基于ICESat-2多波束激光测高数据的全球海洋重力异常反演分析

卫星测高技术是获取精细海洋重力数据的重要技术手段之一。常规卫星测高反演海洋重力异常主要是利用沿轨测高数据,而跨轨数据因较长的时间间隔或者稀疏的地面轨间距往往不能用于海洋重力异常反演,进而影响了海洋重力异常模型精度的进一步改善。新型激光测高ICESat-2能够同时获得3对光束观测数据,相邻激光束的地面间距约为3 km,为结合跨轨数据改善海洋重力异常模型提供了可能。本文首先给出了集成沿轨和跨轨数据反演海洋重力异常的处理策略;然后,分别利用沿轨数据和集成的数据构建了ICESat-2全球海洋重力异常模型(IS2Gra_alo和IS2Gra_alo_acr),结果表明通过补充跨轨数据能够有效提高沿轨数据反演海洋重力异常的精度,并验证了ICESat-2测高数据反演全球海洋重力异常的可靠性。此外,本文还探讨了ICESat-2不同跨轨数据组合对海洋重力异常模型反演精度的影响,在沿轨数据的基础上集成适当距离的跨轨观测数据能够有利于改善海洋重力异常模型的精度。本文研究为后续SWOT宽刈幅测高数据和我国双星跟飞模式测高数据反演海洋重力异常模型提供了参考意义。

ICESat-2激光雷达噪声光子标识及分布特点研究

利用PhotonLabeler实现对星载光子计数数据的噪声光子标识研究,并分析常见场景噪声光子分布特点,最后生成了一套光子计数噪声标识产品。本研究结果包括:太阳辐射会引起大量噪声出现;海洋区域的噪声光子会受到风浪、水深、海岸线、水中杂质等因素的影响;冰川情况下光子分布多受到积雪厚度、积雪密度、冰盖厚度、冰盖密集度及冰盖表面的粗糙程度等一些外来因素的影响;冬季情况下,噪声光子数目明显少于夏季,分析得出冠层高度及植被覆盖率等因素会引起大量噪声光子出现;多数情况下,弱光束对地表反演能力低于强光束,强光束可以捕获更多的光子点云数据。

ICESat-2水深提取方法及其反演应用

相比于传统水深测量方法,结合主动激光卫星ICESat-2数据与被动光学遥感影像的主被动融合水深反演方法具有低成本、覆盖面积广、不受地域限制、无需地面实测数据等优点.研究选取澳大利亚大堡礁中部的John Brewer Reef和南部的Fitzroy Reef为实验区,开展主被动融合水深反演实验.针对ICESat-2光子点群信噪比低、光子点水深信息提取和改正难的问题,本文提出基于光子点群高斯分布特征的海面光子点群提取方法和基于深度自适应DBSCAN的海底光子点群提取方法,并顾及海面倾斜引起的入射角偏移,改进了Parrish水体折射改正几何模型.实验表明,基于光子点群高斯分布特征的海面光子点群提取方法和基于深度自适应DBSCAN的海底光子点群提取方法可以高效准确地提取出有效的海面、海底光子点群;经过地球物理改正和基于改进模型的水体折射改正后,水深变浅,且改正项与改正前水深呈线性关系,线性系数约为-0.2550.实验将提取并改正后的ICESat-2光子点水深与经大气校正、耀斑校正、空间域滤波等预处理后的Sentinel-2影像进行空间匹配构建水深反演样本集,并利用单波段模型(SB)、比值模型(BR)、Lyzenga多项式模型(LP)、二次多项式模型(QP)、三次多项式模型(CP)、支持向量回归模型(SVR)、多层感知器模型(MLP)、随机森林回归模型(RF)等水深反演模型对实验区全域水深进行反演.通过对比分析多种水深反演模型在不同地理区域和ICESat-2水深样本分布条件下的表现,研究为不同场景下的主被动融合水深反演策略提供了一定的科学依据.

基于ICESat-2和Sentinel-2A数据的森林蓄积量反演

森林蓄积量是林业调查的重要指标,在衡量森林健康状况和评价森林固碳能力等方面发挥重要作用,协同主被动遥感是当前反演大区域森林蓄积量的主要手段。以云南香格里拉森林为研究区,分别提取ICESat-2/ATLAS和Sentinel-2A影像的特征变量,并通过相关性分析和共线性诊断方法筛选特征变量,构建Sentinel-2A变量集和ICESat-2/ATLAS变量集,以及二者联合的变量集,然后结合样地实测数据与3个特征变量集,采用逐步线性回归和随机森林方法分别建立线性和非线性回归模型,反演森林蓄积量,并对结果进行精度验证及对比分析。研究结果表明:对3个变量集,随机森林方法精度均优于逐步线性回归;ICESat-2/ATLAS变量集在2种回归方法下的反演精度均高于Sentinel-2A变量集;联合Sentinel-2A和ICESat-2/ATLAS变量集,随机森林方法的反演精度最高,其R 2,RMSE和rRMSE分别为0.7034,84.78 m^(3)/hm^(2)和36.46%。整体来说,与Sentinel-2A数据相比,基于ICESat-2/ATLAS数据及其与多源数据联合的反演模型均可以提高森林蓄积量反演精度和模型稳定性。

