微波遥感”课程的教学实践中,通过挖掘思政元素、构建评价模块、引入实践案例、阅读科技文献、细化评分标准、完善试卷分析机制等办法。对课程考核体系进行扩充与改革,坚持以学生的学习成果为导向,坚持学术诚信与品格塑造相结合、知识考核与能力考核相结合、过程性考核与结果性考核相结合的原则,全面考查学生对“微波遥感”课程理论知识的掌握以及综合素养的培养情况,取得显著成效,对推进高校教育改革和提升学生综合素质具有一定的理论与实践意义。

FY-3D MERSI-Ⅱ反射太阳波段长期响应衰减估计及订正方法

遥感仪器的长期辐射响应衰减估计与订正是提高卫星遥感数据稳定性和准确性的关键。利用MERSI-Ⅱ在沙漠和DCC稳定目标上空的长时间观测数据,建立仪器辐射响应与时间的函数关系模型,并通过逆方差加权平均方法融合两种稳定目标的结果,获取仪器辐射响应退化量和辐射定标系数的序列估计。辐射响应衰减跟踪监测结果表明,MERSI-Ⅱ自在轨开始业务运行到2022年9月,波长小于500 nm的3个蓝光波段(通道1,通道8—9)和波长大于1000 nm的4个近红外-短波红外波段(通道5—7,通道19)存在明显衰减,年衰减率为1.47%~4.32%。L1级产品精度检验也发现,7个明显衰减通道的业务定标偏差均超过±5%,其中通道5和8偏差最大,约为-20%。应用本研究获取的辐射定标系数序列后,L1产品辐射定标精度随时间变化平稳,定标偏差维持在±3%以内,同时L2级产品精度也明显提升,表明了该研究建立的辐射衰减估计与订正方法的有效性。

DQ-1宽幅成像光谱仪发射前载荷定标技术

大气环境监测卫星作为国家民用空间基础设施规划中的科研卫星,其遥感应用需求对其载荷的定量化精度要求越来越重要。宽幅成像光谱仪作为大气环境监测卫星中的主要载荷,可获取光谱范围从可见光至长波红外(0 415~12 000μm)的陆表和大气多光谱信息。采用45°扫描镜配合消旋系统的扫描方式,光路结构采用同轴望远镜系统,实现3个探测器焦面上21个谱段的同时对地的超宽幅高空间分辨率成像。为了准确地获取能量和仪器响应之间的定量关系,在卫星发射前开展宽幅成像光谱仪全光路、全口径辐射定标试验,分别介绍了可见到短波谱段积分球定标技术和中长波谱段热真空红外定标技术,为用户定量应用提供了良好的保障,并对定标过程中传递路径下的误差来源及精度进行分析评估。

基于F-P干涉仪CH_(4)气体点源探测关键参数仿真分析

基于多光束干涉光谱成像原理,研究一种高空间分辨率甲烷气体点源探测方法。首先,介绍了甲烷气体探测仪的工作原理和探测方案,详细设计法布里-珀罗干涉仪的系统参数,并建立甲烷气体探测正演模型。然后,分析了干涉信号和甲烷浓度之间的对应关系,以及仪器参数对探测灵敏度的影响。最终,迭代优化得到各光学结构参数的最优取值。结果表明,在甲烷探测波段为1630~1675 nm,自由光谱范围为12.5 nm,光谱分辨率为0.1 nm,法布里-珀罗标准具腔长为0.08 mm,腔内反射率为97.5%,截止滤光片范围为(1630±4)nm~(1675±4)nm时,探测源25%浓度变化对应的干涉信号相对变化量范围为[0.65%,4.30%],探测灵敏度较好。研究结果可为高精度碳监测提供理论依据和技术支撑。

乳化油覆盖海面的后向电磁散射特性研究

本文利用几何光学近似法,结合改进的局部平衡抑制比模型,并根据简化的双层粗糙面的反射系数,建立了乳化油覆盖海面的后向散射模型。基于该散射模型,研究了小入射角下,乳化油覆盖海面的后向散射特征,讨论了不同含水率下,后向散射系数随频率和油膜厚度的变化关系,以及散射系数对含水率的敏感性。结果表明:在微波波段,和非乳化油类似,乳化油覆盖海面的后向散射系数对油厚不敏感。而太赫兹波段,低含水率条件下,散射系数随油膜厚度和频率变化而振荡,且当频率增大时,散射系数振荡幅度减小。而含水率增大时,散射系数随油厚和频率的振荡幅度也逐渐减小。在微波波段和太赫兹波段范围内,对于频率较高的太赫兹波而言,其散射系数只对低含水率的乳化油具有较高的含水率敏感性;而对于频率较低的微波,其散射系数对含水率较高的乳化油也有较高的含水率敏感性。

