基于随机森林方法的卫星高光谱影像道路提取与分析

高分辨率卫星高光谱影像在道路精细分类与提取方面具有广阔的前景,但目前星载高光谱道路提取所需谱段、光谱分辨率等核心指标尚不明确。文章在构造高光谱影像道路提取的随机森林方法的基础上,利用模拟数据和实验,比较了可见光近红外通道和短波红外通道,以及不同光谱分辨率条件下道路提取的精度。结果表明:利用可见光近红外或短波红外数据均能很好地实现机场跑道、水泥路、沥青道路、土路的准确分类,分类精度随光谱分辨率减小而提高。其中,高光谱影像在提取机场道路和水泥路方面精度高、优势明显。文章相关结论可为高分辨率高光谱卫星总体设计和道路提取处理算法提供参考。

高光谱观测卫星高精时间同步方案设计与应用

为了满足星上高光谱相机、全谱段光谱成像仪、星敏感器等时间精度敏感仪器的高精度时间同步需求,高光谱观测卫星上设计了可适应多种精度需求的时间同步方案。对于系统时间,综合通过星地时差集中校时、均匀校时、GPS总线校时、GPS硬件秒脉冲校时等校时方法进行时间修正;对于终端用户,分别给出直接采用广播的进行本地时间修正的时间同步方法、采用广播及内部秒脉冲的时间同步方法、采用广播授时和不同秒脉冲校时方案的地面时间重建算法。利用在轨数据,对卫星星敏感器、全谱段光谱成像仪及可见短波红外高光谱相机的曝光时刻时间重建方法进行了应用说明,并对不同方法的时统误差进行了分析。

高光谱观测卫星对月定标模式设计

2021年9月成功发射的高光谱观测卫星(高分五号02星)是我国高光谱遥感能力的重要标志。该卫星定量化程度高,装载的7台载荷中,有6台具有在轨定标能力,卫星除偏航90°场地定标和偏航太阳定标的工作模式外,还设计了姿态机动对月定标模式。主要介绍了高光谱观测卫星的姿态机动模式和对月定标方案,详细阐述了月球运动规律、机动对月定标的姿态机动模式、对月定标的观测窗口和角度,并总结了月球定标的工作流程,分析了对月定标过程的姿态指向精度、光照条件、星敏视场及卫星热控影响。分析结果表明,在对月定标过程中,卫星能够很好地适应机动过程带来的光照、外热流等外部环境的变化,指向精度可以满足对月定标观测需求。

高光谱观测卫星偏振交火工程设计及在轨性能评估

2021年9月7日发射的高光谱观测卫星是《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025)》中规划的一颗业务星,是我国高光谱遥感能力的重要标志。高光谱观测卫星运行于高度为705km、降交点地方时为10:30的太阳同步轨道。针对细颗粒物探测,卫星配置了偏振交火传感器,通过由高精度偏振扫描仪(POSP)与大气气溶胶多角度偏振探测仪(DPC)构成的双偏振载荷的联合探测,获取观测区域的气溶胶光学厚度(AOD)、PM2.5等气溶胶信息。本文主要介绍了高光谱观测卫星总体技术方案和双偏振载荷方案,详细阐述了偏振交火模式设计要点,包括时统设计、光谱通道设置、光谱匹配设计以及视场匹配设计等工程设计。同时,对偏振交火模式的在轨性能进行了评估,评估结果表明:双偏振载荷的同步观测采集时间差优于0.4ms,视场匹配误差优于0.066POSP像元,满足反演应用需求。最后,对双偏振载荷在轨测量精度进行了交叉验证,验证结果表明辐射测量值与参考值拟合决定系数均高于0.96,线偏振度在轨交叉验证平均绝对差异优于0.0088,均满足在轨探测精度的设计要求。