基于ICESat-2的横断山区NASA DEM高程精度评价与误差校正

以星载激光雷达ICESat–2为参考数据源,将NASA DEM作为实验数据,分析了其在横断山区中西部复杂地形地貌区的整体高程精度;同时,研究了DEM误差与地表变量(如坡度、坡向、起伏度、植被覆盖度、土地利用类型等)之间的关系。为校正NASA DEM的高程误差,引入随机森林、反向传播神经网络、极度梯度提升树模型和轻量级梯度提升模型等4种机器学习方法,结合地表变量构建了高程误差校正模型并对校正后的NASA DEM进行精度分析。结果表明:NASA DEM的高程平均误差为–3.5 m,平均绝对误差为8.2 m,均方根误差为11.7 m,高程误差符合正态分布。NASA DEM的高程精度随着坡度、起伏度和植被覆盖度的增大而降低,不同坡向和土地利用类型下的高程精度存在较大差异。4种机器学习模型均能校正NASA DEM的高程精度,校正后的平均误差、平均绝对误差和均方根误差均有所改善;RF、XGBoost和LightGBM校正后的平均误差均为0 m;BPNN校正后平均绝对误差最低为6.9 m;BPNN和XGBoost校正后均方根误差最低均为10.6 m;BPNN校正后的R2值最高;BPNN在不同土地利用类型下的校正精度表现最佳。本研究结果为地学研究中选择和应用NASA DEM时提供精度上的参考依据,并通过引入多种机器学习模型,为NASA DEM及其他全球DEM产品高程误差校正研究提供了有效的方法论。

一种基于ICESat-2激光光子与SRTM数据的冰川高程变化误差稳健估计方法

针对利用ICESat-2星载光子点云数据进行冰川高程变化监测时,不同地形条件下的ICESat-2激光光子数据质量差异较大导致冰川高程变化量估算误差较大的问题,本文以青藏高原上中国最大的海洋性冰川——恰青冰川为例,联合使用ICESat-2激光测高数据及30 m分辨率SRTM的DEM产品,提出了融合稳健估计准则的多函数拟合冰川高程变化量估算误差改正模型,降低了因地形坡度引起的冰川高程变化量估算误差;进而,估算了2000—2021年间恰青冰川的高程变化速度及质量变化量。结果表明,与对应的传统最小二乘估计结果相比,本文提出的融合稳健估计的函数模型改正效果更优。随后,将改正结果与多种数据进行交叉验证,能够证明该误差改正模型的有效性和可行性。因此,该模型可以有效改善冰川高程和质量变化信息提取的精度,研究结果表明,研究区21年间冰川高程变化速率约为(-0.52±0.56)m·a^(-1),冰川质量变化约为-12773.81×10^(5)t。此外,经过对21年间气象数据的年变化和月变化分析可知,气温和降水量等因素是引起冰川高程变化的主要动因。

基于星载激光雷达ICESat–2/ATLAS数据的森林郁闭度估测研究

以云南香格里拉市为研究区,基于ICESat–2/ATLAS数据,采用随机森林回归、梯度提升树回归及最近邻回归的方法分别建立遥感森林郁闭度估测模型,选择最优模型反演研究区光斑内的森林郁闭度。结果表明:采用随机森林建模估测森林郁闭度时效果最好,其R^(2)为0.9446,RMSE为0.0560,P为90.60%。研究得到香格里拉市内74873个有效林地光斑对应的郁闭度预测值,结合光斑中心坐标得到全市内所有光斑森林郁闭度的空间分布图。研究结果可为低纬度高海拔地区森林郁闭度遥感估测提供参考。

