基于资源一号02D高光谱数据在闽江流域福州段叶绿素a反演的研究

基于2022年8月8日资源一号02D高光谱遥感数据和50个同步水质采样数据,通过分析闽江流域福州段水面光谱反射率和叶绿素a浓度的相关性,构建叶绿素a的单波段、一阶微分、二波段比值、归一化叶绿素、三波段、四波段6种典型光谱指数反演模型。结果表明:波段比值指数、归一化叶绿素指数、三波段指数均可以较好估测研究区叶绿素a浓度,其中,B35-B38-B40三波段指数模型反演精度最高,判断系数(R~2)为0.828 9,均方根误差(RMSE)为19.953 4μg/L。同时,探讨了四波段指数精度低的原因和该反演模型可能存在的局限性。

资源一号02D高光谱数据红树林地上生物量反演

红树林生态系统是地球上生产力最高的生态系统之一,它也是海岸带“蓝碳”生态系统的重要组成部分。地上生物量作为红树林蓝碳的重要组成部分,如何准确快速地获取红树林地上生物量已成为红树林生态系统研究的热门问题。分析北部湾茅尾海红树林地上生物量(AGB)空间分布格局及其量级,可为该区域红树林生态环境保护及“南红北柳”生态修复提供科学依据。资源一号数据作为我国自主研发的民用国产高光谱卫星,其高光谱数据为红树林地上生物量的研究提供了新的机遇。机器学习算法因其高性能、高效率的优势被越来越多的应用于红树林相关研究,目前已经成为获取红树林参数信息的重要手段。高光谱数据在红树林地上生物量的反演精度如何?国产高光谱卫星数据和机器学习算法在红树林地上生物量的估算中能否应用?这些问题仍需进一步验证。基于国产资源一号02D高光谱数据,采用极端梯度提升(XGBoost)、随机森林回归(RFR)以及K近邻回归(KNNR)三种不同的机器学习算法对茅尾海的红树林地上生物量进行估算,在此基础上对比了不同的机器学习算法的性能。结果显示:(1)无瓣海桑红树林地上生物量的平均值最高(90.93 Mg·ha^(-1)),桐花树次之(52.63 Mg·ha^(-1)),而秋茄最小(20.27 Mg·ha^(-1))。(2)采用XGBoost、 RF以及KNN三种机器学习算法进行红树林地上生物量和红树林光谱变量建模后发现,基于对数倒数1阶变换的XGBoost模型精度最高,为最佳的机器学习模型。其模型在测试阶段R^(2)=0.751 5, RMSE=27.494 8 Mg·ha^(-2)。(3)基于资源一号02D高光谱数据,采用XGBoost算法反演茅尾海的红树林地上生物量介于4.58~208.35 Mg·ha^(-2)之间,平均值为88.98 Mg·hm^(-2),地上生物量在空间上呈现出中部低,两边高的空间分布格局。总之,该研究论证了国产高光谱卫星数据和XGBoost机器学习算法的组合在红树林生物量的估算方面具有良好的应用前景,可为茅尾海红树林的生态修复和保护提供科学依据和技术支撑。

资源一号02D高光谱数据大气校正及应用

针对高光谱数据大气校正耗时长和查找表构建不准确等问题,提出基于MODTRAN辐射传输模型实时创建大气校正参数查找表的方法,并应用于水体叶绿素浓度反演。首先,基于高光谱数据实时构建大气校正参数查找表;其次,根据循环迭代反演得到水汽含量和气溶胶光学厚度对查找表插值得到各个波段的大气校正参数,从而完成所有波段数据的大气校正;最后,选择植被、土壤和水体3类典型地物精度分析,并基于反演水体的叶绿素a浓度验证大气校正精度的可靠性。实验结果表明:该方法明显优于6S、FLAASH等大气校正方法;在运行效率上,在多线程并行加速后,运行效率提升了2~4倍;基于水体反射率数据反演水体叶绿素a浓度,反演模型预测集验证中ρ为0.804 7,RMSE为1.8。