珠海一号高光谱卫星辐射精度真实性检验研究

“珠海一号(OHS)”高光谱商业遥感卫星数据在国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。当前,针对商业遥感卫星数据质量精度的验证和评价研究成果较少。本文基于地面实测数据,对OHS卫星高光谱数据的辐射精度进行了真实性检验和定量分析。结果表明:OHS卫星表观辐亮度与实测结果具有较好的线性相关关系,相关系数R2大于0.7。与实测结果相比,OHS卫星各通道表观辐亮度值整体偏低,但两者光谱曲线形态基本一致。随着时间的推移,OHS传感器性能可能存在衰减,不同通道的衰减程度不一;在31个通道中,与实测值之间的相对差异在20%以内的通道数为9个;在20%~30%之间为14个,30%~40%为8个。

基于“珠海一号”高光谱卫星的石头口门水库水边线提取方法研究

近年来遥感影像的分辨率逐渐升高,应用范围也变得逐渐广泛,在地物特征提取中具有重要的意义。水边线是水体和陆地的分界线,是在水系遥感影像相关研究中具有极其重要意义的特征线。将“珠海一号”卫星星座02组A类星座(OHS-2A)的高光谱影像资料作为数据源,研究区域选在吉林省长春市石头口门水库,提取方法采用单波段阈值法,最终对水边线进行提取。研究结果发现,OHS-2A卫星轨道上所获取到的高光谱影像与归一化差异水体指数法(Normal Differential Water Index,NDWI)相结合,获取的石头口门水库水边线精度较高,同时还可抑制山体及建筑物影像对水面的影响,效果较好。

高光谱遥感技术在地质环境监测中的应用与展望

高光谱遥感技术是一种功能非常强大的综合性学科技术,其以数据的实时性、光谱信息的丰富性、成本的高效益性、覆盖范围的广泛性等特征以及高分辨率和图谱合一的优势,在各个领域上得到了广泛的应用。文章介绍了高光谱遥感技术成像的基本原理、国内外高光谱成像仪和高光谱卫星的发展历程,重点描述了高光谱遥感技术在矿山环境监测、水环境监测与评价、土壤含水率监测等方面的应用成果。高光谱遥感技术面临着“维数灾难”、精确度不足、时效性受限、高光谱遥感数据解译困难等问题,未来可通过协同多平台、利用人工智能模型等方式提高精确度,构建典型的光谱库提高模型的普适性。

基于卫星高光谱遥感的水体和林木面积测绘分析

本文的研究图片来源于“珠海1号”高光谱卫星,使用了BP神经网络自适应算法,利用该算法建立地物鉴别模型,根据该模型进行计算,绘制伪彩图,根据像素点数量推算实际面积,经过计算和验证,误差率非常小,能够满足水体和林木面积测绘的要求。

基于高光谱遥感数据的土壤微量元素监测应用

土壤中的微量元素含量不仅影响农作物品质和产量,若过量存在还会对生态环境构成威胁。本文利用高光谱卫星遥感影像,结合地面实测样本数据构建了土壤微量元素监测模型,定量反演土壤中的微量元素含量。高光谱卫星遥感技术在定量反演方向的应用,弥补了传统土壤微量元素测量方法的不足,可实现大范围、短周期、高时效、高精度的无损探测。

