基于6S模型的MODIS影像逐像元大气校正及其应用

以获取地物真实反射率为目的,介绍了逐像元大气校正的方法。应用6S模型逐像元综合考虑太阳天顶角、传感器天顶角、相对方位角、大气气溶胶厚度、观测波段以及地表海拔这6个参数,生成查找表,统计分析各参数关于反射率的敏感度;并与以往单一参数校正的方法比较了校正的效果。结果表明,逐像元大气校正算法更加接近地物的真实反射率。利用MODIS地表反射率产品对大气校正的结果进行验证,单一参数、逐像元大气校正的相对误差分别控制在26.9%和12.7%以内;在以植被指数(NDVI)为例的后续遥感定量化反演过程中,逐像元比单一参数大气校正方法计算的NDVI平均高出14.4%。

基于逐像元方法的2010年花莲地震前热异常分析

使用NCEP提供的气象同化资料,基于逐像元方法分析了2010年2月7日花莲地震前后两个月的地表等压面温度时空变化特征。发现:震前5天在菲律宾板块向欧亚板块移动的前端出现了孤立分布的高温区域,且随着地震的临近,向冲绳海槽和琉球海沟之间的海域移动,增温幅度最高达6℃。此结果与现有的地震热异常时空分布规律一致,表明逐像元方法不仅适用于地形起伏变化较大的内陆地震,在有海岛分布的海洋地震也同样适用。

Sentinel-2A与Landsat 8 OLI逐像元辐射归一化方法研究

考虑不同传感器光谱响应函数差异及不同地物类型反射率光谱的差异,提出了一种逐像元辐射归一化方法,并以2017年7月17日内蒙古达里诺尔湖地区准同步过境的Sentinel-2A及Landsat 8数据为例,对两类数据可见-近红外波段(VNIR)地表反射率结果进行归一化。首先采用Sen2cor方法及NASA官方提供大气校正算法,分别对Sentinel-2A及Landsat 8 OLI影像进行大气校正并重采样到同一空间分辨率;然后基于光谱库计算匹配因子并构建图像与光谱库之间的匹配转换模型,实现像元尺度上从Sentinel-2影像到Landsat 8影像地表反射率相似波段之间的转换。结果表明,经逐像元归一化的影像相比原始影像及经HLS光谱归一化的影像,与Landsat 8 VNIR波段的相关性明显提高,辐射一致性增强。该转换模型为多源中高分辨率遥感图像高精度辐射归一化提供了新思路。

基于制冷型红外系统逐像元标定的空中目标红外辐射亮度计算模型

基于制冷型红外系统焦平面阵列逐像元标定,提出了一种适用于空中拓展目标的红外辐射亮度计算模型。该模型通过对逐个像元进行单独标定得到整个焦平面阵列的响应增益系数矩阵和偏置矩阵,用于修正空间域上标定系数的非均匀性带来的误差,有效提升对空中拓展目标的红外辐射亮度计算准确度。开展大口径红外面源黑体标定实验和外场验证实验,以对模型的正确性和准确度进行验证。结果表明,与传统方法相比:在不考虑大气测量误差的情况下,所提模型计算的均匀拓展目标辐射亮度的相对误差平均减小8.58%,误差偏离程度平均减小0.60;在考虑大气程辐射和透过率测量误差的情况下,相对误差平均减小7.23%,计算误差偏离程度平均减小2.25,计算结果更接近目标真实值。本文模型可为开展空中目标红外辐射特性测量和理论研究提供有益的参考。

基于查找表的MODIS逐像元大气校正方法研究

以6S大气辐射传输模型为基础,计算了气溶胶光学厚度、太阳天顶角、传感器天顶角以及地表海拔变化对于校正得到的地表反射率的影响,讨论了6S模型对于这些参数的敏感性,提出了一种基于查找表的大气校正方法,利用6S模型离线计算建立了不同气溶胶的光学厚度、太阳天顶角、传感器天顶角以及地表海拔条件下大气校正系数的查找表,基于该查找表对MODIS影像进行逐像元大气校正。通过对本文方法、6S在线校正方法和利用统一输入参数校正方法的比较表明,本文方法的计算结果与6S在线校正方法很接近,说明本文方法可以有效地改善由于大气条件、传感器位置等空间分布差异对MODIS图像大气校正的影响。

巴音布鲁克典型区MODIS亚像元积雪覆盖率估算

雪盖信息对气候变化研究、水资源利用和雪灾监测具有重要意义.亚像元积雪覆盖率(snow cover fraction,SCF)的估算可以减少混合像元造成的误差,提高雪盖监测精度.本文以新疆巴音布鲁克为研究区,以环境与灾害监测预报小卫星B星(HJ-1B)数据作为地面真值,计算出中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)数据对应的雪盖率,建立所得雪盖率与归一化差分积雪指数(normalized difference snow index,NDSI)之间的逐像元估算模型,并对估算结果进行了验证.结果表明,与MODIS积雪产品数据相比,该模型估算的雪盖率精度明显改善,具有较强的精确性和实用性.但是相对于真实雪盖率,也存在总体高估的情况.模型误差的主要来源是积雪边缘区的破碎分布、阴坡和阳坡的太阳辐射差异以及林带积雪的复杂影响.逐像元估算模型能有效的提高巴音布鲁克地区雪盖率制图精度,为该地区水资源合理利用,牧区雪灾的抗灾减灾提供了依据.