基于资源一号02D高光谱卫星影像的青海湖悬浮物浓度反演研究

水体悬浮物浓度是描述水体光学特性的一个重要参数。卫星遥感具有大范围、快速、高频次动态监测的优势,有助于加强对青海湖水环境质量的监测,降低监测成本。而资源一号02D(ZY1-02D)卫星高光谱影像作为新的数据源,具有高空间分辨率、高光谱分辨率的优点,为湖泊的水质高精度监测提供了可能性。为了验证ZY1-02D高光谱相机在水质遥感监测应用中的适用性,以ZY1-02D高光谱影像为遥感数据源,同时辅助实测数据,构建青海湖悬浮物浓度反演模型,并进行精度验证,评价模型的准确性,最后将模型应用于青海湖悬浮物浓度反演。研究结果表明:青海湖悬浮浓度反演模型平均相对误差为21.1%,均方根误差为0.296 mg/L,精度较好,青海湖悬浮物浓度反演结果呈现湖心低岸边高的特征,与同期Sentinl-2和同期Landsat 8数据反演结果进行对比,反演结果保持一致,说明ZY1-02D高光谱影像能够作为悬浮物浓度遥感反演的数据源之一。

资源一号02D卫星可见短波红外高光谱相机研制

高光谱技术获取的地物观测数据可应用于精细化的地物分类。文章论述了资源一号02D卫星上的主载荷之一可见短波红外高光谱相机(AHSI)的基本结构、成像原理和技术特点。通过在轨测试验证了该相机的主要性能指标,相机光谱范围覆盖可见到短波红外(400~2500nm),实现了可见近红外10nm、短波红外20nm的光谱分辨率,可以以30m空间分辨率获取地面60km幅宽的高光谱图像,具有突出的地物分类和识别能力,在国土资源和地质矿产调查,生态环境以及灾害监测,农、林、牧业精细作业,城市规划等领域具有良好的应用前景。

资源一号02D卫星高光谱与多光谱融合数据滨海湿地分类应用

针对当前影像融合方法虽然取得了很大进步,但仍然存在光谱与空间失真的问题,提出了一种适用于资源一号02D卫星滨海湿地分类应用的影像融合方法,可实现较好的影像融合质量,提升资源一号02D卫星数据的滨海湿地分类精度。通过计算数据波段相关性对高光谱影像进行波段分组,并采用成分替换方法与神经网络相结合实现资源一号02D卫星数据的空间分辨率提升。在模拟数据集总定量指标获得了最佳值,在真实数据集中融合影像光谱曲线与参考光谱曲线具有较小差异,分类应用中总体分类精度达到0.97,Kappa系数为0.93,结果表明:提出的方法能够很好地提升资源一号02D卫星的影像融合质量,可进一步提升卫星高光谱影像在滨海湿地精细分类等方面的应用价值。

资源一号02D卫星高光谱相机热设计及验证

资源一号02D卫星高光谱相机具有内部结构和光路复杂、单机发热量大且分散、控温要求高等热设计难点。文章采用基于多级隔热的分区控温方法,通过优化遮光罩设计、强化隔热措施降低外热流对相机温度的影响;采取电加热主动热控措施提高相机的温度稳定性,通过合理分区控温减小温度梯度;采用一体化热设计方案解决短波电路箱大功率散热难题;采用等效试验方案实现热平衡试验与热真空定标试验的统筹,缩短了试验周期,节约了研制经费。热平衡试验及入轨1年研究结果表明:相机光机主结构温度控制在18.0℃±1.5℃范围内,CCD组件每轨温度波动不大于0.5℃,满足相机的各项温度指标要求。