基于ICESat/ICESat-2卫星测高数据的黄河中上游水库水位监测

精确地提取出内陆水库水位高程数据以及分析其变化特征,对气候和生态环境变化、水资源管理等方面的研究具有重要的意义。利用ICESat卫星2003年10月至2009年4月期间的全球地表测高数据与ICESat-2卫星2018年11月至2022年6月期间的全球内陆水体高程数据,对黄河流域龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底水库多期历史水位变化数据进行提取,并结合水文站实测数据对其准确度加以检验。结果显示:龙羊峡、刘家峡、三门峡与小浪底水库在水位变化上相互调节水位,确保了水库的安全运行和水资源的合理利用;通过与实测水位对比分析,龙羊峡、小浪底水库ICESat卫星测量水位与实测水位相关性系数分别为0.996、0.997,均方根误差分别为0.323 m、0.4567 m,平均误差分别为0.195 m、0.248 m;龙羊峡、刘家峡、三门峡以及小浪底水库ICESat-2卫星测量水位与实测水位相关系数分别为0.996、0.987、0.977、0.999,其均方根误差分别为0.6308 m、0.9606 m、0.7077 m、0.1354 m,平均误差分别为0.5046 m、0.7684 m、0.5661 m、0.11 m。此外,ICESat数据在一定程度上弥补了数据的缺失,表明全球地表测高数据与全球内陆水体高程数据在内陆水体水位变化监测方面具有很高的可行性。

基于PlanetScope光学小卫星与ICESat-2激光测高数据的极地冰盖冰面湖水深遥感反演

每年消融期,冰面湖广泛分布于极地冰盖表面,能够存储大量冰面融水,但部分冰面湖底部破裂后会输送融水进入冰盖底部,从而影响冰盖运动与稳定性。因此,准确测算冰面湖水深信息,进而估算冰面湖体积及其动态变化,对于理解极地冰盖水文过程具有重要意义。然而,实地测量冰面湖深度难度大、成本高、覆盖范围小,通过中低空间分辨率光学遥感影像构建的冰面湖水深反演模型精度不足。该研究综合PlanetScope SuperDove光学小卫星8波段遥感影像(空间分辨率为3 m)与ICESat-2激光测高数据反演冰面湖水深。首先,通过自适应核密度估计分离并拟合湖面与湖底ICESat-2激光测高点云,进而获取冰面湖水深观测结果;其次,利用最佳波段比值分析PlanetScope影像不同波段(组合)与ICESat-2水深数据的相关关系,构建二次函数、指数函数、幂函数与对数函数4种冰面湖水深反演经验公式;最后,选择4个具有同时期PlanetScope和ICESat-2数据覆盖的冰面湖,测试冰面湖水深遥感反演的精度。结果表明PlanetScope绿光I波段是冰面湖水深反演最佳波段,单波段反射率与冰面湖水深相关性最强(R^(2)=0.94),水深反演精度最高(均方根误差为1.0 m,相对均方根误差为0.15)。研究揭示了综合主被动卫星数据分析极地冰盖水文过程的良好潜力。

利用ICESat-2激光测高监测和评估鄱阳湖水位变化特征

ICESat-2卫星搭载了先进的光子计数激光测高仪,可实现对内陆中大型湖泊水位动态变化监测.本文利用ICESat-2卫星2018—2020年逐月的ATL13全球内陆水体数据估计和分析鄱阳湖水位变化特征,利用鄱阳湖湖口、星子和康山水文站实测数据进行验证和误差修正,并结合各测站水位数据、降雨量数据分析鄱阳湖水位动态变化及其成因.结果表明:1)鄱阳湖年内水位变化剧烈,具有明显的季节变化规律,6—10月为高水位期,其他月份为低水位期,水位高峰期出现在7—9月,总体水位呈上升趋势.2)ICESat-2测高水位与实测水位相关性R^(2)为0.846以上,经过误差修正后相关系数高达0.974.湖口站、星子站和康山站的均方根误差(RMSE)分别为1.660、1.073和0.836 m,经过误差修正重新计算后,三站RMSE分别为0.663、0.659和0.440 m,其测量精度提升约1 m.3)鄱阳湖水位变化与降雨量高度相关,1—2月和10—12月降雨量较少,为枯水期,水位下降;3—10月降雨量增多,为丰水期,水位上涨;降雨主要集中出现在7—9月,对应水位高峰期.

