云与气溶胶光学遥感仪器发展现状及趋势

气溶胶是影响地球气候和环境的不确定因素之一,星载被动光学遥感具有大视场、宽波段、高时空分辨率等优势,已成为云与气溶胶探测的有效手段之一。本文简述了云与气溶胶光学遥感探测的必要性和可行性,详细介绍了国内外典型云与气溶胶光学遥感仪器的系统组成、主要技术参数和方案特点,并基于现有仪器的不足和气溶胶反演需求,指出了云与气溶胶光学遥感仪器的发展趋势,给出了新一代云与气溶胶光学遥感仪器的方案设计结果。集成大视场、中等分辨率、多角度、多光谱、宽谱段、长寿命的高精度偏振测量是新一代星载云与气溶胶光学遥感探测仪的首选方案和发展趋势。     

星载高光谱分辨率激光雷达大气气溶胶和云探测研究

为实现对全球气溶胶光学参数剖面的高精度测量,采用基于碘分子滤波器的高光谱分辨率探测技术。结合欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的大气再分析数据集（ERA5）的温度和压强数据,选取在轨期间途经撒哈拉沙漠和加拿大山火区域的星载高光谱分辨率激光雷达（HSRL）的观测数据,对沙尘类气溶胶和烟尘类气溶胶的光学特性进行分析,包括气溶胶的后向散射系数、消光系数、退偏振比和雷达比。结果表明：撒哈拉沙漠地区近地面5 km以内的气溶胶分布主要以沙尘类气溶胶为主,其退偏振比集中在0.2～0.4,雷达比数值集中在40～60 sr;加拿大山火地区的气溶胶主要以烟尘类气溶胶为主,其退偏振比集中在0.02～0.15,雷达比在50～70 sr范围。激光雷达特有的高光谱探测技术,在气溶胶和云的精细化探测和分类方面具有重要应用,将在环境监测中发挥重要作用。     

基于反射率特性的高光谱遥感图像云检测方法研究

为了提高光谱遥感图像数据的利用率,提出了一种基于光谱反射率特性的星载高光谱图像云检测方法。首先分析了各类地物在不同光谱下的反射率特征,根据其特点从星载高光谱图像中选取特定5个波长的图像数据,然后依照图像地物反射率及阈值判定法区分出高云区和中低云区,最后对二者合并,得到目标云区。试验结果表明,该方法的云检测率可达90%以上,虚警率在1%以内,可以准确区分云与雪地区域、沙漠区域以及植被区域,实现云检测。     

一种适合高光谱卫星云识别的Fmask改进算法

近年来,我国卫星高光谱技术发展迅猛,高分五号、高分五号02星、资源一号02D星、资源一号02E星等相继发射为遥感领域带来了丰富的高光谱数据源。但高光谱卫星在成像过程中不可避免地会受到云及云阴影的影响,如何准确识别成为保障后续应用的关键,Fmask算法作为国内外诸多算法中的典型代表,已被Landsat和Sentinel业务化产品生产系统采用。Fmask算法作为国内外诸多算法中的典型代表,已被Landsat和Sentinel业务化产品生产系统采用。但该算法对于缺少热红外波段的数据精度偏低,例如对Sentinel-2数据的云和云阴影识别精度分别为84.5%和50%左右。鉴于此,本文通过在原有算法中优化云及云阴影识别算法结构、增加高亮地物识别辅助判据等改进手段,提出了一种适合高光谱卫星的Fmask改进算法,并在含有城区、山地、平原等三类不同下垫面场景的20景高分五号和资源一号高光谱影像中进行检验,结果表明：云识别的用户精度和生产者精度可达91.26%和99.97%,云阴影识别精度达到78.66%和79.41%,明显优于原始算法。本文算法对于高光谱数据的云及云阴影识别具有精度高、效果稳定和易于工...     