资源一号02D卫星高光谱相机在轨性能及稳定性评估

为了评估资源一号02D卫星可见短波红外高光谱相机(AHSI)在轨运行模式下的性能和稳定性,在2019年10月—2020年6月期间进行了在轨调试和测试工作。根据AHSI相机的在轨指标测试内容,全面评价了相机的光谱性能、辐射性能、几何性能。此外,卫星运行一周年之际,还对相机运行的稳定性进行了评估,全面分析了传感器状态稳定性、相机噪声特性稳定性。结果表明,AHSI在轨各项系统性能指标良好,符合相机研制技术要求,且在轨运行稳定性良好。

基于资源一号02D卫星高光谱数据的甘肃头吊泉-南大滩地区蚀变矿物填图及金矿化带识别

高光谱遥感能够根据光谱指纹特征提取蚀变矿物,在地质领域应用成效十分显著。针对最新的资源一号02D卫星高光谱数据特点,首先进行了高光谱数据预处理,选取蚀变矿物光谱特征显著波段进行数据降维,并应用三次样条插值函数对短波红外数据进行光谱波段增值,将光谱采样间隔提高到了2 nm。在优选出矿物填图端元光谱后,应用改进的SAM填图算法提取头吊泉-南大滩地区的褐铁矿、绿泥石、方解石、白云石、短波云母、中短波云母、中长波云母共7种蚀变矿物,详细分析高光谱蚀变矿物的分布特征并开展蚀变矿物的野外地质验证。研究区蚀变矿物与地质体岩性关系密切,多集中在特定地质体的局部地段。方解石和白云石蚀变矿物的定向展布指示了碳酸盐类沉积/变质地层的走向。根据资源一号02D高光谱数据提取的褐铁矿和中短波云母的分布情况,在南大滩-西红滩地段新发现1条长约15 km的金矿化蚀变带,东部的西红滩地段经综合查证存在地表金矿化异常。资源一号02D高光谱数据可以提取褐铁矿等多种蚀变矿物,从而为矿产资源勘查和基础地质调查提供重要的遥感信息。

资源一号02D卫星高光谱相机系统指标论证及总体设计

介绍了高光谱数据的应用需求以及国内外星载高光谱相机的发展情况,从星载高光谱载荷发展、应用需求及成像特点出发,结合资源一号02D卫星高光谱相机的实际研制情况,提出了面向国土资源应用的高光谱相机选型及系统指标论证方法,并且针对高光谱载荷的特点,提出了包括Etalon效应专项复核测试、热变形分析、在轨定标流程设计等在轨图像质量保障措施。最后,提出了后续星载高光谱相机的发展思路和建议。

资源一号02D卫星高光谱与多光谱遥感影像融合方法

资源一号02D卫星可以在同一时间同步获取30m空间分辨率的高光谱遥感影像和10m空间分辨率的多光谱遥感影像,对二者进行影像融合可以在保持高光谱影像光谱准确性的同时提升数据的空间细节特征,从而进一步提高卫星的应用价值。文章通过研究深度学习方法,构建了一个空谱特征分离式网络(Spatial-Spectral Features Separated Network,SSFSN),最终实现高光谱影像与多光谱影像的融合。为验证方法有效性,对资源一号02D卫星的高光谱影像和多光谱影像进行融合试验。实验结果表明:提出的方法在目视效果和质量评价指标上均优于对比方法。

资源一号02D卫星高光谱数据水体透明度反演研究

水体透明度能直观反映水体清澈和混浊程度,是评价湖泊富营养化,衡量水质优劣的重要指标之一。资源一号02D卫星搭载的高光谱相机(AHSI),具有与水质参数相关的精细光谱特征,为水体透明度反演提供了丰富波段选择。文章以我国官厅水库为研究区,采用资源一号02D卫星高光谱影像,开展水体透明度反演研究。通过构建半经验模型,并基于半分析算法(第五版)(QAAv5)和半分析算法(第六版)(QAAv6)的半分析模型,对官厅水库的透明度进行估算,结果均方根误差分别为0.07m、0.55m、0.19m,平均相对误差分别为9.5%、94.7%和31.4%。研究结果表明:资源一号02D卫星高光谱数据能够实现较高精度的水体透明度反演,相比于多光谱卫星数据具有更高的反演精度,可用于内陆湖库的水质遥感监测工作。