基于卫星高光谱遥感的2007年—2017年新疆地区大气NO_(2)时空变化趋势分析

自2013年国务院颁布《大气污染防治行动计划》等大气综合治理政策以来,我国东部地区大气颗粒物等重要污染物得到了有效控制。伴随着我国能源政策的变化,西北地区在加大能源开发力度的同时,大气污染亦呈现加剧趋势,但在之前的研究中未得到重视。卫星遥感的监测手段较地面观测具有不受地域限制,观测时间长,观测污染物种类多等优势。其中,星载紫外-可见高光谱仪OMI自2005年在轨运行,在大气污染的时空变化趋势探测、排放源估计以及模式的同化和验证等科学应用中得到广泛应用。中国科学技术大学的卫星对流层NO_(2)柱浓度产品,通过对OMI原始测量光谱的二次标定和气体反演算法的关键优化,在与地基观测的结果对比验证中呈现良好的相关性,适合用于我国高气溶胶背景下的大气污染分析。结合中国科学技术大学OMI NO_(2)数据产品,我国新疆地区大气NO_(2)污染的时空分布特征得以表征。在2007年—2017年期间,新疆地区的NO_(2)污染集中分布于北疆,其中“乌鲁木齐—昌吉—石河子”城市群(乌昌石地区)与新疆总体NO_(2)水平月变化相关性很强(相关性系数r=0.942,p-value<0.01)。新疆NO_(2)年际变化存在明显阶段性特征,与相关政策以及能源行业排放变化相符:2007年—2010年变化趋势不明显,2014年较2010年总体年平均浓度增长18.5%,其中乌昌石地区增长41.3%;2017年较2014年总体平均浓度下降26.4%,乌昌石地区下降42.8%。乌昌石地区由于石油化工企业,经济开发区等分布密集,成为NO_(2)污染的聚集区,与乌鲁木齐市,昌吉市NO_(2)变化具有强相关性(r=0.982,p-value<0.01;r=0.951,p-value<0.01)。受采暖时期排放以及特殊气象条件控制,乌昌石地区NO_(2)污染峰值为12月,冬季污染尤其显著;在2007年—2016年采暖期间(每年10月—次年4月初),乌昌石地区NO_(2)水平有显著上升趋势(显著性水平α=0.01),在未来大气治理中需要格外关注。

2008年汶川M_S8.0地震前后川西含碳气体卫星高光谱特征

2008年汶川地震导致了大量地下含碳气体释放.本文基于卫星高光谱数据采用差值法获取了汶川地震前后川西地区含碳气体异常的时空分布特征.结果显示汶川地震前后不同含碳气体异常的时空分布特征不同.空间分布上,CH_4,CO_2和CO异常分布于震中附近且受断裂控制明显,与热红外异常特征类似;CO和CO_2异常的范围较CH_4大,CO除沿断裂带分布外,在四川盆地也大面积出现.异常出现时间上,CO_2异常最早,其次为CH_4和CO.气体来源上,CO_2和CH_4主要来源于地球内部沿断裂带释放,在地球内部还原条件下,CH_4还可由CO_2还原形成;CO异常除了沿断裂带释放和由断裂带释放的CH_4氧化生成外,还由四川盆地渗漏的CH_4氧化生成.本文结果可用于地震监测预测研究,不仅提供了新的地震前兆观测参数,还为地震热红外异常机制"地球放气温室效应"提供了科学依据,同时对地震引起的地质碳排放研究也有重要意义.

用多光谱卫星信息分析白昼云天条件下的湿度场

TOVS资料的晴空湿度场反演已进行多年 ,如何利用卫星遥感信息实现云天条件下的湿度场反演 ,仍是一个值得研究的问题。多光谱卫星图像上不同云类的云层高低分布蕴涵着三维湿度场的分布信息 ,文中用相关分析、最小二乘拟合分析和多元线性回归分析分别讨论了多光谱卫星信息与各标准层相对湿度的关系。标准回归分析的复相关系数R在地面最小 ,约为 0 6 4,随高度增加 ,R逐层增大 ,70 0hPa以上大于 0 7,2 5 0hPa以上大于 0 8。相应显著性检验的结果F值从地面的 30 71,也逐层增大 ,至 2 0 0hPa时达 119 36。逐步回归分析在剔除了不显著的变量因子后 ,回归自变量减少到 2～ 4个 ,反映显著水平的F值有较大提高。在此基础上建立了一组云天条件下的多元线性回归方程 ,由此可得到具有卫星图像像素分辨率 (8～ 10km)的 9层湿度场。