利用地基红外高光谱发射率数据进行云参数反演(1): 云相态判别

云相态是气候模式中的重要参数,也是遥感反演过程中进行云滴有效半径、云水含量等微物理参数反演的重要前提。在研究了云层有效发射率光谱对云相态敏感性的基础上,提出了基于云层有效发射率光谱的云相态表达特征,包括800～900 cm-1区域的有效发射率斜率、900～1 000 cm-1区域的有效发射率斜率、上述两个区域的有效发射率斜率之差、862.1与989.8 cm-1的有效发射率之比、862.1与989.8 cm-1的有效发射率之差、1 900.1与2 029.3 cm-1的有效发射率之比、远红外窗区有效发射率平均值与900 cm-1有效发射率之比等7个特征。建立了利用支持向量机进行云相态判别的方法,开展了模拟数据验证试验,并利用遗传算法优化了支持向量机的径向基核函数参数和惩罚因子。将该方法用于处理ARM计划中SGP站点的AERI仪器获得的数据,得到的云相态判别结果与Shupe提出的多仪器综合判别结果进行了比较。结果表明,利用红外波段不同窗区的有效发射率光谱特征可以实现发射率低于0.95的云层的相态判别,建立的基于支持向量机的云相态判别方法与Shupe方法的总体判别结果较为一致,但有约30%的云层由于发射率较大而标记为不透明云。基于红外高光谱发射率数据的云相态判别技术充分考虑了光谱斜率、比值和差值等信息,是较为稳定有效的薄云相态判别方法。     

云影响太阳紫外辐射光谱的研究

利用紫外CCD光学多道分析器,测量了云覆盖条件下的太阳紫外辐射光谱,着重研究了云对太阳紫外辐射光谱的影响.光谱分析结果表明,太阳紫外辐射光谱强度受云的影响而衰减:太阳紫外辐射光谱强度衰减依赖于波长,且随波长的递减而减小;云量越大,衰减越强;波长在315 nm以下波段的太阳紫外辐射光谱强度受云影响相对较小.研究结果有较重...     

高分五号可见短波红外高光谱影像云检测研究

高分五号(GF-5)卫星上荷载的可见短波红外高光谱相机(AHSI)能够同时获取330个谱段的光谱信息,对大气和陆地进行综合高光谱观测,能有效获取地物的精确信息.云的存在会对遥感影像造成污染,为了提高GF-5数据的利用率,本文结合AHSI的地物高光谱特性,研究多种下垫面背景下的云检测方法.对得到的1级产品,利用产品配套的...     

基于超光谱比值辐射仪的卫星自动化场地定标与分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工方式进行定标的不足,调研国内外卫星定标的发展现状,研制了超光谱比值辐射仪自动化定标系统,并开展了卫星传感器自动化定标的试验。根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,比值辐射仪设计积分球测量光谱总照度,并通过遮挡的方式实现了光谱漫照度测量,获得卫星定标中的漫总比数据;同时,辐射仪利用光学镜头的方式实现地面辐亮度测量,实现了大气-地表辐射特性的自动观测,同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能。在2015年敦煌辐射校正场试验中,辐射仪得到了理想的应用效果并获得了大气光学参数、地表反射率的数据,为卫星传感器的定标提供了数据支持。经过与传统测量仪器的对比,地表反射率的相对偏差在0.5%~1.5%,大气参数中光谱辐照度的绝对偏差小于5%,漫总比的绝对偏差不大于0.015%。采用辐照度基法利用测量的数据对Aqua MODIS光学遥感器的通道1～5进行了场地定标,通道1~4的对比相对偏差小于1%,通道5的偏差结果为7.24%,验证结果满足了卫星传感器自动化定标的初步需求。     

熊果酸的Raman光谱和红外光谱结构特征比较

本文采用HRD2型双光栅单色仪测定了熊果酸的Raman光谱，得到熊果酸的特征Raman光谱结构，采用Philips 100型双光栅单色仪测定了熊果酸的IR光谱，得到熊果酸的特征IR光谱结构；解析了熊果酸的Raman光谱和IR光谱与其结构特征的关系，确定了熊果酸的Raman光谱的结构特征和官能团的归属，给出了熊果酸的两个基本骨架特征区域（A区：1386，1370，1363cm^-1，B区：1304，1269，1237cm^-1）；对熊甲酸的Raman光谱和IR光谱作了比较研究，指出Raman光谱具有比IR光谱更为丰富的结构信息的特征，并且，IR光谱的主要特征峰在Raman光谱中均有对应的谱峰；Raman光谱的谱峰形态清晰可变，使熊果酸的主要结构和官能团得到准确的分析和指认，与IR光谱一样，Raman光谱是天然药物解析的有效手段之一。     

星载成像高光谱的湿地景观光谱特征分析

光谱特征是地物的固有属性,分析地物光谱不仅有助于提高地物识别精度,也是定量遥感研究的基础.然而受限于尺度效应,近地空间采集的光谱与遥感像元尺度的光谱往往差异较大.因此,在遥感像元尺度上揭示湿地典型景观地类的光谱特征,将有助于大尺度湿地遥感分类和植被参数反演精度的提高.以华北平原典型的草型湖泊湿地南阳湖为对象,基于EO-...     

