区域干旱遥感监测模型研究进展

简要介绍应用遥感手段进行区域干旱监测的科学意义和应用价值,按照波段划分,将区域干旱遥感监测模型和方法归纳为热红外、可见光-近红外-热红外和微波三个部分,分析了目前的模型与方法中存在的问题和难点,应用遥感数据源反演地表参数带来误差及地面实验验证模型等需要解决的问题,最后对未来的工作和研究重点提出建议。

定量遥感地表净辐射通量所需大气下行长波辐射估算模型改进

利用半湿润季风气候类型夏季近地层气象观测资料,对得到广泛应用的十种晴天大气下行辐射估算模型和两种昙天大气下行辐射估算模型进行检验。指出其中Iziomon(2003)晴天大气下行辐射估算模型是半湿润季风气候类型夏季较适用的估算模型。然而,在有云天空,Iziomon(2003)昙天估算模型误差比较大。本文依据实测资料,对Iziomon(2003)昙天大气下行辐射估算模型进行修正,修正后的模型估算值与实测值非常接近。由于应用常规气象站的大气温湿度来估算大气下行辐射仅代表近地层大气对其的贡献,不能反映整层大气的贡献,尤其在近地层与高空大气的水汽状况不一致时,上述模型将有较大的误差。为此本文结合Iziomon(2003)晴天模型中大气比辐射率的表达式,提出了运用红外辐射计以37°高度角对天空的观测值,来推算大气下行辐射的新方法。小汤山的试验数据表明,新模型的反演精度优于上述传统模型。

基于景观结构的遥感影像超分辨率制图

尺度问题是基于遥感信息的土地覆盖分类中的一个核心问题,利用低空间分辨率数据得到高分辨率分类结果的向下尺度转换又是其中的难点。遥感影像超分辨率制图是近年发展起来的用于分类向下尺度转换的新方法,可由低空间分辨率遥感数据得到高分辨率的硬分类结果,弥补了传统的通过混合像元分解进行向下尺度转换时不能得到亚像元具体空间位置的不足。但现有超分辨率制图方法对小斑块、具有平直边角的形状或线形地物制图能力普遍较差。文中提出一种基于景观结构的超分辨率制图方法并将其用于模拟景观和真实景观的超分辨率制图。结果显示该方法可用于大斑块、小斑块共存景观的超分辨率制图,且制图结果不确定性低,算法简单,对研究区的先验信息要求低。基于景观结构的超分辨率制图改善了现有方法,为遥感影像土地覆盖分类向下尺度转换提供了一种简易可行的新选择。

基于Multigen/Vega的校园VR仿真系统的实现——以中国矿业大学为例

虚拟现实技术对于城市规划和城市的可持续发展有着非常重要的意义,它的长足进步,为真实景观的再现提供了有效手段。本论文在已有的二维地理信息系统数据的基础上进行校园数据的获取与组织,利用虚拟现实技术实现校园全景的三维重建,采用层次型与面向对象相结合的三维数据结构,构造了校园全景的仿真模型,并实现了校园全景的驱动显示,为校园规划和可持续发展更可靠的保证。

使用单窗算法研究北京城区热岛效应

随着全球变暖和城市化进程的加快,大城市城区的热岛效应日益严重。城市下垫面对地表能量交换的影响巨大,引起地表温度分布的不均一性。遥感技术的发展为地表温度的反演提供了可能。近年来人们使用劈窗算法对均一的海面温度的反演很成功,但是受空间分辨率的限制以及陆面的不均一性,陆面温度的反演一直是一个没有解决好的问题。覃志豪提出了一种TM热红外波段单窗算法,可以利用辅助气象资料快速计算出地表温度。本文以北京市城区为研究区,采用LandsetETM第6波段的单窗算法,反演了亮度温度和地表实际温度,分析了城市下垫面情况下NDVI与地表温度的相关关系,并解释了北京城区热岛在空间上的分布及其可能的原因。结果表明:北京市城区热岛效应显著;地表温度与NDVI相关性显著;城区绿地和水体在区域的温度分布中起到重要作用。

我国典型地物标准波谱数据库数据管理子系统设计与开发

地物标准波谱数据库中的地面测量的波谱数据为高光谱数据,而一条波谱数据不仅包括各个波段和反射率的信息,还有数据说明及配套参数的信息。我国典型地物标准波谱数据库中存储了大量的地面测量数据,如何对这些海量数据进行有效的管理并呈现出来,是波谱库维护工作所必须解决的问题。该文主要介绍和探讨了如下几个问题:波谱数据的流程;采用回收站的机制在库中管理单条和成批的波谱数据;对于一条波谱数据的数据说明和配套参数信息一次不能彻底删除的问题采取定期清除库中的冗余数据的办法解决;统计库中数据及其使用情况;采用多种方式完整呈现一条波谱及配套参数信息。并编程在Oracel9i、Windows2000Server和IIS平台上用Asp实现。

