草地草种遥感判别技术研究进展

草地是促进区域经济发展的重要资源载体,也是中国陆地生态环境安全的重要生态屏障。遥感技术快速、高效、成本较低,是大范围草原监测的主流技术手段。利用遥感技术对草地草种进行判别是监测草地种群动态和群落更替的重要途径,有利于及时准确地发现草地生态环境的变化,为草地生态系统科学管理和生态文明建设提供重要参考。本研究围绕草地草种遥感判别问题,厘清草种判别技术流程,从草种判别主要遥感数据源的特点及其获取技术、重要的草种判别特征及其挖掘技术,以及目前常用的草种判别方法与模型等3个方面介绍了最新研究进展及技术难点。本研究认为,高光谱、激光雷达遥感及其融合技术在草种遥感判别中具有一定的应用前景,多维特征深度挖掘及互补特征有效结合可提升草种判别准确率。本研究指出了当前草种遥感判别技术存在的主要问题,对未来通过遥感技术实现草地草种的精确判别提出了展望,为全面了解草地草种遥感识别领域和深入开展草种判别研究提供了理论借鉴。

结合PanSharpening与时空融合的GF-2和GF-1 WFV遥感影像融合方法

当前单纯基于传统空谱融合或基于时空融合的方法均未同时综合全色、高分辨率多光谱以及低分辨率多光谱的谱段信息,造成融合结果未能与应用需求充分对接。结合传统的PanSharpening方法与当前流行的时空融合模型,提出了一种基于调制传递函数-广义拉普拉斯金字塔-高通滤波调制(Modulation Transfer Function-Generalized Laplacian Pyramid-High Pass Modulation,MTF-GLP-HPM)和时空自适应反射率融合模型(Spatial and Temporal Adaptive Reflection Fusion Model,STARFM)的新融合方法。该方法有效综合了全色和高分辨率多光谱的空谱信息以及低分辨率多光谱的时谱信息,能够生成预测时相下具有全色波段空间分辨率的多光谱影像。采用MTF-GLP-HPM方法对起始时相的高分二号(GF-2)全色(1 m)和多光谱(4 m)反射率影像进行融合,得到1 m分辨率的GF-2多光谱反射率数据;利用STARFM模型将上述GF-2多光谱影像与起始、预测时相下的高分一号宽幅(GF-1 WFV)多光谱(16 m)反射率数据进行时空融合,得到预测时相下1 m分辨率的GF-2多光谱反射率数据。基于不同下垫面类型的融合结果表明,所提方法融合结果与预测时相原始GF-2多光谱影像相比,SSIM在0.6224~0.9066,RMSE小于0.06;与直接基于原始GF-2和GF-1 WFV多光谱数据的STARFM融合结果相比,SSIM相对精度损失小于0.08,RMSE损失在0.02以下。所提方法能够在保持时空融合对于时谱信息预测精度的基础上,进一步将融合结果的空间分辨率提升至全色影像的水平。

基于jBPM的科学试验管理系统的设计与实现

临近空间探索科学试验流程复杂,从策划到实施过程中涉及多个管理和技术环节,需要引入工作流技术建立科学试验管理系统对试验过程进行科学有效的管理。文面向大型科学试验任务管理系统设计与实现,针对科学试验任务合理规划、有序调度、流程按需定制、节点组件集成的业务需求,提出了基于jBPM工作流引擎的科学试验任务流程按需定制与节点组件集成调用方案,将流程抽象为若干个独立的业务节点,按照业务节点间的逻辑关系构建业务工作流,同时集成各业务节点对应的程序组件实现具体的流程管理功能。基于该方案开发的科学试验任务管理系统在满足系统业务需求的同时,有效提升了系统的可扩展性,降低了系统维护的难度,成为了支持大型科学试验规划、管理与调度的有效技术手段。

国家级遥感技术标准体系逐步完善

一、遥感技术标准化工作的重要性标准化是为了在既定范围内获得最佳秩序,促进共同效益,对现实问题或潜在问题确立共同使用和重复使用的条款以及编制、发布和应用文件的活动。标准化的主要效益在于为了产品、过程和服务的预期目的,改进它们的适用性,促进贸易、交流以及技术合作。标准是通过标准化活动,按照规定的程序经协商一致制定,为各种活动或其结果提供规则、指南或特性,供共同使用和重复使用的文件,科学、技术和经验的综合成果是标准形成的基础。

