基于GF-1卫星WFV数据的潘家口水库水质参数遥感估算模型研究

为全面掌握潘家口水库水污染的真实状况,支撑库区近年来开展的水环境综合治理工作。本研究基于2016年10月11日高分一号卫星数据和实测数据,和潘家口水库30个实测水质样本,建立了叶绿素a和溶解氧的遥感估算模型,精度评价结果表明,叶绿素a和溶解氧估算模型总体平均相对误差为19.1%,可满足库区水质监测评估需要;试验期内根据遥感模拟结果发现,水库上游水质情况相对较好,中下游水质情况相对较差,库区水质情况与库区投饵网箱数量、周边生活污水排放量和工矿区污染源密切相关。本研究为库区水环境治理工作积累了一期关键的空间全覆盖的水质遥感监测成果,同时也可为未来库区水质业务化监测提供新的技术手段。

中国西南地区石漠化对玉米旱灾风险的影响

为做好喀斯特地区农业旱灾风险防范,揭示石漠化程度对作物旱灾风险的影响机制。该文基于灾害系统理论,引入基于物理过程的农作物模型EPIC(erosion productivity impact calculator),考虑西南喀斯特地貌背景,以水分胁迫累加值作为致灾因子,与玉米产量损失进行脆弱性曲线模拟,基于此开展不同石漠化程度区玉米旱灾产量的致灾和成灾损失风险评估。结果显示,中国西南喀斯特地区玉米受旱减产的风险呈现从西北到东南增加的趋势。在4种风险水平(2、5、10、20年一遇)下,面积占比最大的产量损失率主要集中分布在0.4~0.5区间内,这主要由地形地势、降水差异和承灾体的脆弱性所共同决定的;受石漠化影响,土层厚度为40 cm时,4种风险水平对应的减产率分别为5.8%、6.1%、7.8%、8.2%;该研究可以为中国第三大玉米主产区-西南山地玉米区的农业灾害预警和保障国家粮食安全提供重要的科学依据和技术支持。

基于虚拟地球的电离层电子密度时空多维可视化方法

针对多维多时相电离层电子密度数据在Web环境中传输困难而无法满足实时可视化需求以及传统面绘制方法无法反映原始数据场全貌的问题,从电离层电子密度源数据处理出发,使用视频压缩编码方法,实现时间序列数据的高效传输;借助WebGL可编程渲染管道,提出基于GPU加速的电离层电子密度光线投射体绘制方法,并采用自适应步长采样和早期光线终止法,提高可视化质量与体绘制效率;最后,基于开源虚拟地球平台Cesium,实现电离层电子密度的多层动态交互式可视化,验证所提方法的可行性和有效性,为电离层电子密度的科学可视化和辅助研究提供技术支持。

利用手持激光点云的矿区自然林树干提取

为了定量刻画矿区复杂环境下自然林树木的三维结构信息,提出一种利用手持激光扫描仪的矿区自然林树干点云识别方法。借助手持激光扫描仪对矿区自然林进行扫描,在滤除地面点的基础上,引入多尺度垂直度特征进行矿区自然林树干识别,利用八叉树叶节点聚类方法对识别的树干进一步提取。通过矿区实测数据进行实验,结果表明,所提出的方法能够实现矿区自然林树干的识别,对矿区复杂环境下自然林树木的三维结构信息定量刻画、厘清矿区植被生长状况具有一定的参考价值。

2000～2012年青藏高原湖泊水面时空过程数据集遥感提取

以MODIS MOD09Q1为数据源,构建了一种结合湖泊水面缓冲区边界分析和逐个湖泊确定分割阈值的湖泊水面信息提取方法,并利用该方法提取了2000—2012年间青藏高原每期间隔8 d的面积大于1km2湖泊水面数据集。精度分析结果表明,该文方法提取结果相对于研究中基于30 m空间分辨率Landsat TM得到的133个抽样湖泊水面面积结果,总精度为93.98%;与近年来其他研究人员在纳木错、青海湖和色林错等典型湖泊得到的遥感监测结果对比,无论在日、月及年尺度上,均具有非常高的一致性;而与第二次全国湖泊调查结果相比,整个高原区面积大于1 km2的湖泊数量仅相差11个、面积误差仅为4.74%。该论文为大范围、长时间序列单一地物(水面、植被、城镇等)分布面积提取提供了方法参考,也为开展青藏高原近10a多来湖泊变化研究提供了可靠的基础数据。

