基于ICESat/GLAS数据的可可西里地区湖泊水位变化研究

[目的]湖泊水位数据是湖泊水量平衡的重要指标,也是湖泊溃决模拟研究的重要参数,通过研究,获得可可西里地区主要湖泊水位数据及其变化过程,对认识藏北地区水资源变化及突发湖泊溃决洪水具有重要意义。[方法]以文献资料、湖泊矢量数据、2003—2009年ICESat/GLAS卫星测高数据为基础获得1993—2009年可可西里地区主要湖泊水位数据,并结合气象等数据对湖泊水位变化原因进行了分析。[结果](1) 1993—2009年可可西里地区湖泊水位整体上呈上升趋势,水位下降的湖泊数量较少,但呈现出一定的区域差异,其中错尼湖泊水位上升了24. 68m,银波湖下降了6. 16m;有7个湖泊水位波动幅度在10～15m之间,应该引起人们重点关注。(2)可可西里地区湖泊水位动态变化主要与气候变化有关,其中降水增加(或减少)和湖面蒸发减少(或增加)是导致湖泊水位上升(或下降)的决定性因素,而气候变暖引起的冰川融水增加、冻土水分释放以及区内地下水补给形式可能是次要原因。[结论]利用卫星遥测技术对大范围无人区湖泊水位信息提取优势明显,数据时间序列较短是其瓶颈。可可西里地区湖泊数量众多,湖泊水资源调查和水安全评估应予以重视。

协同ICESat/GLAS和MISR数据估算小兴安岭地区森林地上生物量

大光斑激光雷达ICESat／GLAS波形数据包含大量的地物垂直结构信息，如森林垂直断面、地形等。这些信息与森林地上生物量具有很强的相关性。本研究在雷达波形数据处理的基础上，提取波形参数，分别用线性逐步回归模型和Erf-BP神经网络模型建立波形参数与森林地上生物量的关系式。使用Erf-BP神经网络模型计算研究区域内GLAS光斑点的生物量，协同多角度光学遥感数据MISR应用随机森林机器学习方法构建从点到面的空间尺度生物量扩展模型，最后用样地数据对模型反演的生物量结果进行检验。研究结果表明Erf-BP神经网络模型预测能力（P=0．965，RMSE=3．81t·ha^-1）优于线性逐步回归模型（P=0．86，RMsE=4．54t·ha^-1）；空间尺度扩展模型预测精度P=0．81，RMsE=2．39t·ha^-1，反演的森林地上生物量估计值范围在0～144．4t·ha^-1，平均地上生物量估计值为59．28t·ha^-1，用样地数据检验模型的反演结果（R^2=0．72，R_MSE=8．98t·ha^-1），估计值与实际值较为接近。研究实现使用少量实测数据获取大尺度、高精度森林地上生物量的目的，为森林资源调查、生态研究及碳循环研究提供基础。

ICESat/GLAS水面回波波形分析及判定

正确识别水面上的观测值,对于利用ICESat/GLAS卫星激光测高数据监测内陆水系和确定海冰覆盖区的海面高的研究具有重要意义。通过对ICESat/GLAS在水面的回波波形特性的分析,并考虑波形饱和与大气前向散射对波形的影响,提出了根据GLA14数据中提供的回波波形参数识别ICESat/GLAS水面测高数据的方法。测试结果表明,该方法的正确率可达90%以上,可以为内陆水体监测提供有效的支持和帮助。

ICESAT/GLAS激光脚点定位及误差分析

阐述了ICESAT卫星星载地学激光测高系统(GLAS)激光脚点定位原理,给出了具体的GLAS脚点定位算法以及数据处理流程,分析了激光测高的误差源,并总结了GLAS不同产品各项误差的量级以及误差的标准偏差。

