HJ-1A/1B卫星CCD影像水环境遥感大气校正方法评价研究——以鄱阳湖为例

HJ-1A/1B卫星CCD传感器具有较高的空间、时间分辨率,在内陆湖泊水质遥感定量监测方面有很大潜力,大气校正是制约其应用的关键问题之一。以我国第一大淡水湖——鄱阳湖为研究区域,结合2009年、2011年两次现场实测数据对FLAASH,6S,COST和QUAC四种大气校正结果进行对比分析,并探讨各种大气校正算法对悬浮泥沙浓度反演精度的影响。结果表明:(1)HJ-1A/1B卫星CCD的第1波段在水环境遥感应用时,建议进行重新定标;第2和3波段四种大气校正结果精度相对较高,其中,FLAASH,6S和COST三种大气校正算法精度都较高,QUAC精度偏低,建议在可能的情况下对该算法进行有针对性的改进;(2)FLAASH,6S,COST和QUAC四种大气校正算法第2和3波段比值结果与实测数据吻合度最好,平均相对误差分别为8.2%,9.5%,7.6%和11.6%,因此建议在鄱阳湖水域尽量采用第2和3波段比值作为反演因子;(3)以四种大气校正结果为基础,与悬浮泥沙浓度直接建模,结果发现,四种模型反演精度均比用实测遥感反射率与实测悬浮泥沙浓度建立的模型反演结果要高,FLAASH,6S和COST三种算法反演所得悬浮泥沙浓度精度都较高,平均相对误差分别为:10.0%,10.2%和8.0%;QUAC略差,平均相对误差为18.6%。建议在泥沙浓度反演时采用大气校正结果与悬浮泥沙浓度直接建模,可以有效降低利用实测光谱数据建模引起的大气校正误差的累积效应;(4)在精度要求不是特别高的前提下,四种大气校正算法都可以采用,但综合算法复杂程度、精度、稳定性等多种因素,在辅助信息不全的情况下,COST大气校正算法更值得推荐。

用HJ-1B卫星数据反演地表温度的修正单通道算法

目前用于地表温度反演的单通道算法主要针对窄视场传感器建立.HJ-1B卫星红外相机为宽视场传感器,其热红外通道(IRS4)观测天顶角可达±33°以上,在地表温度反演时必须剔除传感器观测角度的影响.以大气辐射传输模拟为基础,建立了基于传感器观测天顶角-大气函数系数的修正单通道算法.针对HJ-1B卫星与Terra卫星过境时间接近的特点,提出将MODIS大气水汽含量产品作为单通道算法的输入参数,并建立了观测天顶角-垂直与斜程大气水汽含量转换系数查找表.基于对光谱数据的模拟,给出了适用于IRS4通道的地表发射率确定方法.验证结果表明,修正单通道算法平均反演误差在1.1K以内,比不考虑传感器观测角度的单通道算法精度提高0.1～0.7K,反演误差对于传感器观测天顶角依赖性减弱.对实际HJ-1B卫星影像的应用结果表明,修正单通道算法反演的地表温度与MODIS地表温度产品具有较好的一致性.

基于HJ-1B卫星数据的草原火烧迹地提取及灾前可燃物特征分析

以2012年4月20日在蒙古国发生的特大草原火为例,用HJ-1B卫星CCD影像数据作为数据源,采用支持向量机分类方法提取火烧迹地,再用目视解译数据进行精度验证,总精度达到82.71%,Kappa系数为0.666 8,达到高度一致水平。对灾前的植被指数进行分析后,发现NDVI值小于0.1的比例为0.46%,大于0.1的比例为99.54%,因此能够判定当NDVI值大于0.1时,发生和蔓延草原火的概率较高。

环境减灾-1A、1B卫星宽覆盖多光谱CCD相机技术

环境减灾-1A、1B卫星装载的宽覆盖多光谱CCD相机实现了地面像元分辨率优于30m、对地幅宽大于700km、4个谱段推扫成像。CCD相机自2008年9月8日首次开机成像后,不断获取地面可见光信息.图像清晰、层次分明,图像数据广泛应用于灾害监测与评估、灾后恢复重建等方面。文章就HJ-1A、1B卫星CCD相机的设计原理、技术难点、进步点及创新点等进行了总结。

