基于星载同步大气参数的多光谱卫星影像校正方法

大气状态随时空变化具有显著差异,因此遥感卫星影像大气校正一直受限于难以动态获取与图像时空匹配大气参数的现实问题。高分辨率多模综合成像(高分多模)卫星作为我国目前空间分辨率最高的民用光学遥感卫星,搭载了首颗民用同步大气校正仪(SMAC)。SMAC是一台偏振多波段大气探测装置,采用时间同步和空间覆盖的探测方式,获取与同平台的主相机时空同步的大气信息。基于SMAC探测反演的大气参数,提出了一种利用星上同步大气参数校正高分辨率卫星遥感影像的方法Syn-AC。首先,基于时间同步的原则,结合主相机辅助数据,对SMAC原始数据进行预处理,形成SMAC-Level1产品;然后根据SMAC-Level1数据,进行SMAC云像元的判别,接着对无云覆盖的像元进行气溶胶和水汽参数的反演,形成Level2产品;最后采用同步反演大气参数,基于6SV辐射传输模型,对高分多模卫星Level1A级遥感影像进行大气辐射校正和邻近效应校正,得到主相机Level2地表反射率产品。在实验部分,利用Syn-AC对高分多模卫星多光谱影像进行大气同步校正试验,对大气校正前后的图像质量进行了定量评价。进一步地,结合地面实测反射率数据分析校正后的地表反射率,讨论同步大气校正方法的校正精度。同时,应用经典大气校正方法-FLAASH对多光谱影像进行大气校正,并与Syn-AC校正结果进行了性能比较。结果表明,同步大气校正得到的地表反射率与地面实测值比较一致,人工靶标校正后的平均反射率与地面实测值的平均绝对误差为0.012 2(FLAASH为0.027 4)。基于SMAC同步大气参数的大气校正方法在提高卫星图像质量和遥感定量化应用中具有很大的潜力。

基于可控强散射目标的地基SAR监测精度验证与分析

地基SAR(synthetic aperture radar)能够对监测区域实现高精度的连续形变监测,在矿山安全生产和滑坡地质灾害救援领域中具有重要意义。为研究其形变监测能力与精度,采用一套高精度可控强散射目标角反射器标定装置作为验证目标,布设在某金属露天矿的远距离真实边坡上,控制装置上的雷达角反射器完成毫米级的高精度位移;整个位移过程采用中国安全生产科学研究院自研的S-SAR边坡雷达监测系统进行监测,通过雷达形变监测结果与高精度装置结果进行分析比对。实验结果表明,在金属露天矿的远距离监测场景下,S-SAR边坡雷达监测系统获取的位移变形趋势与实际监测目标位移趋势吻合,误差均值在0.1 mm之内,有效验证了该系统用于边坡形变监测的可行性以及亚毫米级的监测精度。

BDS基准网处理技术在大坝安全监测中的应用

为准确了解大坝安全状态,减少传统大坝安全监测受气候、环境等因素的影响,基于BDS基准网处理技术实现了大坝安全监测自动化。在BDS基准网处理中,采用双差基线解算模型,并构建大气延迟修正算法,开发了BDS基准网处理软件。通过该软件在国内某大型水利大坝开展BDS安全监测应用测试,并将测试结果与商用软件TBC+COSA进行对比。结果表明,该软件在实验区域内的监测精度与商用软件相当,基于BDS-3和BDS-2/BDS-3两种模式下的水平定位精度均能达到±1 mm,说明该软件的解算成果可靠,也充分说明基于BDS-3的基准网处理技术可满足高精度自动化大坝安全监测的要求。

地基SAR基坑微形变监测方法研究

地基SAR作为一种新型地面遥感技术,因其高精度、全天候、设站灵活、实时连续观测等特点,在微形变监测领域具有广泛的应用前景。在深入研究了地基SAR微形变监测关键技术问题的基础上,结合基坑监测特点,采用加权圆周中值滤波去噪,提高干涉图信噪比,削弱噪声引起的相位差;提出了基于PSC网的气象改正,减小气象扰动影响,削弱大气相位差。并将改进方法应用到基坑监测实验。实验结果表明,通过加权圆周中值滤波和PSC网的气象改正有效地削弱地基SAR基坑监测中噪声和大气引起的相位变化,实现了亚毫米级的监测精度。为验证地基SAR监测的准确性,利用高精度全站仪进行了同步观测,监测结果表明二者高度一致,进一步说明了地基SAR技术用于基坑微形变监测的可靠性和可行性。