基于时序InSAR技术的中巴走廊盖孜河谷段地表形变分析

中巴走廊沿线地质灾害频发,通过监测地表微小形变有助于对研究区内地质灾害进行判别分析,对走廊建设及走廊沿线基础工程设施的防护有重要意义。利用2015年4月5日—2018年12月9日共30景Sentinel-1A干涉宽幅模式下的雷达影像,分别采用PS-InSAR技术及SBAS-InSAR技术,对中巴走廊盖孜河谷段进行地表形变时序信息提取。结果表明,采用两种方式获取的形变信息在形变速率的空间变化趋势上具有较好的一致性,其中SBAS-InSAR技术所获取的形变速率分布在空间上相对更为连续。SBAS-InSAR形变提取结果表明,在分析时间段内,研究区多处发生明显地表形变,较大的视线向形变量主要分布于中巴公路两侧斜坡及布伦口以北的冰川前缘区域。在提取时序形变信息基础上,结合光学影像对研究区内典型不稳定斜坡及冰川运动进行形变特征分析,结果表明不稳定斜坡上PS点在监测时段内累积形变量可达-30 mm,而在冰川运动前缘集中分布许多正负向形变值较大的PS点,其正负向累积形变量分别可达+60 mm和-80 mm。本研究为高寒山区地质灾害形变的探测和今后在中巴走廊的应用积累了基础。

基于多尺度特征提取和坐标注意力的光学遥感图像超分辨率重建

本文针对现有光学遥感图像超分辨率重建模型对感受野尺度关注不足和对特征通道信息提取不充分带来的问题,提出了一种基于多尺度特征提取和坐标注意力的光学遥感图像超分辨率重建模型.该重建模型基于深度残差网络结构,在网络的高频分支中设计了多个级联的多尺度特征和坐标注意力模块(multi-scale feature&coordinate attention block,MFCAB),对输入的低分辨率光学遥感图像的高频特征进行充分发掘:首先,在MFCAB模块中引入Inception子模块,使用不同尺度的卷积核捕捉不同感受野下的空间特征;其次,在Inception子模块后增加坐标注意力子模块,同时关注通道与坐标两个维度,以获得更好的通道注意力效果;最后,对各MFCAB模块提取的特征进行多路径融合,实现多重多尺度空间信息与通道注意信息的有效融合.本文模型在NWPU4500数据集上2倍、3倍放大中PSNR值达到34.73 dB和30.12 dB,较EDSR分别提升0.66 dB和0.01 dB,在AID1600数据集上2倍、3倍、4倍放大中PSNR值达到34.71 dB、30.58 dB、28.44 dB,较EDSR分别提升0.09 dB、0.03 dB、0.04 dB.实验结果表明,该模型在光学遥感图像数据集上的重建效果优于主流的图像超分辨率重建模型.

夜间遥感场地替代定标的微光光谱仪设计与试验分析

针对目前传统的地物光谱仪对光信号强度要求较高,只能白天使用,无法在夜间使用而导致夜间遥感在轨辐射定标不确定度较高的问题,提出一种将传统光谱仪的CCD(Charge-Coupled Device)探测器与像增强器直接耦合提升光谱仪低照度条件下信息获取能力的技术方案。基于该技术方案的光谱仪可有效实现地面目标光谱信息的夜间测量。相关测试试验结果表明:在入射光源只有月光和星光的条件下,该微光光谱仪可有效实现对地面目标光谱信息的测量,且性能良好稳定,未来可应用于夜间遥感定标、夜间目标光谱信息获取等应用领域,为夜间遥感在轨定标精度的提升奠定技术基础。

利用图模型存储算法依赖关系的方法

在大数据时代,用于数据处理的算法数量呈爆发式增长,当前对大量算法的管理方法通常是对算法分类、打标签或以任务为单位存储由算法构成的流程,对任务集合中的算法间拓扑关系未能给予足够的重视.随着领域知识与任务流程的积累,算法间的依赖关系愈发重要.本文基于巨量算法管理的需求,提出了拆分有分支依赖关系为无分支依赖关系的管理方法,通过免索引邻接图数据库的指针搜寻拓扑关系,避免Join操作,在管理算法依赖关系时具有先天优势.另外为突出算法模块复用能力,提出“连接点”的概念,在图模型中用节点表示依赖关系边,区分算法模块在不同任务流程的位置,使被多个任务复用的算法模块在图中只需用一个算法模块节点表示.最后,基于具体项目验证了本文提出的算法关系管理方法,证明本文算法关系管理方法在算法数量成规模且算法模块高复用的场景下具有明显优势.