ICESAT/GLAS激光测高原理及其应用

本文介绍了ICESAT卫星的基本工作原理,对该卫星上的地学激光测高系统GLAS的测量原理和精度进行了分析,通过GLAS可获得冰原地形及其时变,同时也可对云及大气层的特征有更深入地了解。对GLAS的适用于冰原、冰面、陆地以及海面波形的算法进行了分析,简单介绍了对GLAS测高数据进行检核和校准,并对ICESAT数据在地学研究中的应用进行了探讨。

基于ICESat/GLAS高度计数据的SRTM数据精度评估——以青藏高原地区为例

为全面了解航天飞机雷达测图计划(shuttle Radar topography mission,SRTM)高程数据的精度及误差特征,利用精度更高的ICESat/GLAS激光高度计数据(简称ICESat高度计数据)为参照数据,以具有多种地貌类型的中国青藏高原地区为实验区,采用双线性插值算法分析了SRTM在中国青藏高原地区的高程精度,以及SRTM高程数据与地形因子(坡度和坡向)间的关系。实验结果表明:在青藏高原地区,ICESat高度计数据与相对应的SRTM高程数据高度相关,相关系数高达0.999 8;SRTM的系统误差为2.36±16.48 m,中误差(RMSE)为16.65 m;当坡度低于25°时,SRTM高程数据精度随坡度增大而显著降低。此外,相对于ICESat高度计数据,SRTM在青藏高原地区N,NW和NE方向的测量值偏高,在S,SE和SW方向的测量值偏低。

利用ICESAT/GLAS激光测高数据评估SRTM数据精度

提出利用ICESAT卫星搭载的GLAS激光雷达数据进行SRTM数据的高程精度评价,选择青藏高原东北缘作为研究区,综合利用GIS空间分析方法,计算在不同高程分带和坡度分带上SRTM数据高程精度,并分析其变化规律。结果表明,ICESAT/GLAS与SRTM高程数据间存在明显的相关关系。该地区SRTM数据高程总体精度为5.3m,随着海拔升高,坡度的增大,高程精度呈降低的趋势。在祁连山高山区(4600m-4700m)误差达到12.3m,在40°-50°的坡度带上误差为18.9m,略高于SRTM的标称精度。

InSAR与ICESat/GLAS数据融合生成南极地区高精度DEM的研究

高精度的DEM数据对于极地地区开展各项地学及环境变化研究尤为重要。InSAR技术无可置疑的是一种获取大范围DEM的有效方法,但在缺少可靠地面实测控制点的南极地区,其高程精度很受限制。本文旨在利用ICEsat/GLAS测高数据代替传统的地面实测控制点对InSAR-DEM进行改正,以此生成了高高程精度和高分辨率的南极地区大范围DEM数据,并对改正后DEM结果进行了验证分析,充分证明了此研究方法的正确性及其重要意义。

利用ICESat/GLAS数据获取北极海冰出水高度的研究

利用ICESat激光测高卫星数据获取2003-10~2008-03北冰洋秋季与冬季海冰出水高度,结果与国外相关研究基本一致。出水高度数据的拟合结果表明,北极海冰出水高度以每年约2.3cm的速度递减,该速度比此前的相关研究结果更快。在不同作者利用ICESat数据计算的北极海冰出水高度的对比中,不同方法得到的结果之间存在明显的系统误差。对引起系统误差的原因进行深入分析表明,高程滤波的窗口长度、确定海面高的范围以及海面观测值的选取方式都会使出水高度的计算产生cm级的误差。

ICESat/GLAS矩形切片分析2003年2月～2008年10月南极冰盖高程变化

1969考拉首次提出卫星测高的构想，随后便被广泛的应用于高精度地测定南极冰盖高程变化、质量均衡和全球海平面变化的研究之中。本文采用2003年2月-2008年10月共14期数据专门对极地冰盖高程的周年变化进行研究，基于激光光斑交叉重叠方法数据量少的不足，设计提出沿轨切向长510m，沿轨法向长390m的矩形片段，并将可能影响高程变化的主要因素归结为地表坡度、季节性影响、高程变化，并组成时间序列，进行最小二乘间接平差，与交叉重叠方法估计冰盖高程变化相比，显著地增加了研究区的有效数据量，提高解算成果的精度和增强模型的可靠性。实验证明，该方法对分析南极冰盖高程周年变化是有效的。