HJ-1A/1B卫星CCD影像的鄱阳湖6S大气校正研究

HJ-1A/1B卫星CCD数据具有较高的空间、时间分辨率,在内陆湖泊水色遥感定量监测中有较大的应用潜力,大气校正是其需要解决的首要问题.采用6S模型对2009年10月24日鄱阳湖HJ-1A/1B卫星CCD影像进行大气校正处理,并用实测数据进行了对比分析,结果表明6S模型校正后的CCD影像水体遥感反射率能表现鄱阳湖水体悬浮泥沙浓度入江水道高于主湖区的空间分布特征;第二波段(绿光波段)和第三波段(红光波段),大气校正结果精度较高,平均相对误差分别为9.6%、12.6%,最小相对误差分别达到3.0%、1.6%;第一波段(蓝光波段)、第四波段(近红外波段)大气校正结果误差较大,建议参数反演时尽量避免采用这两个波段.

鄱阳湖HJ-1A/1B卫星CCD影像TSM浓度时空变化分析

应用2008年～2011年近4年鄱阳湖151景HJ-1A/1B卫星CCD传感器影像,以2008年10月、2009年10月和2011年7月开展3个航次的外业调查数据为基础,建立了总悬浮物(TSM,Total Suspended Matter)浓度遥感反演模型,研究鄱阳湖TSM浓度时空动态分布及其变化规律.鄱阳湖TSM浓度时空变化特征明显,日变率北湖为0～17mg/L,平均值为5.66mg/L,南湖0～12mg/L,平均值为3.01mg/L;TSM浓度季相变化上枯水期高于丰水期,且具有明显的季节性变化特征,月平均TSM浓度最大值/最小值之比变化最大的区域为北湖,2011年9月比2008年9月高出20.4倍;2009年～2011年年平均TSM浓度北湖分别为37.96、50.57、74.54mg/L;南湖区分别为23.40、31.50、33.28mg/L.

HJ-1A/B卫星数据几何校正与辐射校正顺序研究

以HJ-1A/B卫星CCD数据为例,确定遥感卫星数据辐射校正和几何校正的方法,通过改变辐射/几何校正顺序,设计遥感数据预处理研究流程,从图像的统计特征和纹理特征两个方面,定量化的分析辐射/几何校正的先后顺序对处理结果的影响.实验从统计特征和纹理特征两个方面对结果进行了分析,发现校正顺序对结果的影响很小,该实验说明辐射/几何校正顺序的不同对预处理结果的影响很小,同时也可以为HJ-1A/B卫星遥感数据的处理流程提供参考.

HJ-1B卫星海表温度定量反演业务化算法研究——以中国北部海区为例

利用中国2008年9月发射的自主HJ-1B卫星热红外遥感影像数据,基于实测数据对已有海表温度反演的单窗算法进行了改进与简化,重新订正了大气透射率和大气平均作用温度估算方程,建立了基于实测数据验证的HJ-1B卫星海表温度定量反演业务化算法。将本算法与段四波等的改进算法用于实验海区海表温度的反演,反演结果与卫星同步实测海温数据的对比表明:本研究算法反演结果与现场同步实测海表温度平均误差约为0.76℃,段四波等改进算法反演结果平均误差约为1.09℃。本算法为HJ-1B卫星海表温度产品的业务化应用提供了便捷可行的方案。