基于Node.js的草畜平衡数据中间件设计

牧区草畜资源动态演变可视化系统利用星空地一体化多源草畜资源、自然条件和社会经济等多维信息,实现典型干扰情景约束下的草畜动态平衡模拟的预测推演。为解决草畜平衡预测预报系统、草畜资源动态演变可视化系统及其地图服务系统之间的数据传输、信息交互问题,基于Node.js设计了系统专用数据中间件,实现了预报系统用户操作监控、输入参数转发、推演结果发布、可视化系统控制和数据推送等功能。中间件前后端采用同一种开发语言,有效保证了各分系统之间数据传输的高效性,且维护成本低、系统轻量化,可为同类软件的研发提供参考。

改进粒子群优化算法的高光谱波段选择

高光谱图像具有数百个连续、狭窄的光谱带,光谱范围跨越可见光到红外光,可提供地物的精细光谱属性,对于地物材质和属性的识别分类具有重要应用价值。针对感兴趣目标选择有限的光谱波段进行传输和处理,对于提升高光谱数据处理时效性、以及设计面向特定应用的实用化光谱仪都具有重要意义。而如何结合目标特征选择最优波段成为在提升处理效率的同时保证目标识别或分类精度的必然要求。因此如何从数以百计维度的高光谱图像中选择出具有较好分类识别能力的波段子集是急需解决的问题。提出基于改进粒子群优化算法的高光谱波段选择方法,该方法区别于传统的粒子群优化算法,引入“概率突跳特性”,并设定新解的淘汰机制,将“停滞”的新解进行淘汰,提高了算法的全局寻优性能。然后基于目标光谱特征采用了最优波段选择的优化目标函数,通过改进的粒子群优化算法求解目标函数,并将选定的波段子集反馈到支持向量机(SVM)中执行分类应用。采用两个标准的高光谱数据集(Indian Pines,Salinas)对选择出的波段子集进行分类测试,结果表明该方法相较于现有方法具有较高的分类精度,在几种方法中,传统的粒子群算法筛选出的波段效果最差;该算法筛选出的波段的分类精度最好,两个数据集的分类精度分别可以达到98.1414%和99.0848%。

SWAT模型多目标率定与评价——以梅川江流域为例

基于水文站径流数据的SWAT模型参数率定,尽管在站点处模拟精度较高,但率定参数在空间分布上存在不确定性,尤其当站点稀疏时,参数间补偿作用使模型深受异参同效现象的干扰。利用植被模块多目标率定SWAT模型,可提高总体建模质量。一方面,植被在水文过程中至关重要,对植被模块率定加强了对SWAT中间过程的精度控制;另一方面,植被数据属于面源数据,不同于水文站的点源数据,提高了模型在全空间模拟上的精度控制。以梅川江流域为研究区,考虑径流、作物产量、MODIS LAI等数据对SWAT开展多目标率定,并同径流单目标模拟结果对比分析。结果表明,本方法可明显减弱异参同效对模型结果的影响,降低参数的不确定性,提高模型的模拟精度和稳健性。

面向定量遥感的高分辨遥感综合定标场及其应用

蓬勃发展的信息化时代对于稳定精准的定量遥感信息获取提出了迫切需求。遥感对地物目标信息的精准获取,从根本上取决于对遥感载荷性能及其长期业务运行期间状态变化的综合定标。"十一五"以来,中国科学院定量遥感信息技术重点实验室牵头国内优势单位,系统性设计实现了面向定量遥感的高分辨遥感综合定标技术体系,研建形成"包头高分辨遥感综合定标场"(简称"包头场")。该定标场具有集载荷严格航空校飞、卫星在轨定标与性能检测、产品真实性检验功能于一体的空天高分辨遥感载荷外场综合定标能力,所展现的综合定标与测试功能得到国际对地观测领域的广泛认可,并被科技部授牌为"国家高分辨遥感综合定标场"。本文从高分辨遥感发展趋势下的定标技术需求出发,阐述了包头场的系统构成和各项功能,及其在高分辨率遥感载荷定标和性能评价中的成功应用,以期为遥感科研人员提供参考。