遥感的科学推动作用与重点应用领域

在调研国内外遥感案例的基础上,论述了遥感在推动地球系统科学发展方面的作用,及在我国的重点应用领域。遥感催生了全球变化研究,使得人类得以从新的视角来探索地球上的生命未来;遥感推动了地球科学从定性到定量、从描述到分析、从单站点到多时空尺度的变革,诸多新兴交叉学科应运而生。遥感是应用驱动的,一致性及可对比性是定量遥感的核心,也是遥感深化应用的基础。遥感应用于众多领域,但不同的国家基于各自的国情有不同的侧重点,其中,维护国家全球利益、灾害快速响应与灾后评估、第三方独立监督、保障国防安全是我国的应用重点。

基于物候特征的植物光谱识别方法研究

光谱分析对于植物识别特征与机理研究具有重要意义,长期以来在植被光谱的叶绿素吸收特征、水分吸收特征、红边效应、光谱波形参数提取、波形转换、以及植被叶面结构和化学组份对光谱的影响方面进行了大量研究,而在植物因季节变化引起的叶面结构、叶绿素、叶面积指数变化而产生的光谱变化研究较少。通过开展对不同生活型、叶面结构与大小、物候特征的11类植物季节生长过程的地物光谱观测,提取植物的归一化植被指数NDVI、包络线去除后的绿波段最大光谱吸收深度、红波段最大光谱吸收深度参数,对该参数时间过程曲线的均值、变幅、斜率进行分析,研究植物生长期和成熟期特征参数的植物光谱可分性研究。提出了植被光谱区分度的参数运算方法,利用该参数进行植被识别能力分析。结果表明:植物生长过程的光谱特征比成熟期的光谱特征更容易区分。在相同参数对比中,生长期植物区分度比成熟期区分度高出三个点。在植物生长过程中,总体上植被的季节变幅区分度>斜率区分度>均值区分度,而对于NDVI参数季节变化,植物季节斜率区分度最大。所以利用植物的季节NDVI斜率、绿波段最大光谱吸收深度的季节变幅、红波段最大光谱吸收深度的季节变幅进行植物的识别效果最佳。

气候变化对南极冰面湖的影响研究:以埃默里和拉森A冰架为例

冰面湖作为区域气候变化的灵敏指示器,对研究全球气候变化背景下南极冰冻圈的稳定性具有重要意义。本文基于2000—2019年区域气象数据、LandsatETM+/OLI影像与LIMA(LandsatImageMosaicof Antarctica)镶嵌影像,选取东南极的埃默里冰架和西南极的拉森A冰架作为研究区,采用归一化水体指数(Normalized Difference Water Index, NDWI)提取冰面湖面积信息,对冰面湖面积与气象数据开展遥相关分析,探索冰面湖与区域气候变化的联系。结果表明:埃默里冰面湖总面积较为稳定并有减小趋势,拉森A冰面湖总面积则呈增加趋势;冰面湖与气温和海温之间存在正向反馈特征;两个冰架区域的反馈特征规律明显不同,埃默里冰面湖面积受气温影响显著,但受海温影响并不明显,而拉森A冰面湖则对海温变化敏感,其面积与海温变化趋势一致。

早期考古发掘遗址重定位方法研究

空间位置是考古遗址的重要属性。中国早期考古发掘受技术设备等因素限制,部分已经发掘并回填的遗址因缺少准确的空间定位信息,为后续研究和保护带来极大不便。利用已有考古发掘记录、文献资料、高分辨率遥感影像和早期地图等多元信息,基于GIS技术,构建早期考古发掘遗址重定位的方法模型。以河南省辉县孟庄遗址为例,利用多元地理信息综合定位方法进行试验分析和应用。结果表明,该方法很好地控制了遗址空间位置和分布的模糊度及不确定性,能够为遗址复探、遗址保护规划方案的编制和再研究提供支持。