ICESat/GLAS回波能量数据的云光学厚度反演

星载激光测高仪能够有效获取地面点的三维坐标信息且具有较高的高程精度,但是在大气传输中激光不可避免会受到云的影响。首先,根据GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)地学激光测高系统记录的大气传输过程中的回波能量数据拟合回波波形;其次,采用微分零交叉法和Fernald法分别实现了云检测和云光学厚度的反演;最后,利用广东省MODIS (MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)数据以及北京地区AERONET(Aerosol Robotic Network)地面观测站实测数据进行了验证分析。结果表明:文中方法在激光测高卫星云光学厚度反演上具有较高的可信度,在实际情况下云光学厚度反演误差小于0.1,且云光学厚度小于1时,相对误差远远小于0.01,相关结论对国产卫星激光测高数据质量控制具有参考价值。

多准则约束的ICESat/GLAS高程控制点筛选

激光测高卫星在获取全球高程控制点方面具有独特的优势,本文针对ICESat(Ice,Cloud and land Elevation Satellite)卫星上搭载的地球激光测高系统GLAS(Geo-science Laser Altimetry System),提出了一种多准则约束的高程控制点筛选算法。算法综合利用全球公开版的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM数据对GLAS进行粗差剔除,然后利用GLA14产品中的云量、姿态质量标记、饱和度参数、增益参数等多种与测距有关的属性参数进行粗粒度的筛选,保留受云层、大气、地表反射率等影响较小的激光足印点,最后结合GLA01的波形特征参数做进一步精细筛选,提取出高精度的激光点作为高程控制点。本文还采用天津、河北两个实验区的数据,利用高精度的DEM成果数据对筛选的结果进行了验证。实验结果表明,经多准则约束筛选后的激光足印点具有很高的高程精度,能够作为1∶50000甚至1∶10000立体测图时的高程控制点使用,研究结论可为国产高分辨率卫星在境外地区进行无地面控制点的立体测图提供参考。

利用ICESat/GLAS数据研究北极海冰干舷高度

北极海冰变化受全球气候变化影响明显,海冰的变化不仅体现在面积上,而且也体现在厚度上。利用海冰干舷高度可以反演海冰厚度,冰、云和陆地高程卫星/地球科学激光测高系统（ice,cloud and land elevation satellite/geoscience laser altimeter system,ICESat/GLAS）提供了高精度的海冰高程信息。利用ICESat/GLAS测高数据,提取了2003～2008年部分时间段北极区域海冰的干舷高度,分析了2003～2008年间北极海冰季节性以及年际变化特征。结果表明,北极海冰干舷高度呈下降趋势,并且在2007年夏季减少趋势最为明显。对北极海冰在2007年迅速减少的原因进行了探讨,并利用仰视声呐实测数据对干舷高提取算法存在的系统性偏差进行了讨论与分析。

基于窗函数的林区ICESat-GLAS波形数据消噪研究

在利用对地学激光测高系统(the Ice,Cloud and land Elevation-Geoscience Laser Altimeter System)数据估测森林结构参数时,需对原始波形进行去噪处理,以提高估测精度。以吉林汪清林区为例,提出了基于窗函数的林区GLAS数据消噪方法,选取了5种窗函数对GLAS数据进行消噪并比较其消噪精度。结果表明:窗函数对林区波形数据消噪具有较好的效果,窗函数消噪法的信噪比SNR最高为40.488 679,均方根误差RMSE最低为0.000 335;GLAS数据经窗函数消噪后能够合理地预测林区冠层高度,预测冠层高度与实测冠层高度的回归精度r从0.725增至0.820;本研究所选的几种窗函数中布拉克曼窗函数的消噪效果较好。结果说明了窗函数在对ICESat-GLAS波形数据消噪中具有很大的应用潜力。