南宁市HJ-1CCD数据气溶胶光学厚度反演

利用环境一号卫星(HJ-1)CCD数据高时间分辨率、空间分辨率和宽覆盖的特点,进行城市地区气溶胶光学厚度定量反演研究。提出使用环境卫星数据自带的逐像元卫星观测角度文件及相应参数进行逐像元太阳天顶角、太阳方位角推算,生成四波段合成角度数据。结合改进后的暗目标算法,以及基于逐像元角度数据的6S查找表,对南宁市2014年1月14日、15日、16日HJ-1CCD数据进行气溶胶光学厚度反演。反演结果与ARONET地基观测数据进行验证,表明该算法有较高反演精度,相关系数为0.865,同时与MODIS气溶胶反演结果进行比较。结果表明,经过HJ-1CCD数据反演的气溶胶光学厚度可作为气溶胶时空分布的实时监测手段。

基于多源遥感影像的盐碱地治理效果

将Landsat-8 OLI影像与Sentinel-2号影像结合,利用光合有效辐射比率(FPAR),构建适用于MODIS植被总初级生产力(GPP)影像空间分辨率提高的逐层逐像元修正因子,实现内蒙古巴彦淖尔市赵贵圪旦组盐碱地农田改良前后的植被长势监测,同时结合不同深度土壤的含盐量数据,采用转移矩阵方法与热点分析方法分别分析了全局土壤含盐量变化与植被长势变化的局部差异。结果表明:(1)12—20号地块内土壤含盐量改良效果最明显,且研究区改良效果随土壤深度增加而逐渐降低。土壤深度0—20cm,盐土向中度盐土转入面积最大;土壤深度20—40cm,强度盐土向中度盐土转入面积最大;土壤深度40—60cm,强度盐土与盐土的转入面积大于转出面积,其他土壤的转入面积小于转出面积。(2)研究区内,GPP提升区域比降低区域面积约多60.36hm~2,占研究区面积的42.88%;同时,对改良前植被GPP低值区域提高效果更明显。(3)GPP提升区域中热点区域集中分布在12—17、25—27、34号地块内,该区域改良效果显著;GPP降低区域中冷点区域集中分布在6、12—14、22—23、27—28、30—31号地块内,该区域改良效果差。

推扫式多挡增益光谱成像模拟及噪声分析

综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求,为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法。不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式,该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点,可以进行像元级的增益优化。这种方式可以兼顾水体、植被、云层等多要素的成像需求,极大地提高了载荷的研制效益。其基本原理为探测器先进行全局曝光,然后根据多级积分电容的饱和判断,选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传。地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值。由于谱段多且为分段响应,为保证系统的定量化应用,建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义。通过对噪声类型的分析,建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型。基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率。结果表明,虽然噪声会影响读出增益的变化,但影响区间极小,入瞳辐亮度在5 mW·cm^(-2)·μm^(-1)·sr^(-1)以内,信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05 mW·cm^(-2)·μm^(-1)·sr^(-1)即可保证正常读出的概率大于99.6%。随着信号增强,光子噪声增大,增益减小,影响区间扩大。根据多挡增益信噪比模型,分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化。最后,利用宽波段成像光谱仪(WIS)数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟,分析了多挡增益光谱图像的固有特点。根据噪声模型对中心波长为0.443μm的光谱图像添加1~3σ的随机噪声,分析了噪声对地物目标所处增益的影响。结果显示,在满足信噪比指标的前提下,该系统的单挡动态范围为74 dB,总动态范围可达114 dB。该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比,而且可以保证建筑、云层等亮目标不饱和。成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制,也可以为同类光谱仪器的设计提供参考。

近40a岱海水域面积与水量变化遥感监测

岱海是中国重要的自治区级湖泊湿地自然保护区之一,近年来受气候变化和人类活动影响,岱海湖面严重萎缩,水量逐年减少。基于1977—2019年Landsat系列中高分辨率卫星遥感影像,利用改进的归一化差异水体指数法提取岱海水域面积,结合湖泊数字高程模型(DEM)和实测高程数据,利用逐像元法对岱海水量变化进行了估算。结果表明:1977—2019年岱海水域面积呈现萎缩趋势,43 a间共减少了91.86 km^(2),缩减比例达63.19%;1977—2019年岱海水量呈现下降趋势,库容量降低了9.03亿m^(3),年减少速率为0.22亿m^(3)/a;岱海水量与水域面积呈现明显相关性且逐年递减,在不采取任何措施的情况下,以当前的多年平均萎缩速率,自2019年起,岱海将会在7 a后即2026年消亡。

新型高光谱图像快速实时目标检测与分类方法

针对逐像元处理的高光谱图像实时线性约束最小方差(LCMV)检测与分类算法计算量大、运行速度慢的问题,在LCMV检测与分类算法的基础上,提出了两种逐行的实时LCMV目标检测与分类算法。首先对LCMV算法进行了因果化,提出了逐行处理的实时因果LCMV(CR-LCMV)检测与分类算法,再利用Woodbury引理,推导出了逐行处理的实时递归因果LCMV(RCR-LCMV)检测与分类算法。实验结果表明:与LCMV检测与分类算法相比,两种新型实时算法均能在不影响检测精度的情况下实时地检测目标与对目标进行分类,且所需的数据存储空间大大降低;与逐像元处理的实时LCMV算法相比,两种新型实时算法可获得几乎与之相同的检测精度,计算复杂度大大降低,实时处理能力更强,算法在运行时间上具有明显的优越性。