遥感影像超分辨率制图研究进展

尺度问题是土地覆盖分类中的一个核心问题,向下尺度转换又是其中的难点。混合像元分解可以得到亚像元尺度的类别组分百分比,但无法求得亚像元的具体位置。遥感影像超分辨率制图是由粗空间分辨率的影像得到高空间分辨率分类结果图的技术,可用于地表分类向下尺度转换,近年来该技术已成为遥感影像分类和尺度转换领域的研究热点。对超分辨率制图研究进展做了详细论述,从超分辨率制图的发展和研究现状、主要方法、精度评价等几方面进行了详细阐述,并分析了当前超分辨率制图算法存在的主要问题,以及可能的研究重点和发展空间。

陆地植被二氧化碳通量尺度扩展研究进展

定量的估计陆地植被的光合作用,是估算作物产量和净初级生产力的基础。简要介绍了当前国内外CO2通量观测研究的方法以及与尺度问题有关的一些地学问题,重点阐述了陆地植被气孔导度模型和光合作用模型的尺度扩展以及尺度转化方法,总结了从植被叶片尺度到冠层尺度的4种尺度扩展模型(大叶模型、多层模型、两片大叶模型以及多层—两片大叶模型)以及从冠层尺度到群落尺度的尺度扩展方法,并对上述模型和方法的适用范围、应用优势以及存在的问题等进行了分析和讨论,指出对不同的研究对象,选择合适尺度的模型和参数是研究成败的关键。

基于水体指数的密云水库面积提取及变化监测

密云水库作为北京市惟一的地表饮用水源地,监测其水面的变化可服务于政府的管理和决策。本文在分析地物光谱特征的基础上,利用TM影像的短波红外波段(TM5)和红光波段(TM3),构造了修订型归一化水体指数(RNDWI)来提取水库水面。RNDWI法能够削弱混合像元因素和山体阴影的影响,精确地提取出水陆边界,甚至可以提取出狭窄条状水体。比较RNDWI、改进归一化差异水体指数(MNDWI)及单波段法的水库水面面积提取精度,发现单波段法精度低,MNDWI法精度高,而RNDWI法精度最高。并基于RNDWI法利用TM影像监测了密云水库近二十年的水面面积动态变化,1996年时面积最大(152.306km2),近十年水库面积逐渐减少,2004年面积最小(56.632km2)。

基于过程模型的长白山自然保护区森林植被净第一性生产力空间尺度转换方法

净第一性生产力(Net Primary Productivity,NPP)是反映林分和生态系统结构特征的最重要的参数之一,其空间分布可为自然资源管理和可持续发展提供高度综合的信息,是全球变化和碳循环研究中的一个非常重要的组成部分。为了得到NPP的空间尺度转换算法,利用改进的北部生态系统生产力模拟模型(Improved Boreal Ecosystem Productivity Simulator,IBEPS),分别采用高分辨率(30m)的ETM+和低分辨率(1km)的MODIS遥感数据,模拟了长白山自然保护区不同分辨率森林植被的净第一性生产力。对模拟得到的30m分辨率的NPP结果,采用尺度上推(upscaling)的方法将其转换为1km分辨率的NPP结果(分布式的NPP,Distributed NPP),并将转换后的NPP与直接利用1km分辨率的遥感数据计算得到的NPP结果(聚合式的NPP,Lumped NPP)进行比较,以分布式模式计算的结果为基准,对聚合式的计算结果进行尺度效应校正。在对NPP进行尺度效应校正时,根据不同分辨率下土地覆盖类型(Land cover)的亚像元面积比信息,采用基于结构的分析方法对模拟的NPP结果进行校正,结果表明经过尺度效应校正后NPP的模拟精度要比原始的NPP计算精度有所提高,相关系数从校正前的0.898提高到0.960,标准偏差由校正前的49.84gC/m2减小到41.02gC/m2。采用这种方法可以很好的解决大尺度遥感应用的需要,为定量遥感分析和应用提供理论基础。

中巴地球资源02星数据特性分析

卫星遥感图像数据特性分析是图像使用前重要的一步工作。利用归一化、单变量统计、类内和类间方差比值以及空间分辨率识别等数据模型分析了中巴地球资源卫星02星(CBERS-2)CCD相机数据的相对反射率波谱曲线变化特性、整幅图像的方差特性、作为分类训练区的样本地物的统计量特性和对空间地物识别的敏感性,并与LANDSAT7/ETM+图像进行对比。通过这些数据模型的应用研究,试图提供一种进行遥感图像数据特性分析的方法。