GBInSAR隔河岩大坝变形监测试验

为解决传统大坝变形监测方法仅能获取点变形信息,且监测周期长、劳动强度大等问题,将地基合成孔径雷达干涉(GBIn SAR)变形监测新技术用于大坝变形监测。分析GBIn SAR变形监测系统及其成像特点,建立利用稳定参考点进行大气校正的数学模型,并应用于清江隔河岩大坝监测。结果表明:在距离1 300 m处大气扰动误差可达85 mm,雷达视线向大气扰动是影响GBIn SAR变形监测精度的主要因素;消除大气影响后GBIn SAR监测的坝体变形速率与垂线监测结果一致;大坝表孔泄水闸变形明显大于坝体变形,且随水位上升变形量增大。

基于ASTER数据的混合像元分解技术在水质监测与评价中的应用

以ASTER数据为数据源对湖北省钟祥市胡集虎山尾矿库水质状况进行了监测与评价。文中运用FLAASH模型对ASTER数据进行了大气辐射纠正,并对数据进行了几何纠正。因ASTER数据空间分辨不能很好地满足水质监测的精度要求,故而文中使用波谱沙漏分析对ASTER数据进行混合像元分解,提取到研究区的水体信息,同时在获得基于ASTER数据的纯净像元指数基础上,利用反距离权重算法对野外采样点处混合像元的光谱反射率值进行计算。通过对比试验结果,利用数学统计方法建立了实测污染物数据与水体反射率比值间显著相关的反演模型,并对模型进行显著性检验,最后利用建立的模型对水体反射率进行运算处理,得到研究区水体相应污染物浓度分布,完成了对研究区水体的水质状况的监测与评价。

高温气体浓度光谱分析中的温度修正方法

随着国内经济的高速发展,环境空气质量日益恶化,气体排放源监测成为环境科学领域中的一项重要研究工作。文中提出并实现了高温参考谱模型法和标气测定法,对合成校准光谱进行了温度修正,从而提高基于数值计算的非线性最小二乘算法在高温气体浓度反演时的精度。从实验测得的透过率光谱中反演了不同温度下标准气体CO的浓度。结果表明:相对于未采取温度修正措施的校准谱获得的浓度反演结果,精度有较大提高。文中的研究结果对于研究高温气体光谱特征、不断完善定量分析算法、准确监测非常温下气体排放浓度、红外制导等具有重要意义。

HJ-1A/B的FLAASH大气校正及对东湖蓝藻监测效果分析

环境一号卫星(HJ1-1A/B)提供免费的高空间、高时间分辨率的遥感图像,是用于蓝藻监测的重要数据。然而,HJ-1A/B卫星由于地球大气及太阳辐射的影响会导致信号失真。为了提高绿藻监测的精度,大气纠正就变得极其重要。使用FLAASH大气校正模型对HJ-1A/B数据进行大气纠正,考虑了一定波长范围内量子效应的影像,引入了波谱响应函数进行校正。然后对纠正前后的NDVI指数进行对比,标准差由校正前的0.13提升到校正后的0.158,提升了21.5%。结果表明,FLAASH大气校正模型对HJ-1A/B数据有极好的校正效果。最后,利用NDVI数据对东湖蓝藻进行监测,进一步证明,使用FLAASH大气校正模型纠正后的数据可以更加精确地识别蓝藻信息。

环境减灾二号A/B卫星系统设计与技术创新

环境减灾二号A/B卫星是国家民用空间基础设施中首批启动的业务卫星,星上配置有16 m相机、高光谱成像仪、红外相机和大气校正仪4种光学载荷,具备可见光、高光谱和红外对地成像能力,以及在轨大气同步探测功能。两颗卫星均采用CAST2000公用平台,设计寿命5年,单星质量1065 kg,运行于标称轨道高度为645 km的太阳同步回归轨道。两星在轨组网运行,可实现16 m相机和红外相机2天对全球南北纬80°以内地区全覆盖观测。文章概述了环境减灾二号A/B卫星的主要技术方案,总结了载荷设计新技术、多载荷匹配设计、多样化定标、视觉监测,以及轨道冻结等技术创新点,并介绍了在轨测试和典型应用情况,可为我国后续环境减灾监测遥感卫星系列发展提供参考。

基于GNSS的北京市地面沉降监测研究

利用GNSS技术可以得到大地高,要想得到正常高必须精确已知高程异常。对于垂直变形监测,人们关心的是高程变化量而非高程本身。本文对利用GNSS大地高的变化量取代水准高的变化量的可行性,基准点选取及精度分析,参考框架的建立,大气改正模型的确定等内容进行分析研究。并通过2012年和2015年两期北京市实测GNSS观测数据得到的沉降量与精密水准结果比较分析,验证了GNSS监测地面沉降方案的可行性。