联合相干性特征的短时序双极化SAR冬小麦提取

针对在多云多雨多雾地区光学遥感难以有效监测冬小麦的问题,构建了一种联合相干性特征的短时序双极化SAR冬小麦种植面积自动提取方法。该方法在HV/VV双极化SAR平均后向散射系数基础上,引入InSAR相干性特征,然后基于随机森林分类器获取冬小麦空间分布专题图,较好地解决乡间小道等被误分为冬小麦的问题。以山东省济宁市梁山县为实验区,利用20景Sentinel-1A双极化SAR数据,获取了梁山县2022年的冬小麦种植面积及空间分布。结果表明:文章构建的基于短时序双极化SAR数据的冬小麦提取方法,总体精度为92.799%,Kappa系数为0.912,与未引入相干性特征相比,总体精度提升6.279%,Kappa系数提高0.096;可以利用抽穗期或开花乳熟期的短时序SAR数据代替完整生长期的时序SAR数据,总体精度相差分别为3.008%和3.341%。

TAU-OMEGA遥感辐射模型改进与参数化

大尺度地表土壤水分信息的获取对水资源管理、农业生产以及气候变化等相关研究具有重要意义。TAU-OMEGA(τ-ω)模型是利用被动微波遥感技术进行大尺度土壤水分信息提取的常用模型。由于τ-ω模型忽略了植被层的体散射作用,该模型仅适用于L波段,存在C波段适用性差及模型参数无法定量计算的问题。针对此问题,该研究在分析植被冠层对微波散射机制的基础上,通过增加反映冠层多次散射作用的辐射添加项对τ-ω模型进行了改进,成功解决了模型在C波段的适用性问题;通过理论推导,得出了模型ω参数的理论计算方法,基于模拟数据集,实现了基于冠层叶面积指数的模型ω和τ参数的计算,解决了τ-ω模型中ω参数无法根据遥感数据进行定量计算的问题。以玉米冠层为例,在C波段(6.6 GHz),改进的τ-ω模型对地表微波辐射亮温的模拟值与实测数据保持了较好的一致性,模拟误差较改进前有了极大的下降,V极化均方根误差为3.02 K,H极化均方根误差为3.94 K,结果表明了该研究提出的模型改进与参数化方案的合理性,研究结果为联合光学和被动微波遥感数据进行大尺度土壤水分反演奠定了基础。

基于升降轨SAR数据的连续箱梁桥精细变形

针对桥梁精细变形监测问题,提出一种考虑由温度引起的桥梁变形(简称温度变形)的升降轨合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)数据融合方法.首先,以连续箱梁桥为研究对象,分别使用升降轨SAR数据集,基于小基线子集干涉测量法(small baseline subsets interferometric SAR,SBAS-InSAR)提取视线向(line-of-sight,LOS)变形;然后,利用最小二乘法构建温度变形模型,分离周期性温度变形与长期性趋势变形;最后,结合桥梁结构特征,基于时空插值和奇异值分解方法实现升降轨数据融合,提取温度变形、纵桥向(即桥梁延伸方向)及垂直向趋势变形,分析桥梁变形机制及变形成因.结果表明,该方法可提取精确的桥梁温度变形及三维变形,为桥梁健康监测提供可靠的方法支撑.

一种应用于卫星中红外遥感的辐射传输简化计算方案

作为可见光-近红外和热红外的连接谱段,中红外(MIR)兼具短波辐射的反射特性和长波辐射的发射特性,对于温度探测、目标识别等应用场景有十分重要的意义。目前,MIR谱段辐射传输(RT)计算仍然面临背景参数输入多且不易获取的问题。基于此,提出了一种应用于卫星MIR遥感的RT简化计算方案。使用MODTRAN模型(MM),对MIR白天RT过程中所涉及的背景地表和大气参数定量模拟分析,得到影响RT的关键参数,据此形成一套基于MM的参数简化方案(SS)。在MODIS 6个MIR通道的中心波长处,对SS和MM计算的总辐亮度做对比验证,RMSE均小于0.004399,具有较高精度。SS仅依赖于表面温度、表面发射率、大气廓线类型、水汽和云光学厚度,不需要输入气溶胶、CO_(2)和O_(3)数据。相比MM,SS将输入参数从8类降低到5类,计算的时间效率提升了9.02%。在有限的计算资源下,本文所提的SS能够为MIR图像快速处理、大场景遥感仿真等应用领域提供支撑。

中法海洋卫星微波散射计青藏高原土壤水分反演研究

中法海洋卫星(China-France Oceanography SATellite,CFOSAT)搭载国际上首个扇形波束旋转扫描微波散射计(CFOSAT SCATterometer,CSCAT),其丰富的观测几何信息为青藏高原土壤水分遥感监测提供了新的机遇。此研究提出了一种有效的适用于CSCAT的土壤水分变化检测算法,不需要复杂机理模型和查找表的构建,利用后向散射系数的变化差值和植被经验函数构建土壤水分反演算法。将变化检测算法反演结果与地面实测结果比较,发现CFOSAT反演结果与实测结果有很好的一致性,表明本算法的精度较高,能够准确反映土壤水分的变化。同时,对青藏高原地区的土壤水分时空分布特征进行分析,发现青藏高原中北部土壤偏干,西部和东南部偏湿,局部区域存在复杂的空间特征,且具有显著的季节性变化。