基于HJ-1B卫星的玉树M_S7.1地震地表温度异常识别

基于中国HJ-1B卫星热红外数据,对2010年玉树M_S7.1地震区进行地表温度(LST)研究。研究结果显示,2010年4月初LST异常值最初出现在毗邻震中的西南部,并且主要沿属于应力增强区的扎那曲-着晓断裂和杂多-上拉秀断裂分布;之后异常幅度逐渐增强,异常区域逐渐扩大至震中区域,但主要高值异常区依然位于震中西南部且沿着断裂带分布,显示出地表升温异常与断裂构造的相关性;在地表温度变化的过程中,4月14日发生了玉树M_S7.1地震,然后异常现象逐渐减弱,4月26日异常区域的LST值明显低于18日的数值并逐渐消散,5月中下旬该区域LST值恢复至正常状态;地震前后的LST异常呈出现-扩散集中-衰减-消失的变化过程。同时,以相同方法和标度计算了2009年同区域、同时段的LST值作为背景信息,进一步印证了2010年4月14日青海玉树M_S7.1地震LST临震异常的可靠性。

环境减灾-1B卫星红外相机的研制

红外相机是环境减灾-1B卫星上的主要载荷之一,具有近红外、短波红外、中波红外和长波红外4个探测谱段,幅宽720km、地面像元分辨率150m/300m,主要用于自然灾害、环境污染等的监测、预报、评估。红外相机的研制中,解决了高精度双面镜扫描及其定标、弱信号高增益放大及载荷轻小型化等关键技术,成功应用了多元红外探测器和空间斯特林制冷技术,中波红外和长波红外通道共用一个光路,集成到一个焦面上,由同一台斯特林制冷机制冷。其中中波红外和长波红外通道相结合,具有200～500K的大动态范围,提高了对地物热特性和火灾监测的能力。自2008年9月卫星发射以来,红外相机运行稳定,各项指标达到了研制要求,在雪灾、旱灾、火灾和秸秆焚烧、水体污染等环境灾害监测方面有较高的应用价值,已分别纳入到民政部和环保部的卫星减灾、环境监测业务化系统。

环境-1A、B卫星CCD相机系统级辐射定标数据分析

描述了环境-1A、B卫星(简称HJ-1A/B卫星)的宽覆盖多光谱CCD相机(简称CCD相机)在实验室进行的系统级辐射定标试验方案和数据处理分析结果,同时还比对了系统级定标状态与CCD相机单机定标状态的数据处理结果。分析表明:系统级定标数据正确、有效,得到的定标系数能够对相机数据进行较好的修正。系统级定标试验和单机定标试验的定标曲线、定标系数、动态范围等参数虽然存在差异,但是吻合度仍然很高,数据具有一定的可比性。

环境减灾-1A、1B卫星星座轨道设计

从工程应用的角度出发,对"环境与灾害监测预报小卫星星座"中的两颗光学卫星——环境减灾-1A、1B卫星进行了轨道和轨道控制方面的设计,对整个星座和两颗光学星的覆盖重访特性进行了设计和分析。

环境减灾-1A、1B卫星控制系统方案及在轨验证

简要介绍了环境减灾-1A、1B卫星姿态控制分系统的主要功能、指标要求、系统组成、工作模式、控制方案设计和主要故障诊断逻辑。根据卫星在轨运行数据,给出了卫星在轨运行的部分曲线和姿态控制、轨道控制的指标实现情况,对姿态控制分系统方案进行了在轨验证。

环境减灾-1A、1B卫星在轨性能评估

环境减灾-1A、1B卫星是我国第一个具有严格成像视场匹配要求的光学对地遥感星座。经过在轨测试,各项指标均满足要求。文章介绍了环境减灾-1A、1B卫星入轨后在轨测试的性能评估结果,对该星座后续业务化应用提供了宝贵数据。

环境减灾-1A、1B卫星地面综合测试总控系统

介绍了环境减灾-1A、1B卫星地面综合测试总控系统的设计方案、主要设备组成和功能、系统的主要特点,以及应用先进的测试技术对地面测试的关键环节进行重点控制和备份的情况。旨在介绍一种多星地面综合测试总控系统的构建模式,以及当前自动化测试技术和数据库技术在卫星地面综合测试过程中所起到的举足轻重的作用。