基于机器学习的偏振遥感云检测优化算法

偏振遥感经验阈值云检测算法受主观因素影响较强,极易在亮地表上空出现云检测不准确的问题.针对该问题,本文提出了一种主动和被动遥感卫星相结合的机器学习云检测算法.该算法基于POLDER3载荷多通道多角度偏振特性以及CALIOP载荷高精度云垂直特性展开研究,利用POLDER3载荷和CALIOP载荷观测重合区域数据,搭建了粒子...     

基于精确光谱响应匹配的星载成像光谱仪交叉辐射定标

星载遥感器在轨运行中受到外太空环境以及遥感器自身特性衰变的影响,辐射特性会发生变化。为确保星载遥感数据能真实地反映被观测地物目标特征及其变化规律,需要定期对星载遥感器进行在轨辐射定标。环境小卫星超光谱成像仪(HJ1A/HSI)由于缺乏配套的星上定标系统,基于场地定标的方法难以满足高频次定标的需求。以EO-1/Hyperion为参考遥感器,以HJ1A/HSI为待定标遥感器,通过反卷积方法对两成像光谱仪光谱通道之间进行精确光谱响应匹配,消除波段设置的差异性,显著降低了HSI定标系数的不确定度。基于本定标方法得到的HSI 115个波段的绝对定标系数中,Band 1至Band 60之间的定标系数的不确定度稳定在5%～8%,除760 nm附近的氧气吸收波段与940 nm附近的水汽吸收波段外,其余波段的定标系数的不确定度为7%～18%,随着波长的增加,不确定度增大。与传统波段匹配方法相比,提高了约50%的精度,该定标精度基本可以满足遥感数据定量化应用的需求。该方法解决了在轨星载成像光谱仪光谱通道设置差异大、交叉定标精度低,难以实用的问题,为星载成像光谱仪高频率更新辐射定标数据提供了一种有效方法。     

光谱特征分析的城市道路提取

道路是城市中典型的人造地物。利用高分辨率影像进行城市道路提取,对城市规划、交通发展具有重要意义。由于地物光谱的混淆性和异质性,利用传统基于光谱的分类方法很难将道路与其他城市地物区分开。针对这一问题,提出了一种利用道路边缘结构信息进行分类的方法,边缘作为光谱衍生信息对线性地物(如,道路等)识别具有明显的意义。首先,根据全色光谱波段纹理信息,利用改进的自适应Mean Shift算法进行边缘检测,最大限度减少噪声与伪边缘;然后,对边缘图像中的线段进行编组,利用统计模型依次对边缘线段求取统计特征,并将该统计特征与多光谱特征结合作为总分类特征;最后,利用监督学习方法对城市道路样本进行学习并对整个实验区域进行分类。结果表明将光谱信息与边缘统计特征融合对道路的识别精度为93%,相比传统方法78%的精度有显著的提高,因此,该方法是一种有效、可行的高分辨率遥感图像城市道路提取方法。     

大气对星载被动微波影响分析研究

被动微波遥感具有全天候工作的能力,但是在不同的大气状态下被动微波遥感受大气的影响不同。为了研究大气对高级微波扫描辐射计AMSR-E (advanced microwave scanning radiometer-earth observing system)入瞳亮温的影响,分别采用晴空和典型层云大气数据作为微波辐射传输模型的输入,进行大气微波辐射信号的模拟工作并分析大气的影响。结果表明晴空下大气水汽是引起大气辐射的主要因素,晴空条件下大气对典型被动微波传感器低频的(<18.7 GHz)透过率大于0.98,在整个辐射传输过程中可以忽略不计。36.5和89 GHz的大气透过率在晴空下分别为0.896和0.756,在用微波高频通道进行陆表参数反演时需进行大气水汽影响的校正; 云覆盖条件或者阴天情况下云中液态水是引起大气辐射的主要因素,典型层云覆盖下大气的透过率在10.7,18.7和36.5 GHz分别为0.942,0.828和0.605。与晴空相比,由层云中液态水引起的大气下行辐射的增量在36.5 GHz最大达到75.365 K。表明在云覆盖时大气影响的校正过程中云层的影响是校正重点。最后利用大气探空数据计算了内蒙古海拉尔地区2013年夏季7月份的大气透过率,结果显示C、X波段的大气透过率接近1,89 GHz受水汽影响较大,其地球表层大气透过率不超过0.7。在内蒙古海拉尔地区,夏季大气透过率具有较为稳定的值,但是随着局部水汽的变化具有0.1左右的波动。     