多光谱卫星图像降水强度场的分析

文中将单位特征空间归类方法应用于多光谱GMS卫星图像的降水强度场分析 ,该方法可交互式地进行多光谱卫星信息和地面实测降水的协同分析 ,准确划分各强度样本集群的光谱特征空间分布 ,为可靠确定各波段卫星测值与小时降水量之间的统计关系提供了一条可行的途径。为尽量减少分界点附近数据可能造成的不确定性和误差 ,文中首先按模糊集合论的隶属度原则 ,建立了模糊划分公式。按所在降水强度等级 ,通过对多维光谱空间的各单位特征空间内计算和比较晴空、多云 (无雨 )、小雨、中雨、大雨和暴雨 6种情况发生的概率 ,经归一化处理后 ,分别建立相应的降水强度类属矩阵 ,为多光谱卫星图像降水强度场的分析确定了判识依据。就IR1 VIS降水强度类属矩阵而言 ,经 5 0 0余个实测有雨样本的检验 ,其对暴雨、大雨、中雨和小雨等各强度等级有雨样本的实测命中率均在 70 %左右。近 14 0 0个有云样本降水强度等级判识的总准确率为 73.88%。把样本仅分成无雨、中小雨和大、暴雨 3个等级进行分析 ,实测命中率和分析成功率都显著提高 ,总准确率达到 84 .4 9%。IR1 WV ,TIR1-IR2 降水强度类属矩阵 ,各项指标虽然均略低于IR1 VIS降水强度类属矩阵 ,但对无雨、中小雨和大到暴雨的 3个级判识 ,总准确率也能够达到 75 %。

卫星多光谱生物礁沉积相编图技术及其在大巴哈马滩的应用

现代沉积过程与古代环境相类似,因而地质学家将现代碳酸盐岩台地作为获得沉积物分布特征空间数据的天然实验室,通过卫星多光谱资料精确描绘和模拟现代碳酸盐岩沉积相的横向分布有助于地质学家更好地表达和理解大范围岛礁区的碳酸盐岩沉积相特征。随着遥感技术的不断发展,利用成像光谱理论进行对地观测的技术也日渐成熟。本文介绍了利用卫星多光谱资料,通过非监督分类和沉积数据校正分析法绘制相图的编图技术及在大小巴哈马礁滩的应用实践和相图。这一真实相图的产出及其全球规模的对比和分析提供了潜在经济、环境和商业的价值,并提高了油气勘探和生产的预测能力。

多光谱卫星图像反演云空湿度场方法的改进

利用1998年6～8月GMS图像和分析区内近70个台站的地面和探空资料,在过去工作的基础上,通过引入地面实测湿度场相关资料作新的分析参量,建立了各标准等压面相对湿度统计分析新模型,改进了应用多光谱卫星图像反演三维湿度场的方法。通过比较和检验,证实新模型可有效改进大气湿度场的反演精度,特别是低层湿度场的反演精度。

高光谱观测卫星及应用前景

介绍了我国高分辨率对地观测系统重大专项中第一颗实现高光谱分辨率观测的高光谱观测卫星(GF-5)卫星及其应用前景。该卫星设计运行于高度705km的太阳同步轨道,装载可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪共6台有效载荷。卫星的光谱分辨率高且谱段全,具备高光谱与多光谱对地成像、大气掩星与天底观测、大气多角度偏振探测、海洋耀斑观测等多种观测模式,获取从紫外至长波红外(0.24~13.3μm)高光谱分辨率遥感数据;数据辐射分辨率高,载荷的光谱分辨率最高0.03cm-1,具备在轨定标功能,绝对辐射定标精度优于5%,光谱定标精度最高0.008cm-1;长波红外空间分辨率高;高码速率数传;高可靠长寿命设计。卫星入轨后将在环境综合监测、国土资源调查和气候变化研究等方面发挥重要作用。其典型应用有陆表环境综合观测、陆表局地高温及城市热岛效应监测、矿物填图、大气成分全球遥感监测和大气污染气体监测等。