ICESat GLAS完整波形信号处理技术在南极查尔斯王子山脉地区地表覆盖分类中的应用研究

波形激光雷达传感器所获取的遥感数据几乎可以提供后向散射信号的全部特征,除了距离观测值,需要通过进一步分析接收的脉冲获取更多关于地表实体的物理特性,因此,这些相关的物理特性成为研究地表覆盖的新领域。通过总结利用波形信号处理技术进行地表覆盖解译工作的研究进展,开展了南极查尔斯王子山脉地区地表覆盖分类工作。首先,描述了GLAS的数据结构;其次,总结了相关的信号处理技术;然后,从实际应用角度讨论了方法的可用性;最后,以南极查尔斯王子山脉地区为例,实践了基于ICESat GLAS完整波形信号处理技术的地表覆盖分类方法。

基于ICESat/GLAS的山东省SRTM与ASTER GDEM高程精度评价与修正

SRTM3和ASTER GDEM V2数据具有较高的空间分辨率和广泛的覆盖范围,对于地学研究具有重要意义;但在不同地形复杂度和地面覆盖物区域,两类数据的误差分布并不均匀。SRTM3和ASTER GDEM V2数据自公布以来,其精度修正一直是研究热点。然而大范围区域精度验证缺乏有效手段,传统方法可靠性差且数据获取成本较高。自ICESat-1数据公开以来,它们已成为SRTM3和ASTER GDEM V2精度评定的主要检核点。为此,本文以山东省为研究区域,借助ICESat-1评估了SRTM3和ASTER GDEM V2的高程精度,并根据插值误差曲面对两种DEM进行了修正。分析表明,原始SRTM和ASTER高程中误差分别为5.57 m和7.20 m,均高于标称精度;随着坡度的增大,高程精度呈降低的趋势。通过分析土地覆盖类型与误差分布关系表明:农田、灌丛土地类型精度较高;森林、湿地精度较低。分别采用反距离加权、普通克里金、地形转栅格和自然邻域插值方法构建误差曲面。结果表明:不同的插值方法构建的误差曲面的特征和精度也不同。其中,反距离加权修正的效果最佳,其次是地形转栅格和自然邻域,而普通克里金修正的效果最差。

基于ICESat/GLAS数据的中国典型区域SRTM与ASTER GDEM高程精度评价

航天飞机雷达地形测绘(shuttle radar topography mission,SRTM)和先进星载热发射和反射辐射成像仪全球数字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model,ASTER GDEM)提供了全球覆盖面积最广的数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据,但其高程精度还未得到充分验证,传统地面测量方法很难适用于验证大面积范围的DEM精度.以冰、云和陆地高程卫星/地学激光测高系统(ICESat/GLAS)高程数据为参考,综合利用地理信息系统(geographic information system,GIS)空间分析、三维可视化与统计分析方法,对中国典型低海拔沿海平原地区和高海拔山地的两种DEM数据高程精度进行了对比分析.结果表明,高程值小于20m的低海拔地区,SRTM高程精度达到2.39m,ASTER GDEM的精度达到4.83m,均远远高于这两种数据的标称精度;而在西南山地,这两种DEM的精度大约为20m,与标称精度相当.最后,建立了ICESat/GLAS与SRTM和ASTER GDEM的一元线性回归模型,该模型具有较高的拟合度和显著线性关系,可用于改善这两种DEM的高程精度.