星载大气监测光谱仪高精度星上定标技术

大气成分的高精度反演及应用对星载超光谱载荷的辐射精度和光谱精度均提出了更高要求,且随着遥感器运行寿命的不断延长,需建立高精度、高稳定的星上定标系统。文章介绍了一种满足大气监测光谱仪高精度定标要求的星上定标技术,结合时间调制型傅里叶变换光谱仪的技术特点,制定了星上绝对辐射定标、仪器线形函数ILS测量和光谱定标的方案。采用太阳漫反射板定标法实现全口径、全视场、全光路绝对辐射定标,定标漫反射板在光谱仪光路的最前端将太阳光谱引入,通过已知的大气层外太阳光谱照度和地面标定的漫反射板双向反射分布函数BRDF确立星上绝对辐射定标基准。设置参考漫反射板进行在轨性能衰减的监测和校正,采用的QVD漫反射板具有高稳定性,可保证全寿命周期内星上绝对辐射定标精度优于5%。星上设置单色稳频激光器对光谱仪的仪器线形函数进行定期监测,以评估光谱仪的光谱分辨率等光学性能的在轨状态。利用太阳光谱和大气光谱中的特征谱线进行在轨波长校正。

基于修正气象数据的GB-SAR大气改正

大气效应会影响地基合成孔径雷达(GB-SAR)的图像采集信号,对其测量结果产生很大影响,因此GB-SAR测量结果必须剔除大气效应的影响。基于气象数据(大气压强、温度和相对湿度)的大气改正模型,分析了单个气象因子对GB-SAR变形结果的影响特点,提出了先利用稳定点对相对湿度进行分时段修正,再利用修正后的气象数据对GB-SAR变形值进行大气改正的方法。在链子崖危岩体监测中的应用结果表明,该方法能有效削弱大气效应对GB-SAR的影响。

GBSAR监测技术研究进展

GBSAR技术作为一种新型变形监测技术,继承了星载SAR技术的全天时、高精度、连续监测等突出优势,在变形监测方面表现其独有的特性,为变形体的监测带来了一次新的技术革命。据此,详细阐述了该技术国内外常用的设备、数据处理流程以及主要应用领域,并对GBSAR应用过程涉及的关键技术,包括时间和空间的相干性、相位缠绕、系统不稳、大气扰动进行了全面阐述。

基于五种大气校正的多时相森林碳储量遥感反演研究

大气校正已广泛应用于区域生态植被的动态监测,但是不同校正方法和模型对遥感影像光谱和森林碳储量估算结果的影响不得而知,同时这种差异在多时相遥感监测与应用时经常被忽略。以多期Landsat影像为数据源,借助植被指数MNDVI和野外实地调查的马尾松林样方数据,进行马尾松林碳储量反演。然后采用几种常用的大气校正算法:6S,FLAASH(fast line-sight atmospheric),IACM(illumination and atmospheric)和QUAC(quick atmospheric correction),并结合地面同步实测的光谱数据,以评估其对马尾松冠层光谱曲线、植被指数以及林分碳储量估算的影响;同时从遥感动态监测角度出发,分析了相对大气校正(pseudo-invariant feature,PIF)对多时相影像植被指数与碳储量反演结果的校正效果。结果表明,经大气校正后的影像波段反射率与实测光谱结果较为接近,其中近红外和短波红外波段光谱反射率明显上升,同时可见光波段减弱,NDVI(normalized difference vegetation index)增加明显。不同大气校正模型对研究区马尾松林碳储量的遥感反演结果影响较大,其中IACM与6S模型分别具有较高的精度和较低的误差。此外,经过PIF校正后不同时相影像的NDVI相对偏差降低了85.16%,同时马尾松林碳储量反演模型精度得到明显提升,表明辐射归一化处理对于多时相遥感影像的应用十分必要。研究发现ICAM与PIF的大气校正模型组合可较好纠正大气效应,适用于多时相遥感数据的森林碳储量反演与监测研究。