共孔径主被动高光谱三维成像实时处理框架

共孔径主被动高光谱三维成像技术是一种结合激光雷达主动探测和高光谱相机被动成像的新型遥感探测手段,通过共光路设计,降低了主被动数据配准难度,使得实时融合生成三维高光谱影像成为可能。三维高光谱成像实时处理兼具数据密集和运算密集的特点,可编程片上系统软硬件协同设计为其提供了解决方案。而目前软硬件划分多基于定性经验分析设计,难以实现定量化最优设计。针对该问题,提出了一种采用基于权重法的多目标规划模型的可编程片上系统处理框架。该处理框架利用图论模型Ncut准则开展高内聚度、低耦合度的单元分割,并对各单元的软件和硬件实现特性分别进行分析评估,最终面向应用需求,利用多目标规划模型求解最优的软硬件划分方案。利用该处理框架,针对速率优先和功耗优先两种高光谱三维实时成像应用场景,进行了软硬件划分方案的定量化求解与分析,结果表明,在速率优先设计中,相对于传统的设计,处理速率提升了43.4%,而功耗降低了53.5%。

分布式计算系统中的算法集成方法

算法集成是研制建设综合性数据处理分析系统的一项重要内容.本文基于临近空间科学实验支持系统研制实践,针对面向科学研究需求的数据处理分析系统的算法集成问题,设计了一种大型分布式系统中集成多种类、多版本、多功能算法的方法,通过构建算法插件,满足了此类科学实验支持系统并行开发、插件化调用、灵活扩展、更新迭代的要求.采用该方法集成的系统部署在ZStack私有云平台上,通过对临近空间科学实验中多种大气参数、原位探测参数、生态参数的计算分析实验验证了该方法的有效性.

中国陆表稳定目标TOA反射率模型构建方法及验证——以格尔木沙地场景为例

基于伪不变定标场(PICS)的大气层顶反射率(TOA)模型直接计算卫星过境入瞳辐亮度而无需地面测量,为高频次在轨辐射定标及长期性能监测提供了有效技术手段。然而由于严格的空间均匀性、时间稳定性和大气条件要求,现有的PICS定标场均分布在境外而难以满足多在境内成像的国产陆地卫星等定标需求。借鉴PICS的定标思路,本文开展了放宽场地、大气稳定性约束条件的中国陆表稳定目标TOA反射率模型构建方法研究。以中国西北区域的格尔木沙地稳定目标为例,将约束条件放宽至场地面积>3 km×3 km、云覆盖率<60%、空间均匀性<3%、时间稳定性<10%(11年),利用11年的Aqua/MODIS与ECMWF再分析资料分析观测几何及大气参数对TOA反射率的规律性影响,引入地表/大气辐射传输模型中定义的散射角,进一步表征TOA反射率模型中地表—大气间多次散射贡献,构建了一种适用于中国陆表稳定目标的TOA反射率模型。该模型系统偏差小于-0.10%,均方根误差小于0.0084;将Sentinel-2A/B MSI和Landsat 8 OLI的TOA反射率与本文模型计算TOA反射率进行比较,模型计算TOA反射率与Sentinel2A/B MSI观测TOA反射率的平均相对误差小于1.44%,标准差小于1.59%;与Landsat 8 OLI观测TOA反射率的平均相对误差小于1.77%,标准差小于2.11%。验证结果表明本文提出模型的计算值与卫星观测值具有较高的一致性和稳定性,能够应用于其他太阳反射谱段卫星载荷的在轨辐射定标和长期辐射特性监测。

基于点密度与卡尔曼滤波的路面标识线提取方法

提出一种基于邻域点密度和卡尔曼滤波的车载激光点云路面标识线提取与补全方法。该方法由3个部分组成:1)利用时间信息将路面点云数据分割为单条扫描线;2)根据邻域点密度自动生成卷积核以提取标识线轮廓点;3)结合最小二乘算法拟合标识线轮廓,并利用卡尔曼滤波算法填补缺损标识线。经实验验证,最终标识线提取结果的平均中心点位置偏差为0.04 m,平均方向偏差为0.04°,平均完整度为99.69%。该方法降低了点云密度分布不均对路面标识线检测精度的影响,可有效提高标识线检测的完整度。