地表温度和地表辐射温度差值分析

依据实验数据,研究利用标准黑体源对红外辐射计测定值进行标定的方法;分析天空比辐射率的变化特性;计算天空环境辐射,与长波辐射计测定值进行比较;推算考虑天空环境辐射和地表比辐射率后的地表温度,研究地表温度与地表辐射温度的差值.结果表明:①地表辐射温度未经标准黑体源标定与标定后的差值绝对值在0.1～1℃之间;②天空比辐射率的变化范围为0.75～0.85,不同下垫面天空比辐射率日变化趋势非常一致;③用空气温湿度计算的天空环境辐射与长波辐射计测定值的差值较小,相对误差平均为3.1%,但是天空37°热红外辐射计观测值与长波辐射计测定值差值较大,相对误差平均值达到38.1%;④地表温度高于地表辐射温度,差值在0.2～1.5℃之间.

基于L-THIA模型的密云水库地区非点源污染空间分布特征

农业生产营养物质的输出是造成水环境污染的重要原因之一。该文以北京密云水库周边地区为研究区域,基于土地利用、土壤以及降水等下垫面信息,利用长期水文影响评价(T he Long-T erm Hydro log ic Im pact A ssessm en t,L-TH IA)模型,估算研究区内污染物的长期平均输出负荷,并分析其空间分布特征。研究结果表明:不同土地利用类型的污染物输出负荷是不同的,其中以农用地对研究区内非点源污染的影响最大。结果表明,在流域规划和管理中使用L-TH IA模型分析农业非点源污染的空间分布是可行的。

利用辐射度模型模拟玉米冠层辐射分布

随着遥感研究的深入和计算机技术的提高,地面目标二向性反射分布函数(BRDF)的研究不断深入,计算机模拟模型因其对植被结构的细致描述并能更真实模拟光线与植被冠层之间的相互作用,受到越来越多的学者重视。本文以2000年在中国科学院栾城生态系统试验站测量的夏玉米为例,在对玉米三维结构进行实地测量的基础上,利用扩展的L系统对生长期的玉米进行建模,进而应用基于真实结构场景的辐射度模型(RGM)计算了玉米场景的二向性反射率因子(BRF),对模拟结果与实测结果进行了分析与比较,结果显示两者之间具有较好的一致性。证明辐射度模型用于植被冠层光辐射分布模拟是行之有效的,可以为波谱库提供可靠的多角度数据,并为进一步冠层辐射分布的研究工作奠定了基础。

BRDF模型参数分阶段鲁棒性反演方法

遥感BRDF物理模型均建立于一定的假设或基于某些理想状况,其模拟的数据与观测数据之间多少会存在一些差异(误差)。利用BRDF模型反演地表参数时,如果不加选择地使用所有观测数据,势必会影响模型参数反演的准确度。遥感反演时一般都采用代价函数进行参数拟合。经典的最小二乘(LS)拟合代价函数对正态分布误差具有一定的抗干扰性,但是当观测数据含有异常值时却会导致反演结果的不稳定。最小中值平方(LMS)方法具有鲁棒性特点,反演时若将其作为代价函数,则可以有效地检测出观测数据中含有的异常值,从而可以使模型反演准确度提高。本文以遥感BRDF物理模型———SAIL模型为例,使用模拟数据与真实地面观测数据,构建LMS与LS两种代价函数,分阶段地进行地表参数的反演方法研究。结果显示,针对具有一定误差或模型不能完全表示的观测数据,本文采用的分阶段方法可以对模型参数鲁棒地反演。

野外波谱测量应注意的几个问题

野外波谱测量看起来比较简单:通过同时观测目标和参考板的反射能量的对比来完成。但是不同的波谱测量方式,同一目标会产生不同的测量波谱,无法回答哪个是最接近目标波谱物理性质。主要问题是正确的波谱测量方式是保持被测目标和参考板的光照条件、背景环境等要素要完全一致,但是有时无法保持完全一致,如河流水体波谱的测量等;另外对于采集下的植被叶片的波谱测量,叶片随时间变化测量结果差异很大,问题是活体的叶片内部结构随时间产生变化。本文给出了不同测量方式,不同环境背景和不同时间下同一目标波谱的测量结果,这些波谱的对比分析对深刻理解野外波谱测量数据、改进测量方法的设计有很大帮助。