基于ICESat-2光斑尺度外推建模的不同森林类型地上生物量反演

森林地上生物量是衡量森林生态系统固碳能力和生产力的重要指标,利用遥感手段可以快速完成连续、大规模的森林地上生物量反演与制图,建立外推模型且更加精准地估算是遥感反演森林生物量的关键。本文以湖北省崇阳县为研究对象,通过星载激光雷达ICESat-2数据与不同类型森林地上生物量建模,结合多光谱Landsat8卫星影像,利用多元线性回归和随机森林算法,完成该地区2013—2023年森林生长季30 m分辨率时间序列地上生物量制图。结果显示,ICESat-2 ATL08数据可以较好地估算光斑点生物量,针叶林R^(2)=0.872,阔叶林R^(2)=0.806。试验验证了星载激光雷达对不同森林类型生物量的估算能力,对未来大区域尺度森林生物量及碳汇时空变化格局研究提供了方法和依据。

高分十四号卫星立体影像与ICESat-2激光测高数据联合平差

高分十四号是我国目前测绘精度最高卫星之一。为进一步提高高分十四号卫星的高程精度,将其与高程测量精度优势明显的ICESat-2激光测高数据进行联合处理。在利用各类激光属性信息对ICESat-2激光测高数据初步筛选的基础上,引入高程检核点设计了一种联合平差策略。在联合平差过程中精化激光高程控制点的筛选、解决立体影像数据与激光测高数据的配准问题,获取目标的高精度三维信息,并建立两个实验区对该联合平差策略处理结果进行分析验证。结果表明:联合平差策略能够较好地解决高程控制点筛选与数据配准问题,两个实验区立体影像的高程中误差均优于1 m,基本满足1∶10000地形图测绘的要求,可为全球1∶10000无地面控制点测图工程提供支撑,促进高分十四号卫星立体影像和ICESat-2激光测高数据在地形测绘领域的应用。

基于ICESat-2的2019—2022年斯瓦尔巴群岛跃动冰川表面高程变化研究

斯瓦尔巴群岛是全球对气候变化最为敏感的地区之一,受北极放大效应影响,该地区的冰川正在经历显著的萎缩。已有研究表明,斯瓦尔巴群岛冰川质量亏损正在加速,但目前对该地区跃动冰川造成的总体冰量损失尚不明确。本文利用高精度ICESat-2激光测高数据,采用改进的分类方法对2019年3月至2022年6月斯瓦尔巴地区冰川表面高程变化进行了研究。结果表明:2019—2022年斯瓦尔巴地区冰川整体表面高程呈现下降趋势,平均表面高程变化率为(-0.94±0.23) m·a^(-1),对应的体积变化趋势为(-31.62±7.73) km^(3)·a^(-1)。其中,跃动冰川面积约占22%,跃动冰川的体积变化趋势为-13.23 km^(3)·a^(-1),占该地区冰川总体积变化趋势的42%,因而跃动冰川变化是导致该地区总冰量减少的主要原因之一。斯瓦尔巴地区面积最大的潮水跃动冰川,Storisstraumen,在过去20年间其面积扩大了约284 km^(2);在本文研究时段内,其体积变化趋势为-5.67 km^(3)·a^(-1),占该地区总冰体积变化趋势的18%,该地区气温的升高很可能加剧了Storisstraumen冰川的跃动,目前该冰川仍处于跃动期。本文不仅揭示了2019—2022斯瓦尔巴地区冰川的表面高程变化特征,同时量化了跃动冰川在整体冰川体积变化中的贡献,这可为更深入理解该地区冰川变化动态提供依据。

基于ICESat-2的陕西省SRTM和ASTER GDEM数据对比分析研究

SRTM1 DEM和ASTER GDEM V3作为全球公开使用的最新DEM数据,为地形研究、GIS应用、资源管理、环境监测等领域提供重要的数据支持。本研究旨在分析它们在不同地形和地表覆盖物区域的误差分布情况,探究其在地形表达中的优势、劣势。选取陕西省特有地形,结合地形剖面和曲面误差方法,首次利用ICESat-2分析比较了SRTM1 DEM和ASTER GDEM V3数据的垂直精度在卫星轨道、地形地貌、土地覆盖中的误差分布。通过研究发现:STRM1 DEM和ASTER GDEM V3的总体平均误差分别为0.056 m和5.301 m,受轨道因子的影响,SRTM1 DEM垂直精度高于ASTER GDEM V3。坡度对数据的精度影响占比最大,林地的数据精度显示最低,地貌中平原地区影响最小,但误差随地形起伏不断增加。SRTM1 DEM误差曲面跨度小于ASTER GDEM V3,对于地形表达比ASTER GDEM V3更加精确。分析结果进一步验证了两种DEM数据测绘原理不同导致精度差异。

