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。

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/1B卫星CCD数据在典型藻种赤潮和绿潮遥感监测中的应用

本文总结了我国沿海近年来发生的几种典型藻种赤潮以及浒苔绿潮的灾害发生特征，并利用我国环境减灾卫星（HJ-1A／1B）的ccD数据展开了赤潮和绿潮灾害遥感监测，建立了相应解译标志。结果表明，HJ-1A／1B卫星CCD数据能够快速、有效地识别水色异常信息，特别是小面积赤潮，满足我国沿海水色异常遥感监测的区域化、精确化和业务化要求。

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卫星数据的积雪面积制图算法研究

积雪是影响气候变化的重要因子,采用更高时空分辨率的环境减灾卫星遥感数据进行积雪制图算法的研究,对推进我国自主遥感卫星在积雪监测领域的应用具有重要意义.采用环境减灾HJ-1B卫星数据,以青海省果洛藏族自治州达日县为研究区,应用归一化差值积雪指数(NDSI)法建立了基于HJ-1B卫星数据的积雪面积制图算法,并比较MODIS与HJ-1B积雪图精度.结果表明:研究区HJ-1B积雪制图合理的NDSI阈值为0.37,总分类精度达到97.97%;与"真值"影像比较,HJ-1B积雪图Khat系数为0.911,高于MODIS的0.817.说明该研究建立的基于HJ-1B积雪制图算法精度可靠,适合对研究区积雪进行实时动态监测.HJ-1B更高的空间分辨率对提高研究区积雪覆盖面积监测精度具有重要的使用价值,但是地形因素是影响HJ-1B数据积雪分类精度的一个重要原因,随着坡度的增加,分类误差也随之增大,尤其是多测误差增加比较显著.

基于HJ-1A/1B卫星遥感数据的积雪识别方法研究

积雪分布与变化是标示气候变化的敏感因子,采用具有长时间序列的大范围同步获取信息优势的卫星遥感数据进行积雪识别提取,具有重要的理论意义和实际应用价值。针对HJ-1A/1B卫星数据,结合积雪遥感监测的理论方法,在分析HJ-1A/1B卫星CCD和IRS传感器光谱响应特征的基础上,将应用较广的归一化差分积雪指数(NDSI)引入到HJ-1A/1B卫星中,得到了基于CCD和IRS两个传感器数据的HJ-NDSI积雪识别方法。为避免由幅宽、扫描区域等因素的差异引起的两种不同传感器同时相数据难获取的问题,对HJ-NDSI方法进行了改进,提出了一种仅利用IRS传感器数据的HJ-MNDSI积雪识别方法。通过对HJ卫星数据的统计分析,给出了两种方法中的推荐阈值。以西藏普兰为实验区,对上述两种方法得到的结果进行精度评价,结果表明,HJ-NDSI和HJ-MNDSI方法提取积雪的精度分别为97.66%和94.92%,均能满足实际应用的需要,但HJ-MNDSI方法能保证更大的积雪监测范围。

HJ-1B卫星热红外通道在轨场地定标与验证

在对热红外辐射计CE312定标的基础上,基于青海湖水面辐射校正场,采用CE312开展同步测量实验,对HJ-1B卫星热红外通道进行在轨绝对辐射定标。由于HJ-1B卫星在轨星上定标系统不稳定,高温点难以准确获取,因此分别使用单点法和两点法,对2010年8月1日和5日两组传感器入瞳等效辐亮度值和卫星通道计数值回归得到该卫星通道绝对定标系数,并使用内蒙达里湖水面辐射校正场2010年6月29日实测数据进行定标系数的验证工作。验证结果表明,青海湖场地两次定标系数有较好的一致性,定标结果稳定可信。两点法所得定标系数的精度高于单点法。

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。

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。

HJ-1B卫星IRS传感器热红外通道交叉定标

以TERRA卫星中分辨率成像光谱仪(MODIS)传感器热红外通道的星上定标结果为标准,采用交叉定标方法获取HJ-1B卫星红外多光谱相机(IRS)传感器热红外通道定标系数。首先,获取两个传感器的对应通道,利用MODTRAN模拟光谱响应、观测角、大气条件和温度变化对匹配因子的影响,然后确定此研究只考虑对应通道的波谱响应和地表温度差异,并计算出不同地表温度下匹配因子的变化趋势。选择7次不同时间双星同步观测青海湖区域的图像作为交叉定标数据,根据MODIS的辐射亮度和匹配因子计算出IRS传感器热红外通道的辐射亮度,最后,将得到的辐射亮度和DN值进行线性回归,获得IRS热红外通道的定标系数。将此次定标结果与HJ-1B卫星IRS传感器热红外通道星上4次黑体定标结果进行比较,定标结果一致性较好。