基于地物光谱特征分析的高分辨率遥感图像水上桥梁提取

水上桥梁是一种典型的人造目标。利用高分辨率遥感图像进行水上桥梁提取,对于民用、军用和商业都具有重要意义。论文在分析地物光谱特征的基础上,提出了一种利用高分辨率近红外波段遥感图像进行水上桥梁提取的方法。首先,根据水体在近红外波段的光谱特征,采用迭代法选取阈值提取水体信息,以限制桥梁提取的空间范围;然后,对水体信息进行数学形态学运算,以连接因桥梁而断开的水体;其次,对数学形态学操作前后的水体信息进行叠加分析,以提取候选桥梁目标;最后,在桥梁先验特征知识的辅助下,去除伪桥梁目标。论文设计了仿真实验,以验证方法的有效性和适用性。实验结果表明,基于地物光谱特征分析的高分辨率遥感图像水上桥梁提取方法是行之有效的。     

利用MODIS资料模拟计算水云大气红外辐射特性

利用MODIS二级云产品和大气产品资料,采用通用大气辐射传输软件模拟计算了水云存在的情况下8.55μm、11.03μm和12.02μm波段水云大气顶亮温,并对三波段的MODIS云顶观测亮温和模拟计算的亮温进行了对比分析.结果表明:利用MODIS卫星观测云参量、大气参量和空间几何参量,结合通用大气辐射传输软件模拟计算的亮温和MODIS云顶亮温分布基本一致,亮温差较小,主要分布在-10K~10K附近.模拟计算的三个通道亮温差BTD(8.55~11.03μm)和BTD(11.03~12.02μm)的变化符合水云的情况.     

MODIS EVI时间序列数据和光谱角聚类的冬小麦遥感估产分区方法研究

农作物遥感估产区划是农作物遥感估产的基础,它为估产研究和实践提供了重要的科学依据。以冬小麦生育期内的MODIS EVI时间序列作为分区数据,选择江苏省为试验区,探讨了一种改进的光谱角制图和K均值聚类相结合(光谱角聚类)的分区方法,并在冬小麦遥感估产中进行了试验。结果表明：光谱角聚类分区方法充分利用了MODIS时间序列数据所反映的农作物生长进程,可以充分体现气候差异所带来的冬小麦区域差异;与传统分区相比,基于光谱角聚类分区方法所得到的遥感估产结果具有较高的决定系数R2(0.702 6比0.624 8)和较低的均方根误差RMSE(343.34比381.34 kg·hm-2),体现了该分区方法在冬小麦遥感估产中的优势。光谱角聚类分区方法仅以获取便利的低分辨率时间序列遥感数据为分区数据,且能很好的将冬小麦划分为特征性质一致的区域,所得遥感估产模型的精度和稳定性也较好,为冬小麦遥感估产分区提供了一种有效方法,有利于进行冬小麦遥感估产研究。     

基于两步迭代收缩阈值的编码孔径光谱数据复原算法

编码孔径光谱成像仪根据压缩传感理论,对物体进行光谱成像。编码孔径光谱数据复原的特点在于能将探测器上所得到的二维编码像复原成三维的数据立方体。两步迭代收缩阈值算法是在迭代收缩阈值算法和迭代加权收缩算法基础上加以改进而得出的,采用两步迭代收缩阈值算法对编码孔径光谱数据进行复原,成功地由二维编码像复原出了三维数据立方体,具有迭代步数少,收敛速度快的特点。     

基于光谱成像与光谱分析的壁画鉴赏研究

针对壁画鉴赏中对科学分析方法的需求,根据光谱成像及光谱分析方法在壁画处理中的特点与优势,重点讨论了光谱成像技术在壁画鉴赏处理中的应用,其可以辅助传统的专家经验鉴定方法,提供更丰富客观的画作信息,实现作品的鉴赏分析。光谱成像与分析方法是一类重要的科学分析方法,因其具有非接触、破损少甚至无破损、科学、准确、可量化等特点,可应用于壁画修复、信息提取、颜料分析、特征增强、鉴赏分析等。首先,从技术实现角度出发给出具体的鉴赏应用方向。然后,基于光谱特征分析、主成分分析、独立分量分析、相关性判别、人机交互处理等方法,对实际观测的韩休墓壁画进行实验处理,验证技术应用的实验效果,最后,结合应用实验提出包括规范化采集、图谱特征分析、图谱处理系统等关键技术还需进一步解决。实验结果表明,利用光谱成像分析技术可以实现壁画颜料信息的判读,隐藏信息的提取、弱信息的增强,不同属性的分类识别,同时,还可以综合特殊需求,开展画作图谱探索性研究,如壁画处理中的涂改小孩分析、画作修复等。