资源一号02D卫星高光谱数据地质调查应用评价

资源一号02D卫星是我国首颗民用高光谱业务卫星,可有效获取400~2500nm范围166个谱段的高光谱数据。为了更好地了解其在地质调查工作中的应用效果,文章利用资源一号02D高光谱数据,在哈密遥感地质试验场地区主要对其在岩性-构造信息识别、矿物信息提取等方面开展了应用评价。应用结果表明:资源一号02D卫星高光谱数据,不仅能够准确识别研究区地表矿物信息,也可清晰地显示和区分区内不同地层、岩体、构造等地质体,其空间展布特征一目了然,资源一号02D高光谱数据可为今后高光谱遥感地质调查工作提供强有力的数据支撑。

基于辐射不变点的高光谱遥感传感器交叉定标方法

针对遥感影像数据处理中的辐射定标问题,关键在于精确获取辐射标定系数,以确保遥感影像像元亮度(DN)值与地表辐射值之间的准确对应。文章引入了地表矿物粉尘源调查卫星一等B级(EMIT L1B)数据,结合先前光谱成像仪器的经验和方法,提出了一套高光谱遥感传感器交叉定标的方法,基于多卫星数据和自动化程序完成了高光谱卫星定标系数的获取并提高了辐射不变点选取的准确性与效率。基于地表矿物粉尘源调查卫星(EMIT)与资源一号02D卫星数据采集交叉点,通过辐射不变点回归得到一套准确的定标系数。同时,引入了哨兵二号(Sentinel-2)数据选取辐射不变点,选取方法为通过自动化的程序对比两个光谱之间的相似度,该方法进一步提高了选点的高效性和可靠性。使用标准误差和相关系数评价标定后波段间的误差和相关性,其中最大标准误差低于0.008,145个波段相关系数大于0.90,证明了交叉定标方法能够获得高质量的反射率光谱曲线,对提高影像数据的准确性和可用性具有借鉴意义。

“资源一号”02D卫星多波段图像融合

图像融合方法同时保持全色图像空间细节和多光谱图像的光谱信息是一个挑战,特别是对于全色和多光谱图像光谱范围部分重合或不重合的波段,或者是波段数较多的多光谱图像,一些融合算法不能较好的支持。针对"资源一号"(ZY-1)02D卫星的全色图像和8波段多光谱图像,对结合光谱响应函数和全局方差匹配的遥感图像融合方法做了适度扩展,并将扩展后的融合方法首次用于ZY-1 02D卫星多个区域的图像融合,并与商业软件使用的效果较好的主流融合方法的结果进行了定性和定量的比较与评价,结果表明:该融合方法空间细节和光谱保持都较好,可用于ZY-1 02D卫星多波段图像融合。

资源一号02D卫星几何定位精度保障链设计及在轨验证

卫星的平台的稳定性和载荷的内部精度作为卫星的重要指标,如果在研制期间不进行严格控制,将会对卫星的几何成像质量带来严重影响。针对资源一号02D卫星可见近红外相机50m(Circle Error 90%,CE90)和高光谱相机100m(CE90)的高几何定位精度要求,文章引入了一种相机成像几何精度的分析模型,提出了一种卫星几何定位精度的指标分解和分析方法。该方法能够全面识别定位精度的误差影响因素和各项因素在定位精度影响中的大小,同时给出客观定量化的定位精度控制目标和手段,便于设计师在不同的研制阶段提出卫星几何定位精度的控制方案。卫星发射后,卫星在轨多景图像定位精度的评价结果表明:此方法误差分解的准确度和置信度较高,具有一定的实用价值,可以为其他光学遥感航天器几何精度的保证设计提供参考。