叶片非朗伯特性影响冠层辐射分布的辐射度模型模拟与分析

在大量的植被冠层遥感模型中,辐射度模型作为一种计算机模拟模型具有很多优点,它对理解植被—辐射相互作用过程和研究植被冠层辐射机理具有重要的理论价值。传统的辐射度模型假设冠层内叶片为朗伯体。但随着对叶片特性的深入研究发现,叶片的反射特性不能单纯的看成是理想漫反射过程。为了消除传统辐射度模型的朗伯假设,完善辐射度模型,本文利用Phong光照模型模拟叶片表面非朗伯(镜面反射)部分的分布特性,在基于真实结构冠层场景的辐射度模型(RGM)的基础上,增加了叶片镜面反射分量的计算。文中以玉米冠层为例,比较并分析了叶片的镜面反射分量对冠层辐射分布的影响。最后,从辐射度模型原理出发,进一步推导得出了计算冠层镜面反射分量的辐射度公式,从理论上证明了在可见光—近红外区的冠层镜面反射分量与波长无关。本文使用的方法具有简单、易于实现的特点。经过扩展后的辐射度模型既保留了传统辐射度模型的优点,又增加了该模型的功能和模拟范围。

基于真实白杨林地场景冠层辐射特性的计算机模拟(英文)

叶面积指数(LAI)和叶倾角分布(LAD)是决定植被冠层结构的重要参数。在计算机模拟植被冠层,两个参数是植被三维真实结构生成的重要控制因子。本论文中,结合计算机图像学理论,基于实验的地面实测结构参数数据利用可改写的扩展L-system方法生成草以及白杨树的真实三维场景。RGM(A radiosity-graphics combined model)模型是基于辐射度方法的计算机模拟模型,利用此模型来计算生成的三维场景可见光及近红外波段的冠层辐射特性,如冠层波谱以及方向反射特性等。在本研究中,模拟了两种不同下垫面的白杨林地:(1)下垫面只有土壤的白杨树场景;(2)下垫面包括土壤和草的白杨树。在特定的场景组分光学特性下,模拟得到两种情况的主平面冠层BRF(bi-di-rectional reflectance factor),并对两者的差异进行了分析。可以看出,下垫面对冠层BRF的影响不可忽视。但是,由于白杨林地结构的复杂,大尺度的场景中必须由成千上万个面元组成,因此辐射度方法不能模拟大尺度的真实结构场景。为了拓展辐射度方法应用范围,根据白杨树树冠的特点,将其抽象为椭球体,从而减少场景组成面元个数,满足了辐射度方法的要求。并结合几何光学模型的思想,在对椭球体面元赋值加入了间隙率;并考虑了整个树冠的承照面以及阴影面的差异,模拟大尺度林地冠层BRF,且与GOMS模型结果符合的很好。通过以上研究,可以看出计算机模拟为遥感研究获取多角度数据信息提供了一种很好的手段。

基于真实三维结构的玉米冠层生化参数垂直分布的定量化分析

为了定量研究作物生化参数在冠层中的垂直分布情况,本文以2000年栾城实验测量的玉米冠层自上而下不同叶位叶片的光谱数据为基础,利用PROSPECT模型进行反演,获得每层叶片的叶绿素(a+b)含量、等效水厚度、干物质含量等叶片的生化参数.通过比较发现:玉米冠层叶绿素等含量生化参数具有明显的随高度垂直分层现象,最明显的就是叶片的叶绿素含量,最大和最小叶绿素含量的相对差值甚至可以达到最大值的79.1%.在此基础上,根据实测玉米冠层结构,利用扩展L系统生成玉米真实三维结构冠层场景.通过统计计算每层叶片的生化参数,进而得到冠层生化参数的垂直分布.这为进一步基于冠层光谱的参数反演和定量分析以及农业应用等研究奠定了理论基础.

农作物冠层BRF及波谱的计算机模拟及其验证

计算机模拟模型是以植被真实三维结构场景为基础,模拟植被冠层的辐射特性。本文以冬小麦为例,利用辐射度方法模拟了冬小麦在不同LAI下的冠层二向反射因子(BRF)及其波谱特征;为了验证并评价模拟数据的质量,将模拟冠层BRF数据与实测数据进行了比较,并将计算机模拟波谱数据与Prosail模型模拟波谱及实测波谱进行了比较。通过研究可以得到以下结论:(1)LAI是植被群体重要的结构参数,对于同一品种的植被可以用LAI来描述植被的生长进程;(2)基于计算机模拟的冠层BRF数据具有一定的可靠性,能够满足实际研究的需要,因此可以把计算机模拟冠层BRF数据作为实测数据用于研究,以弥补因各种条件限制无法得到实测数据的缺憾。