基于Sentinel-2卫星影像的滨海筏式养殖区提取研究

我国滨海养殖在全球占有较大比例,快速获取滨海养殖区域大小和分布等信息,有利于实现对养殖区域的监测规划、产量估算和灾害预防。针对筏式养殖区提取过程中出现的与海水区分较困难、识别精度低和“椒盐”噪声等问题,本文将以长山群岛附近筏式养殖区为研究区域,利用哨兵二号(Sentinel-2)卫星遥感影像数据构建光谱、纹理和几何等特征,通过特征域优化(FSO)获得提取筏式养殖区的优选特征,结合面向对象的随机森林、决策树和最近邻3种算法对研究区筏式养殖区进行提取,在分析和对比提取结果基础上,总结了最优分类算法,并验证了FSO分类的可靠性。结果表明:(1)归一化差分水体指数、几何特征边界和形状、灰度共生矩阵相关性是识别筏式养殖区的最优指标;(2)FSO分类保证了提取精度,减少了数据冗余、提高了运算效率,对筏式养殖的提取具有较高可靠性和适用性;(3)基于FSO和面向对象随机森林的分类方法综合评价最优,总体分类精度为88.8%,κ=0.801,该方法有效避免“椒盐”噪声的产生,可以高效精确的提取筏式养殖区专题信息。本研究可为筏式养殖的动态监测、产量估算等方面提供了技术和专题数据支持。

基于DS-InSAR的蒲河煤矿采空区地表形变监测与开采参数反演

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术在有植被覆盖的矿区难以识别到足够多的监测点目标,导致形变结果无法反映矿区真实形变特征.采用分布式散射体InSAR分析方法,能够有效提高植被密集区域雷达相干目标数量,从而准确描述矿区形变的时间演化规律和空间分布特征.矿区长期高强度开采会引发采空区的地表变形,严重威胁矿区基础设施建设和人员生命财产安全.基于沈阳蒲河煤矿采空区InSAR高精度监测数据,通过地球物理建模反演得到矿区地下关键开采参数,模拟的矿区形变场与InSAR监测结果较为一致,且反演开采参数符合真实开采情况.结合InSAR监测结果与Okada模型反演矿区参数,能够准确描述由采矿造成的采空区地表形变,为科学制定地下开采计划及矿区可持续开发提供重要信息.

基于高光谱自动化观测设备的高分二号卫星在轨定标应用与验证

为验证高光谱自动化野外观测设备的地表反射率数据的应用效果,基于反射率基法开展了高分二号(GF-2)卫星遥感器的在轨定标数据应用及验证。首先系统介绍了设备安装定标场的状况及多种自动化观测设备的工作方式及性能指标,并给出了仪器的观测数据及地表反射率数据的计算方式。随后结合GF-2卫星遥感器定标的需求并利用卫星大气数据产品和GF-2遥感器的同步过顶观测影像,完成了GF-2多光谱相机(PMS)遥感器的在轨定标。最后根据获得的定标系数,利用不同时段的遥感器影像数据进行了验证。两种不同地表的应用验证表明,卫星表观辐亮度的数据整体相对偏差优于2%,验证了高光谱设备在卫星遥感器在轨定标上的可行性。

星载太赫兹微波辐射计发展现状及应用展望

简要阐述了星载微波辐射计功能特点、主要指标、工作原理和典型系统组成,结合准光馈电系统和接收机等关键组成以及灵敏度等关键性能指标应用需求,重点介绍了目前国内外星载太赫兹频段极化栅网、频率选择表面、馈源喇叭、接收机前端等研制水平和应用现状;比对了关键指标的技术差距,分析了太赫兹频段产品设计、研制技术难点。针对我国后续星载微波辐射计研制需求,对关键太赫兹部组件发展趋势和应用需求进行了梳理和展望,为我国星载无源遥感发展提供借鉴。

基于微波辐射计AMSR2的雪密度定量判识模式研究

积雪颗粒及密度对积雪观测影响重大。针对目前气象台站的雪密度观测数据无法满足大尺度范围或无人区雪密度信息观测需求的情况,采用研究区域代表性的多个气象台站的雪密度实测数据,结合被动微波高频率双极化亮温,建立了研究区域的雪密度极化指数或散射指数模型。结果显示,极化指数P_(6h-36v)、P_(10h-36v)及散射指数S_(10h-36h)、S_(10v-36v)、S_(18h-36h)与雪密度强相关,且二者时间的变化趋势仍保有一致性;高频率散射指数S_(36h-89h)、S_(36v-89v)及极化指数P_(89h/89v)与积雪密度随时间变化表现出反相位趋势。模型的精度检验结果显示,模型复相关系数R为0.727,均方根误差RMSE为1.418 g/cm^(3),平均偏移量Bias为0.244 g/cm^(3)。从长时间序列来看,模拟结果与实测结果存在良好的一致性,尤其是隆冬时节(12月至次年2月),模拟值与实测值会更接近。