基于机器学习的ICESat-2激光卫星点云去噪算法

ICESat-2(Ice,Cloud,and Land Elevation Satellite-2)激光卫星作为当前最先进的激光测高卫星之一,通过发射532 nm波长的激光,能够有效获取浅海区域的水深数据,极大地推进了浅海测深技术的发展。然而,ICESat-2的原始数据常受到噪声点云的干扰,给数据的后期处理带来了不小的挑战。为提高数据处理的准确性和效率,本研究针对ICESat-2点云在水平方向上比垂直方向更为密集的特性,开发了一种基于多层感知机(Multilayer Perceptron,MLP)的去噪算法。该算法综合考虑了水平椭圆搜索区域内的点密度、点与点之间的平均距离、最近邻点间的距离(分别为3和5)等特征值,实现对噪声点的有效识别和去除。通过选取澳大利亚某岛礁区域的ICESat-2数据作为训练集,同时使用经过我国西沙群岛玉琢礁和东岛的数据对所提出的去噪模型进行验证。实验结果表明,本研究所提出的去噪方法正确率达到90%以上,显著优于现有的OPTICS去噪算法以及基于置信度的去噪结果。这一成果不仅为ICESat-2数据的噪声去除提供了一种新的解决方案,也为相关领域的研究提供了可靠的数据支持。

基于ICESat-2和Sentinel-2的河道管理范围内阻水植被提取研究

针对河道管理范围内阻水植被实地调查工作量大、耗时长、难度大等问题,本文利用星载雷达ICESat-2的ATL03和ATL08产品,通过关联分析的方法筛选和计算激光点的植被高度,结合Sentinel-2波谱变量,分别使用BP神经网络和随机森林回归算法,构建空间连续的植被高度信息反演模型,快速提取河道管理范围内的阻水植被。实验结果表明,随机森林回归模型在稳定性和准确性方面优于BP神经网络模型,能够更有效地提取河道管理范围内的阻水植被。本方法可提高河道管理中阻水植被调查的效率和准确性,为河道治理和管理工作提供科学的决策参考。

ICESat-2/ATLAS雷达数据在林业中的应用

ICESat-2/ATLAS作为新一代星载光子计数雷达,较ICESat-1/GLAS在载荷设备、模型算法及测距精度等方面都有了极大的提升。本文介绍了ICESat-2/ATLAS的物理参数、数据产品,并列出了当前ATLAS数据产品去噪分类的各类算法,总结了ICESat-2/ATLAS数据在林业中的应用,包括制作高分辨率的森林高度制图、森林地上生物量的反演、林下地形的反演等,并对比分析了各类研究结果的观测精度及可靠性。最后,对ICESat-2/ATLAS在多源遥感协同不同数据源的应用上进行了展望。本研究能为星载光子计数雷达在林业中的应用提供一定的参考。

基于ICESat块域分析法探测2003～2008年南极冰盖质量变化

利用2003～2008年间的ICESat卫星激光测高数据,通过块域交叉点分析提取南极大陆冰盖表面高程变化信息,同时探讨了卫星激光测高不同任务间的系统偏差,结合冰盖地表粒雪密度模型探测南极大陆冰盖质量变化,并对其原因做了初步分析.结果显示南极大陆冰盖高度变化具有明显的年周期信号,平均周年振幅为2.21cm.在南极大陆的边缘,存在着明显的消融和增长,尤其是在西南极阿蒙森海湾附近的冰川和南极半岛.利用目前常用的三种不同的冰后回弹模型,计算得到南极大陆冰盖整体平均质量变化趋势约为要—82～—73Gt/yr.在由ICESat高度变化到质量变化过程中,冰盖地表粒雪密度和冰后回弹模型的不确定性是影响结果精度的主要因素.

利用ICESat数据解算南极冰盖冰雪质量变化

南极冰盖冰雪质量变化反映了全球气候变化,并且直接影响着全球海平面变化.ICESat测高卫星的主要任务之一就是要确定南北两极冰盖的质量变化情况并评估其对全球海平面变化的影响.本文利用2003年10月至2008年12月的ICESat测高数据,针对南极DEM分辨率有限的特殊性,通过求解坡度改正值,解决重复轨道地面脚点不重合的问题,计算了南极大陆(86°S以北区域,后文所述南极冰盖均不包括86°S以南区域)在这5年里的冰雪质量变化情况,得到东南极冰盖的质量变化为-18±20Gt/a,西南极-26±6Gt/a,南极冰盖的冰雪质量变化为-44±21Gt/a,对全球海平面上升的影响约为0.12mm·a^(-1).解算结果表明,南极冰盖质量亏损主要集中在西南极阿蒙森海岸附近冰川以及东南极波因塞特角区域.

ICESAT/GLAS激光脚点定位及误差分析

阐述了ICESAT卫星星载地学激光测高系统(GLAS)激光脚点定位原理,给出了具体的GLAS脚点定位算法以及数据处理流程,分析了激光测高的误差源,并总结了GLAS不同产品各项误差的量级以及误差的标准偏差。