基于无人机密集匹配点云的黄河流域矿区植被提取

黄河流域是我国重要的矿产资源分布区域。长期以来,矿区的高强度开采引发了水土流失、植被退化等一系列问题,而植被作为矿区生态系统的能源动力,有着巨大的固碳速率和潜力,精准获取及监测矿区植被生长状态对黄河流域生态保护与高质量发展具有重要意义。提出一种无人机密集匹配点云矿区植被自动提取方法,通过无人机搭载的数码相机获取矿区序列影像,经特征提取、空三测量、多视影像密集匹配,重建矿区三维点云,利用匹配点云具有丰富的地物光谱特性,构建点云的差异植被指数DEVI,通过Otsu阈值法自动求取全局阈值,从而实现矿区植被点云的自动提取。选取黄河流域河南段某矿区进行实验,实验结果表明:植被提取的总体精度为96.40%,Kappa系数为0.927 1,可实现无人机密集匹配点云中的植被立体信息有效提取,为基于低成本无人机摄影测量进行矿区植被立体监测研究提供一种可行方法。

基于ICESat/GLAS数据的中国典型区域SRTM与ASTER GDEM高程精度评价

航天飞机雷达地形测绘(shuttle radar topography mission,SRTM)和先进星载热发射和反射辐射成像仪全球数字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model,ASTER GDEM)提供了全球覆盖面积最广的数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据,但其高程精度还未得到充分验证,传统地面测量方法很难适用于验证大面积范围的DEM精度.以冰、云和陆地高程卫星/地学激光测高系统(ICESat/GLAS)高程数据为参考,综合利用地理信息系统(geographic information system,GIS)空间分析、三维可视化与统计分析方法,对中国典型低海拔沿海平原地区和高海拔山地的两种DEM数据高程精度进行了对比分析.结果表明,高程值小于20m的低海拔地区,SRTM高程精度达到2.39m,ASTER GDEM的精度达到4.83m,均远远高于这两种数据的标称精度;而在西南山地,这两种DEM的精度大约为20m,与标称精度相当.最后,建立了ICESat/GLAS与SRTM和ASTER GDEM的一元线性回归模型,该模型具有较高的拟合度和显著线性关系,可用于改善这两种DEM的高程精度.

关于西北地区的自然灾害链

基于灾害系统理论,根据中国省级报刊灾害数据库(1949-2005年),构建了我国西北地区主要的灾害链:干旱灾害链(分为高温-干旱灾害链、旱灾-虫灾-病害灾害链、旱灾-大风-沙尘暴灾害链)、地震灾害链和寒潮-雪灾灾害链的成灾模式。分析表明:降水少、纬度高、沙漠戈壁广布、山脉与盆地、高原与平川相间等是旱灾灾害链发生、发展的主要原因,灾情随灾害链过程放大,受承灾体脆弱性累积加重。提出干旱内陆区的上游山区加强水源保护,半干旱草原区防治荒漠化、沙化,黄河流域中上游区防治水土流失等区域模式。同时以案例形式分析了地震灾害链和寒潮-雪灾灾害链的致灾、成灾模式,提出了相应的减灾对策,为减灾提供科学依据。

拔节抽穗期不同时长干旱胁迫对水稻冠层光谱特征的影响

基于水稻干旱胁迫试验,采用ASD(Field Spec Pro FR2500)光谱辐射仪测定水稻拔节期和抽穗期不同时间尺度(10d、20d)干旱处理与对照(正常处理)的冠层光谱反射率,对干旱胁迫下水稻冠层光谱变化规律、植被指数、水分指数、导数光谱特征进行分析。结果表明:水稻拔节期和抽穗期干旱胁迫后冠层光谱反射率与对照(CK)相比,可见光、近红外波段反射率均显著减小,短红外波段反射率显著增加,导数光谱红边位置均向短波方向推移,红边面积和红边斜率均显著减少,复合构建的6种植被指数或水分指数呈下降趋势,四波段水分指数(SRND)、归一化差异红外指数(NDVII)下降幅度最大;与CK相比,拔节期干旱胁迫20d和抽穗期10d的水稻冠层对可见光、近红外波段的反射率极显著降低,对短红外波段反射率极显著升高,在此阶段红边特征参数、植被水分指数减少幅度最低。研究结果可为利用高光谱遥感技术快速无损监测水稻干旱灾害提供技术支持。