TOPS模式哨兵-1雷达干涉图误差校正技术

哨兵-1系统因其优质的设备参数及开放性的政策具有很高的学术及应用价值,然而其特殊的TOPS成像模式对利用该数据的干涉处理与分析提出了挑战。本文对影响哨兵-1 TOPS模式数据干涉质量的数据配准、电离层及对流层因素进行了定量化分析,提出了基于ESD,以及GPS、ECMWF等外部数据源校正的TOPS哨兵-1模式干涉图误差校正技术;以一对2016年某区域的哨兵-1 TOPS模式影像为研究数据,对其依次进行了精配准、电离层相位和对流层相位系统校正。研究结果表明,配准精度能够满足数据1/1000像元的精度要求;能去除电离层条带相位和方位向相位跳变;进而实现对流层相位约27%标准差精度的提升。此技术能够显著减小哨兵-1 TOPS模式数据的干涉误差,提高其在差分雷达干涉乃至时序差分雷达干涉等形变监测中的应用价值。

面向高速公路环境的CBERS-02B影像大气校正研究

在高速公路环境遥感中,定量反演依赖精确的光谱反射率,因此,大气校正非常重要。本文基于高速公路路域植被环境遥感的大气校正特点,针对贵州省三凯高速路域的CBERS-02B卫星数据采用FLAASH大气校正,研究中结合路域环境遥感紧密相关的评价因子,分析校正前后路面、路域植被、河流和裸地的反射率和NDVI值变化,不同地物在其敏感波段的反射率更接近真值,校正后的NDVI也更接近利用地面实测数据的计算值。结果表明FLAASH大气校正能快速、较准确地消除大气因素对CBERS-02B数据的影响,能够有效地应用于路域影像纠正,服务于高速公路环境遥感监测。

一种露天矿高边坡形变监测的新方法

针对露天矿高边坡监测精度要求高、实时性强、难以全面覆盖、接触困难等问题,分析了地基雷达测量的技术特点,研究了基于地基雷达的露天矿高边坡形变监测方法及大气扰动改正、时序分析等关键技术。结合三友矿边坡变形监测试验,给出了地基雷达数据的处理流程,基于振幅离散指数、估计的稳定性指数、位移精度等参数的雷达数据质量评价方法。针对露天矿边坡长时间、远距离监测中的大气扰动问题,探索了基于PSC网的大气校正方法,取得较好的大气改正效果,监测结果与高精度测量机器人的监测结果相一致,验证了所提监测方法的有效性。研究结果表明:监测目标区域稳定边坡雷达影像的振幅离散指数优于0.1,相位估计的稳定性指数大于10,位移精度优于0.2 mm。PSC网大气校正能有效消除昼夜温差和湿度引起的相位变化,实现亚毫米级测量精度。基于时序分析技术,实现露天矿高边坡微形变监测,为矿山边坡安全提供了一种新的监测方法。

高边坡变形监测电磁波测距边长气象改正方法

在采用测量机器人对峡谷地区高边坡进行自动化监测时,电磁波测距边长气象改正代表性误差易受峡谷地区瞬息万变的气象条件影响,故合理的气象改正方法不仅可以提高工作效率、减轻劳动强度,还可以提高监测成果的精度和可靠性。采用理论与实验研究相结合的方法,以溪洛渡水电站边坡监测为例,对峡谷地区电磁波测距影响理论和气象改正的传统方法、似差分改正法进行了实验研究,提出了基于统计气象参数的模型改正法并对其可用性进行了实验验证。结果表明:该方法克服了似差分改正因距离和高差带来的误差,降低了现场采集气象元素的劳动强度,为自动化监测的气象改正提供了有效解决方法。

测量机器人大坝变形自动化监测中的大气折光修正研究

测量机器人在水库大坝长期、连续、自动的位移监测中发挥着重要作用,然而其监测结果的可靠性易受大气折光的影响。在理论分析气象元素修正、基准点差分修正等模型的基础上,利用碗米坡电站建立的基于测量机器人的自动化监测系统,对大气折光修正模型的适用性进行了试验分析。结果表明,对于小监测区域,仅利用测站处的气象信息进行修正即可取得较好的效果,同时基准点差分修正与气象元素修正的结果精度相当。结果对于构建基于测量机器人的大坝自动化监测系统具有参考价值。

滑坡灾害监测的圆弧合成孔径雷达大气相位校正方法

地基圆弧合成孔径雷达通过形变值测量实现滑坡预警,是一种重要的滑坡灾害监测遥感手段。大气相位校正影响形变值测量精度,是长时间稳定监测的关键技术。本文提出一种基于网格划分的两阶段大气相位校正方法。该方法通过特征提取及分类获得永久散射点,基于此实现监测点的自动筛选;利用网格估计大气相位,有效降低运算量,提高了计算效率;结合空间滤波和时间序列滤波,保证了大气相位估计的准确性。实测数据处理结果表明了该文所提方法在大气相位校正方面的有效性。