ZY1-02D高光谱数据在地质矿产调查中的应用与分析

资源一号02D(ZY1-02D)卫星为我国首颗高光谱业务卫星,为了测试ZY1-02D高光谱载荷数据在地质矿产调查中的应用能力,在数据预处理的基础上开展岩性及矿物信息识别,并与GF-5数据提取结果进行对比分析,结合实地调查成果,对该数据的应用能力进行了有效的分析。结果表明:ZY1-02D高光谱数据反射率光谱曲线与地质体光谱曲线形态吻合度高;经过岩矿信息识别,结合研究区地质矿产资料,显示提取的大理岩、二长花岗岩等岩性信息,方解石、白云石等造岩矿物信息以及绿泥石、褐铁矿等蚀变矿物信息与实测成果较为吻合,表明该数据对岩矿信息的识别效果较好,可为高光谱技术在地质矿产领域的业务化应用提供数据保障。

资源一号02D卫星在轨测试自然资源典型应用

资源一号02D卫星搭载可见近红外相机和高光谱相机,是我国自主建造并成功运行的首颗民用高光谱业务卫星,可采集全色、8波段多光谱、166波段高光谱数据。在轨测试期间,自然资源领域根据相关行业标准和技术规范,结合载荷的数据特点与应用需求,开展了应用测试工作。文章基于在轨测试工作成果,对该卫星数据的应用能力与潜力进行了系统的评价。在轨测试应用表明:其丰富的光谱信息可对土地、地质矿产与环境、海洋等调查监测要素进行高精度解译,可在矿物识别、水质监测、土壤调查等方面进行定量反演;卫星数据满足自然资源调查、监测、监管和应急等相关业务,可为自然资源遥感调查监测提供高质量的数据保障。

基于“资源一号”02D数据的植被提取效果对比研究

基于“资源一号”02D卫星高光谱影像数据在可见光波段连续成像以及光谱信息丰富的特点,通过自适应波段选择的方法选取计算可见光植被指数的最佳波段,探究在经过波段优选后不同种可见光植被指数对植被的提取效果。利用Otsu’s阈值法对可见光植被指数计算结果中的植被覆盖区域进行提取,并利用同幅影像进行基于支持向量机的监督分类得到验证数据,建立混淆矩阵,利用提取结果与监督分类结果进行植被提取精度的量化评价。评价结果表明:文章研究选取的8种可见光植被指数中,以超红指数(EXR)的提取效果最佳,其制图精度为88.23%,用户精度为90.50%,总体精度为87.71%,Kappa系数为0.7482,像元错分漏分现象都处于较低水平,在研究区内提取植被的效果优于其他7种指数,然而超红指数无法正确区分研究区内的植被与水体,后续对其改进中应着重进行增大水体与植被区分度的研究。

资源一号02D卫星在轨辐射定标精度验证与分析

资源一号02D卫星搭载了9谱段可见近红外相机(VNIC)和166谱段高光谱相机(AHSI),主推光谱分辨率,定位于中等分辨率、大幅宽观测和定量化遥感任务,可提供丰富的地物光谱信息,对复杂地物具有精确的探测与分类能力,高精度的辐射定标对于资源一号02D卫星数据应用至关重要。文章提出了一种基于内蒙古包头辐射定标场的在轨绝对辐射定标精度验证方法,利用2020年4月在内蒙古包头辐射定标场开展的星地同步观测试验,采用反射率基法对可见近红外相机和高光谱相机进行在轨场地绝对辐射定标精度验证,对载荷的外场绝对辐射定标系数的精度进行验证分析,检验定标系数的精度。试验结果表明:资源一号02D卫星的可见近红外相机和高光谱相机在轨辐射性能良好且稳定,能够有效支持后续定量化应用需求,由于其载荷的辐射定标精度直接制约卫星应用精度,在后续应用工作中,为充分发挥卫星效能,需要继续深入开展辐射定标精度监测工作。