基于时间序列HJ-1 A/B卫星数据的冬小麦成熟期预测

准确、及时地掌握大区域尺度的冬小麦成熟期信息能够为农业机械调度、优化农作物收割顺序提供重要的参考依据。以华北平原中部冬小麦为研究对象,首先使用2013年研究区冬小麦生育期内HJ-1 A/B CCD时间序列影像,通过线性插值构建像元尺度上逐日的时间序列NDVI,随后采用上包络线S-G滤波方法重构时间序列NDVI,通过动态阈值法逐像元提取冬小麦抽穗期;然后以抽穗至成熟期的有效积温模型为判别依据,利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的日平均气温预报数据,实现未来10 d冬小麦成熟期的动态预测;最后采用农业气象站点的成熟期观测值对预测结果进行验证,重点对比分析了从不同成熟期预报起始时间点获得的冬小麦成熟期精度,以确定最优的预报起始时间点。结果表明:当预报时效小于等于10 d时,成熟期预测精度趋于稳定,因此,综合考虑确定提前10天对预测冬小麦成熟期在时效和精度上最优,平均误差为3 d。该方法为地块尺度的区域农作物成熟期预测提供了可参考的技术途径。

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。

HJ-1B卫星红外扫描图像的几何定位和精校正方法研究

根据环境与灾害监测预报小卫星1B星(HJ-1B)携带的红外扫描相机的成像几何特性,提出了一种基于成像过程模拟的几何定位和精纠正方法。该方法首先根据共线方程对HJ-1B红外相机的图像初定位,再基于一幅更高分辨率的已校正的遥感图像,按照红外相机的成像几何模拟生成若干图像块,与待纠正的红外相机图像匹配,用最小二乘修正偏移量,最后根据修正量去校正有误差的星历参数,从而获得整幅图像的精确定位信息。经过模拟数据和MODIS数据的检验,所提出的算法是可行的,定位精度有明显的提高。

基于HJ-1B卫星遥感影像的小麦冠层温度的反演

冠层温度是监测作物是否受干旱、病虫害等不利因素胁迫的重要指标。为探讨HJ卫星热红外通道300 m的空间分辨率能否达到监测作物冠层温度的需求,以江苏省宝应县为例,利用小麦开花期HJ卫星遥感影像反演单通道算法地表温度,并用近似于同一时相的TM影像温度反演结果做定性、定量对比验证。结果表明:HJ-1B影像的结果在空间分布上与TM的结果相近,HJ-1B影像反演的地表温度最大值、最小值分别为35.72℃、15.85℃,平均为22.87℃,TM影像反演的结果分别为33.95℃、14.88℃和21.91℃,数值上相差不大;掩膜结果表明,HJ星影像反演的小麦冠层温度比TM的仅高0.48℃;地表温度随着植被覆盖度的增加而下降,且下降速率随植被覆盖度的增加而减小,当减化比值植被指数大于3时,地表温度基本稳定在18～20℃。小麦开花期田间植被覆盖度高,地表温度空间分布均一,降低了对遥感影像空间分辨率的要求,结合HJ卫星影像重返周期小、幅宽大、便于获取等优势,HJ卫星影像用于监测开花时期小麦冠层温度是可行的。

光谱异同性和多尺度卫星雪盖差异分析——以MODIS和HJ-1B为例

为了探索不同类型遥感传感器对地物反射光谱响应的异同和卫星遥感监测雪盖空间尺度的差异,收集了2007年—2013年冬春季川西北米亚罗地区、青海省祁连山区和新疆北疆地区各种积雪、植被和裸土反射光谱数据,经中分辨率成像光谱仪MODIS和环境与灾害监测预报小卫星HJ-1B传感器响应函数完成地基光谱到传感器可见光、近红外及短波红外通道反射率的转换。分析了新旧融雪、不同雪深及不同积雪覆盖下的反射光谱特征及不同传感器对地物反射光谱响应的异同性,并结合同期同区域影像分析了MODIS和HJ-1B积雪监测空间尺度的效果差异。结果表明,可见光波段范围内,各传感器对新雪和污雪反射光谱响应一致性很高;对裸土和矮株植被反射光谱响应程度较为一致;对其他类型积雪反射光谱响应程度有所不同,尤其是消融积雪和冻结积雪,反射光谱响应性差异很大;全雪覆盖下,深度不同的积雪NDSI值域相对稳定,不同传感器NDSI具有很好的趋势一致性;MODIS和HJ1BNDSI法监测积雪空间尺度差异明显,很好的解释了混合像元存在的成因。

HJ-1B和Landsat卫星蓝藻水华监测能力评估——以洱海为例

蓝藻水华是富营养化湖泊共同面临的问题。遥感技术为快速、大范围水华监测提供了可能,选取遥感数据应首先明确不同卫星的水华监测能力。以洱海为例,对比分析HJ-1B和Landsat卫星在内陆中小湖泊水华监测的时间和空间监测能力,评价两者在水华监测中的适用性及优势。结果表明:两者均能有效识别水华,提取水华分布细节信息,相比MODIS更适合用于中小湖泊水华监测;进一步分析表明,综合两者数据监测蓝藻水华,可以更加客观统计水华时间特征,描述水华空间分布发展规律,对于其它中小湖泊利用遥感手段辅助水华监测具有参考意义。

基于HJ-1A/B卫星CCD数据的江汉平原农田物候探测

利用HJ-1A/B卫星CCD数据,提取2013—2015年三年江汉平原农田的归一化植被指数NDVI,构建时间序列曲线,利用小波变换对HJ-1A/B卫星所得的NDVI数据进行平滑降噪处理,结合地面调研资料,提取江汉平原农作物的物候信息。研究结果表明,HJ-1A/B卫星可用于农田物候监测,对于小区域的农田作物长势监测具有独特的优势。

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。