基于ICESat/GLAS,SRTM DEM和GPS观测青藏高原纳木那尼冰面高程变化(2000～2010年)

气候变化所导致的冰川加速消融及冰川冰储量的减少将显著影响区域水资源和水循环,而冰川厚度的变化是反映这一过程的关键指标.利用ICESat/GLAS数据与SRTMDEM数据,并结合冰面差分GPS实测数据,通过监测喜马拉雅山脉西段纳木那尼冰川的冰面高程变化,来估算其冰川厚度变化.在方法上,首先利用非冰川区的ICESat高程数据对SRTM DEM高程精度进行评价,然后选择控制点对SRTM DEM进行配准并再次评价,SRTM DEM水平位置偏移为138 m,配准后的SRTM DEM与ICESat高程差平均值为-0.1 m,标准差为11 m,最后利用校准后的SRTM DEM与ICESat/GLAS,计算2000~2009年纳木那尼冰面高程的变化.研究结果表明,纳木那尼冰川在2000~2009年间的平均减薄速率为0.63±0.32 m/a,这与利用差分GPS测得的2008~2010年间冰川平均减薄速率0.65±0.25 m/a接近.研究结果也发现纳木那尼冰川的减薄速率整体上随着海拔的升高而逐渐减小.普兰县气象资料分析表明纳木那尼冰面的快速消融主要是由当地气温升高所致.

基于ASTER立体数据和ICESat/GLAS测高数据融合高精度提取南极地区地形信息

为了更好地保证从中山站到DomeA的南极内陆冰盖考察,该考察路线沿线的地形信息是必需的.虽然Radarsat南极制图计划(RAMP)能提供迄今为止最高精度的全南极数字高程模型(DEM),其最高水平分辨率为200m,但其真正的水平分辨率根据源数据的比例尺和区域覆盖密度不同而不同.对于冰架和内陆冰盖地区,水平精度约为5km.在东南极内陆冰盖地区和远离山脉地区该DEM的垂直精度估计为±50m,因此更高精度的地形数据还不存在.为了满足将来对地形信息更高精度的要求,由于ASTER光学影像具有高的空间分辨率(15m),而ICESat/GLAS测高数据有较高的高程精度(13.8cm),因此本文融合ASTER立体数据和ICESat/GLAS测高数据提取了该考察路线高精度数字高程模型.首先选择一些测高数据点作为ASTER提取DEM过程中的高程控制,以减少匹配错误.由于从75°～81°S范围没有合格的ASTER立体数据覆盖,并且在该范围内ICESat轨道覆盖度大,观测数据比较密集,因此在该区域仅使用ICESat测高数据提取DEM,最后生成覆盖整条路线的DEM.分析结果表明DEM精度得到很大的提高,DEM的绝对垂直精度某些地区优于15m,除了影像009-001外,其余所有结果精度都在30m以内.其内部精度优于15m,某些情况下优于7m.生成的结果达到1:50000制图标准.结果表明在南极地区,综合利用各种遥感数据提取南极地区冰面地形信息是一种经济有效的手段.

坡度和粗糙度对ICESat-GLAS回波特征及其光斑脚点高程误差的影响研究

为评价ICESat-GLAS数据在青藏高原地区冰川表面高程变化中的不确定性,采用GLA01产品和GLA14产品,基于SRTM DEM数据所派生的冰川区和非冰川区表面坡度、粗糙度数据,利用多元线性回归关系模型分析了表面粗糙度、坡度对GLAS光斑脚点高程的不确定误差。结果表明:当GLAS光斑脚点坡度小于10°时,GLAS光斑脚点高程偏差为0.1m,且高程偏差随着坡度的增加而增大。在受坡度和粗糙度影响复杂地形下,GLAS光斑的回波展宽较大,不确定性偏差为0.3m。此外,冰川区GLAS光斑脚点高程误差可通过高斯滤波进行展宽偏差校正,但当冰川表面坡度大于45°时,相应的GLAS光斑脚点高程在冰川表面高程变化估算中不可用。在后续的研究中,需考虑冰川运动、GLAS回波在冰雪表面渗透对冰川DEM高程精度以及GLAS光斑脚点水平位移的高程偏差影响。