青藏高原周缘三次强地震伴生的卫星高光谱遥感地球化学异常

利用卫星遥感高光谱AIRS数据,获取了发生在青藏高原周缘三个不同构造单元的2017年8月九寨沟M_(S)7.0地震、2019年4月西藏墨脱M_(S)6.3地震和2020年6月新疆于田M_(S)6.4地震伴生的CH_(4)气体地球化学异常。用Matlab编程处理AIRS数据的结果表明,CH_(4)柱含量在三次地震前一周到半个月出现高值异常,异常沿着断裂带分布,其中断裂带的交会部位异常幅度较大。由于地震所处的构造环境、发震类型、震级大小差异,三个构造单元地震引起的CH_(4)气体浓度异常出现时间、持续时间、异常强度等方面存在一定差异。三次地震前后遥感信息异常与地震活动对应较好,这归因于在孕震应力场作用下地下气体沿着裂隙及裂缝的逸散作用。研究结果对利用卫星高光谱分辨率遥感技术监测地震及其在大地震短临预测中的应用具有重要意义。

多光谱卫星图象综合处理系统的可视化设计

多光谱卫星图象中蕴涵着丰富的气象信息 ,在天气监测和预报工作中发挥了重要作用。为使多光谱气象卫星图象更好的为气象工作服务 ,我们初步开发了多光谱卫星图象综合处理系统 (MSISPS)。本文详细地论述了多光谱卫星图象综合处理系统的可视化设计原理、思想和方法以及此系统实现的主要功能。还介绍了位图显示、动画处理、创建新窗口和状态栏利用等关键技术在MSISPS中的应用。与现在的相关的软件相比 ,MSISPS实现了多光谱卫星图象的云分类分析、降水场分析和湿度场分析的可视化和交互式操作 ,使气象卫星图象处理的新技术和新方法得到了简便、高效、快捷的应用。

基于卫星高光谱遥感的水体和林木面积测绘

高光谱卫星的出现和发展为遥感测绘提供了新的技术手段。与传统卫星图像相比,高光谱卫星图像含有更为丰富的光谱信息,能够对目标物进行更为准确的鉴别、分类、定位和测绘。以“珠海1号”高光谱卫星(OHS-C)所提供的高光谱卫星图片为样本,利用地物反射光谱结合自适应算法实现了对林木和水体的精确鉴别、增强标记和面积测量。利用比值法对光谱进行处理,在无需复杂校准的情况下便可去除大气情况及时间季节对光谱的影响。实验结果表明林木和水体鉴别的特异性和灵敏度均高于97%。依据本文设计的鉴别模型,计算得西丽水库官方水域计算总面积数约为4.6 km^(2),与官方数据的误差仅约为0.144 6 km^(2);计算得淇澳岛的绿化面积为22.171 3 km^(2),该岛总占地面积为23.8 km^(2),按照90%绿化面积计算得误差小于0.751 3 km^(2),且误差主要源于商用卫星的空间分辨率不足。

基于多时相CHRIS高光谱卫星数据的优势树种分类研究

多时相高光谱卫星遥感包含树种光谱特征和生长季相差异信息,是解决森林树种识别精度不足的重要技术途径。本文利用不同季节3个时相CHRIS高光谱卫星影像,设计了以Bhattacharyya距离为可分性准则的波段选择经验算法,实现吉林省汪清研究区的优势树种多时相高光谱卫星填图。结果显示,多时相高光谱数据的可分性指标相比单一时相增幅明显;结合波段选择的多时相高光谱分类结果验证精度较单一时相分类结果和多时相全波段分类精度提高7.5%和1.6%;研究区主要优势树种的分类精度存在差异,柞树和落叶松的分类精度最高,杨树最低,红松与暗针叶林存在一定程度的误分,主要原因为二者的光谱接近且时相特征差异小。