华北及临近海域夏季不同降雨量下气溶胶光学厚度与云滴有效半径的关系

利用2008—2012年MODIS和TRMM卫星遥感数据产品逐日资料,分析华北地区及临近海域气溶胶光学厚度的月变化,以及夏季不同降雨量下气溶胶光学厚度与云滴有效半径的关系。结果表明:华北地区及邻近海域气溶胶光学厚度呈明显的季节性变化,陆地上夏季最大、冬季最小,海洋上春季最大、秋季最小;海洋上的气溶胶光学厚度小于陆地。陆地上,夏季气溶胶光学厚度与水云云滴有效半径呈显著正相关,在海洋上二者呈显著负相关,且相关性随降雨量的增加均增大。陆地上,夏季气溶胶光学厚度与冰云云滴有效粒子半径在小雨下呈显著负相关,在中雨和大雨下呈正相关;海洋上,气溶胶光学厚度和冰云有效粒子半径呈显著负相关,且相关性随降雨量的增加而减小。

利用全卷积网络提取Sentinel-2影像高低层建筑区

面向Sentinel-2多光谱数据,依据影像地物空间结构和地表实际功能类型将建筑区分为高层建筑区和低层建筑区,构建了一种基于全卷积网络模型的高、低层建筑区快速提取技术。在此基础上,以雄安新区及其周边为试验区,选取2017年3月获取的4景Sentinel-2多光谱数据进行试验验证和分析。结果表明:本文技术能够实现大范围区域内高层和低层建筑区的快速提取,总体平均提取精度达到95.30%,其中高层建筑区平均提取精度为99.22%,低层建筑区平均提取精度为91.38%,该技术明显优于现有基于纹理结构的高低层建筑区提取方法。通过对提取结果进行统计分析发现:约4.4×104 km2的研究区内高层和低层建筑区分别约为94和7351 km2;雄安新区中心三县内高层和低层建筑区分别约为1.25和312.24 km2。本文技术具有很好的推广性,结合Sentinel-2数据大幅宽高频次观测特点和更多类型建筑区样本,可以实现大范围地表多类型建筑区动态监测。

青藏高原MODIS逐日无云积雪面积数据集 (2002-2015年)

青藏高原积雪对于能量和水循环起着重要的反馈和调节作用,其消融过程也直接影响着融雪性河流流量的变化,积雪的存在以及长时间变化等也是区域气候、生态和灾害的影响和响应敏感因素之一。中分辨率成像光谱仪(MODIS)具有高时空分辨率的特点,被广泛应用于积雪遥感动态监测。青藏高原地区积雪的赋存变化较快,高原周边高山区具有冰雪资源丰富,大气对流活跃等特点,而光学遥感往往受云的影响,在日时间尺度上积雪覆盖监测需要考虑去云问题。在充分考虑青藏高原的地形和山地积雪特征的情况下,本套数据集采用了多种去云过程和步骤相结合,逐步实现保持积雪分类精度的情况下,完成逐日积雪的云量消除,形成了“青藏高原MODIS逐日无云积雪面积”的逐步综合分类算法,完成了“青藏高原MODIS逐日无云积雪面积数据集(2002~2015年)”。论文选取2009年10月1日至2011年4月30日中的两个积雪季为算法研究和精度验证试验数据,采用研究区145个地面台站提供的雪深数据作为地面参考。结果表明,在高原地区,当积雪深度>3 cm时,无云积雪产品总分类精度达到96.6%,积雪分类精度达89.0%,整个算法流程对MODIS积雪产品去云的精度损失较低,数据可靠性较高。