基于AQUA/MODIS的FY-4A/AGRI传感器热红外通道交叉辐射定标方法

风云四号卫星(FengYun-4A Satellite,FY-4A)是我国新一代静止气象卫星,搭载多通道扫描成像辐射计(Advanced Geostationary Radiation Imager,AGRI)等多种观测仪器。为检验AGRI传感器热红外通道的辐射观测精度,基于AQUA卫星搭载的中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)对FY-4A/AGRI传感器热红外通道开展交叉辐射定标。利用4A/OP辐射传输模型模拟数据计算MODIS和AGRI数据对的光谱匹配因子,提取参考载荷(MODIS)研究区目标观测辐亮度值,并经过空间、时间、光谱和角度匹配后,推算相应通道待定标载荷(AGRI)TOA辐亮度参考值,并与其研究区目标观测值进行对比分析,计算参考值和观测值的相对差异,以此来验证待定标载荷辐射观测值的准确性。结果表明,FY-4A/AGRI热红外通道定标后的辐亮度值相对差异在±10%以内,随着观测天顶角(Viewing Zenith Angle,VZA)差异减小,辐亮度值相对差异较小。当VZA差异小于10°时,辐亮度值相对差异基本保持在±5%以内。

MODTRAN夜间辐亮度模式适用性分析与评估

MODTRAN(moderate resolution atmospheric transmission)的夜间辐亮度模式能够模拟夜间月球辐射传输,但是该模式中的月球辐照度模型在月相函数、月球反照率、日月距离以及地月距离的获取或计算方法上相对简略,导致月球辐照度模拟精度较低。利用扰动分析方法评价MODTRAN月球辐照度模型对月球模型参数的敏感性,结果表明影响MODTRAN月球辐照度模型精度的主要参数为地月距离、月相函数、月球反照率。为了分析MODTRAN月球辐照度模型适用范围,利用月球辐照度模型MT2009(Miller-Turner 2009)和SeaWiFS(sea-viewing wide field-of-view sensor)星上对月观测数据作为基准,对MODTRAN月球辐照度模型进行比较分析。结果显示:1)当波长大于0.675μm时,该模型模拟结果与2种辐射基准结果更为接近;2)月相角绝对值小于30°时,地月距离为390000 km处附近的相对差异小于10%;3)月相角绝对值大于30°时,远地点附近的相对差异更小,当月相角范围在-41°~-30°/30°~41°时,远地点处最大相对差异在10%左右。研究表明MODTRAN夜间辐亮度模式只有在有限几何条件下适宜开展微光遥感载荷定标工作,以此为基础,未来将对MODTRAN的月球辐照度模型进行改进以便将MODTRAN充分利用到微光遥感中。

基于动态图结构学习的多参数时间序列异常检测模型

为了对多参数时间序列异常检测进行研究,针对现有研究对时空耦合特征挖掘不够充分的问题,使用若干基于深度学习的方法,提出了一种基于动态图结构学习的多参数时间序列异常检测模型。动态图模型(Dynamic Graph Model,DGM)使用基于图神经网络和长短时记忆网络的方法,在构建图数据结构时采用单向动态图构建方式,对现有研究多采用的静态图构建的模型进行了改进。首先在图学习层中加入了随着模型训练而学习的超参数,使图结构能够进行自适应学习和调整;其次使用长短时记忆模型进行时空耦合特征挖掘;最后使用基于循环神经网络预测和基于变分自编码器重构相结合的方法进行异常检测。采用SWaT数据集对模型进行了测试,将动态图模型与目前常用的其他6种静态图模型进行对比,F1综合性能提升超过3个百分点,验证了动态图模型的有效性。

光学遥感卫星在轨绝对辐射定标:进展与趋势

在轨绝对辐射定标是光学遥感卫星数据定量化应用的前提。载荷上天后,由于星上定标基准传递链路复杂,实现难度大,而以地面目标测量为参照基准的场地定标受尺度效应、大气条件、环境变化等不确定因素影响,时至今日,遥感载荷在轨定标的精准性、一致性、可追溯性问题,仍属亟待解决的国际难题。对此瓶颈问题的突破在于利用“定标星”搭载空间辐射基准载荷,通过与其他卫星载荷同时观测目标场景的方式,将高精准的空间辐射测量基准从天基标准辐射定标系统向光学遥感业务卫星传递,并准确核算传递路径中各环节的不确定因素,保证不同遥感卫星数据产品质量的高一致、可追溯。本文从光学遥感在轨辐射定标技术需求出发,回顾了星上定标、场地定标、交叉定标、月球定标等光学遥感卫星主要在轨辐射定标方法的发展历程及技术挑战,介绍了当前国际前沿的空间辐射测量基准传递定标技术,其将可溯源至SI的辐射基准源引入少量基准卫星,通过同时观测相同地月目标场景的交叉定标方式将统一的高精度空间辐射测量基准传递至多系列卫星,在大幅度提升定标整体水平的同时,保证多源卫星数据质量的高一致性与高稳定性。