环境减灾-1A、1B卫星光学载荷在轨运行情况分析

环境减灾-1A、1B卫星于2008年9月6日发射升空,至2013年7月20日,2颗卫星的4台宽覆盖多光谱CCD相机、1台超光谱成像仪(HSI)和1台红外相机(IRS)已在轨稳定工作近5年,共获取超过61万景2级地面遥感图像数据。文章对在轨运行的光学载荷遥测参数进行了统计和分析,结果表明:DC/DC电压遥测变化量不超过5%,关键光机部位温度遥测变化量小于2.25℃,转动部件电压和电流遥测变化量小于1%,遥测参数均在设计范围内,显示光学载荷在轨稳定正常工作。最后,综合分析了光学载荷图像数据应用情况,分析表明:光学载荷图像数据具有较强的地物影像分类、提取和分辨能力,与国外同类卫星比较,水体识别符合度达到90%以上,旱情分级符合度大于66%,光谱分辨率达到5nm,积雪范围提取精度达到90%以上,在各类应用领域发挥了较大的效能。

基于DTW的HJ-1B卫星地表温度产品质量检验

HJ-1B卫星热红外数据应用广泛,但其地表温度反演产品的质量检验工作尚不完善。以黑河流域为研究区,利用普适性单通道算法得到HJ-1B地表温度,基于7个地面站点(下垫面为荒漠、沙漠、植被、农作物、雪地和湿地)同步观测资料和MODIS地表温度产品(MOD11A1),引入动态时间规整方法(DTW)对站点处HJ-1B地表温度进行验证。试验结果表明:HJ-1B地表温度反演产品与地面观测值的偏差值在沙漠和荒漠站点为1 K以内,均方根误差在0.5 K左右;对于植被和农作物站点的偏差在2 K以内,均方根误差为1~2 K;基于DTW的验证对时序不匹配的数据评价结果与现有指标表现一致。HJ-1B地表温度反演产品与地面站点的相对偏差均低于其与MODIS地表温度反演产品的相对偏差。

国产HJ-1B卫星数据的地表温度及湿度反演方法——以呼伦贝尔草原伊敏露天煤矿区为例

草原露天煤矿的土壤湿度遥感监测可以反映露天开采活动对生态环境的扰动程度。选择国产环境卫星(HJ-1B)多光谱及热红外光谱数据,探讨HJ-1B数据在中国北部呼伦贝尔草原伊敏露天煤矿区地表温度及湿度的反演模型及适宜性,对比分析JM&S,Qin和Artis算法在研究区温度反演中的精度及适用性;进一步利用归一化植被指数和地表温度(NDVI-LST)的特征空间反演温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI);通过野外实测土壤湿度数据对NDVI–LST特征空间中的干边模型进行修正。结果表明:基于Qin算法反演的温度数据精度最高;干边纠正系数为0.3时,TVDI与实测土壤含水量相关性最高,"湿边"呈现剖物线特征,"干边"呈现线性规律。反演结果能够很好地反映露天煤矿区内不同地物的地表干旱状况及空间异质性,可为草原露天煤矿区的长周期陆面演变监测提供基础数据。

环境减灾-1A、1B卫星供配电测试系统设计

描述了环境减灾-1A、1B卫星供配电测试系统的设计与构建方法,系统采用一套设备完成了双星的测试任务,具有集成度、可靠性高等特点。文章首先介绍了HJ-1A、1B双星供配电测试系统的硬件架构,主要包括数字量采集与控制集成化措施,基于星地隔离与卫星安全的内部功能模块设计方法,以及作为自动化测试对测试设备统筹管理的远程控制功能实现方法;其次介绍了控制与采集软件的结构与功能设计,以及软件设计过程中所采取的抗干扰措施;最后提出了供配电测试系统的设计原则,可为后续测试设备的设计提供理论与工程基础。

自动化测试系统在环境减灾-1A、1B卫星中的应用

在环境减灾-1A、1B(HJ-1A、1B)卫星的研制中,双星并行电性能综合测试是一个非常复杂和细致的过程,为此应用了卫星自动化测试系统,实现了测试信息的集中管理、测试数据的综合利用和测试流程的自动化,提高了测试工作的效率和质量。文章介绍HJ-1A、1B双星并行自动化综合测试系统,主要阐述测试实时数据库、自动化测试控制台、参数自动化监视软件等。