2001—2017年尼泊尔中部地区滑坡变化及其影响因素

滑坡是造成尼泊尔巨大经济损失和人员伤亡的主要地质灾害。目前,遥感方法对滑坡信息的识别、提取和监测具有巨大的潜力。基于随机森林模型的平均不纯度减少算法,选用NDBI、MNDWI、NDVI和红波段4个参数对Landsat遥感数据进行滑坡信息的初提取,同时借助目视解译得到滑坡的精提取结果。采用数据格网的方法将研究区划分为0.05°×0.05°的滑坡格网,并在不同土地覆盖类型中,对滑坡与降雨和温度进行偏相关分析。研究表明:1)尼泊尔中部地区的滑坡主要分布在海拔1000~2500 m,坡度20°~40°的范围内;2)相比其他土地覆盖类型,林地中滑坡数目与降雨的偏相关系数为0.6715,而在草地中滑坡数目与温度的偏相关性最强,其偏相关系数为0.4361;3)研究区片麻岩、页岩分布广泛,加之地震、断裂带、人类活动的影响,破坏边坡的稳定性,极易造成滑坡灾害。

基于车载激光扫描数据的城区道路自动提取

提取准确的道路信息对城市规划和数字城市制图具有重要意义。利用高密度车载激光扫描数据,针对无法以路沿作为道路边界的情况,提出一种基于边缘线检测的道路自动提取方法。先利用平面检测算法对分段后的路面完成粗提取,在此基础上,分析道路边缘线与相邻两侧路面在激光反射强度与几何性质上的差异,通过设定合理阈值提取边缘线上的点云,最后对离散边缘点进行曲线拟合完成道路精提取。利用实际获取的城区车载点云数据验证表明,该方法提取道路的正确度、完整度和提取质量等均高于90%,特别是对无明显路沿的道路,可有效识别出道路边缘线。

高分辨率SAR辐射定标中两种角反射器响应测量方法的应用对比研究

利用角反射器进行SAR图像辐射定标是一种简单、实用、精度较高的绝对定标方法。其关键技术包括角反射器响应测量、天线方向图拟合和定标常数确定。针对机载分米级高分SAR影像定标问题,在同一场景中布设了30和10cm两组三面角反射器,依据雷达中心入射角估计值、均方根误差和变异系数等指标,分析了已有的两种角反射器响应测量方法,即峰值法和积分法的适用性,并提出了一种新的天线方向图拟合方法。最后给出了两种方法对高分辨率SAR辐射定标的适用性结论。

水稻模拟模型在高温敏感性研究中的应用

以调试校正较高精度的ORYZA2000模型参数及高温敏感性模拟验证为目的,为模型适应性和本地化提供依据,利用江苏省9个试验点5个水稻(Oryza sativa)品种的田间观测数据及当地逐日气象数据,采用ORYZA2000最新版本(V2.13)水稻生长模型,首先挑选出5个试验点3个品种的观测数据进行模型参数适应性调试校正,确定了水稻发育生长阶段的各项参数,然后用该参数对独立样本的4个试验点2个水稻品种地上部分各器官生物量、叶面积指数动态变化过程及最终产量进行了动态模拟。通过t检验和质量评价指标对模拟结果进行了显著性检验。利用通过检验的模型及其参数在假设环境温度不同时间段的持续升高条件下,开展了高温对水稻生物量及产量影响的模拟研究,模拟结果的影响幅度与实际高温处理结果的影响幅度进行了比较。结果表明:1)经过调试校正获得较高精度的水稻发育阶段各参数,较准确地模拟了水稻生物量和叶面积指数的动态累积过程,模拟值与观测值基本一致,说明校正后参数的合理性和有效性;2)调整参数后高温敏感性模拟结果表明,孕穗期到开花期温度连续3天、5天、7天升高到35℃时,总生物量、穗生物量和总产量与对照(CK)相比分别下降了12%–25%;不同时间段连续升高到38℃时下降18%–31%;不同时间段升高到41℃时,各生物量与对照相比分别下降了20%–38%。模型模拟值与控制试验室的观测数据的下降幅度基本一致,表明经过参数校正的ORYZA2000可以应用于水稻对气温升高响应的预测。