一种改进的光谱图像反演地表目标遥感反射率的方法

提出一种改进的反演地表目标遥感反射率的方法．利用光谱图像中的太阳耀光估计当时气象条件下的大气透过率,分析了天空辐射和色散现象对反演的影响,据此构建遥感反演模型,计算出地表目标的遥感反射率．由于消除了天空漫射辐射带来的额外影响使得可见光波段的反演准确度大为提高,此外将菲涅尔反射率表示为波长的函数进行计算使反演光谱在整个波段范围内能更好地匹配实验室光谱．实验结果表明,改进算法计算的反射率能更好地匹配实验室光谱,具有更高的反演准确度．     

航空偏振遥感数据反演陆地上空气溶胶光学厚度

在陆地上空气溶胶遥感中,地表多样性会导致地表反射率计算误差增加,降低地气解耦精度,进而影响气溶胶反演精度。多角度、多光谱和偏振观测数据的引入有利于解决地气解耦精度和气溶胶参数的提取精度受限的问题。基于多角度偏振辐射计(AMPR)航空多光谱遥感数据,结合气溶胶散射和地表偏振反射规律,提出了在1 640 nm波段对AMPR观测偏振反射率进行连续大气辐射校正,实现地气解耦的方法。在此基础上,构建了陆地上空气溶胶偏振反演算法。运算过程中使用665和865 nm波段观测数据进行气溶胶参数提取,使用1 640 nm波段观测数据结合提取的气溶胶参数进行大气偏振辐射校正,重新获取地表偏振反射率。在反演过程中引入迭代,逐步逼近大气与地表真实辐射值,实现地气解耦,并利用查找表的方法实现气溶胶光学厚度反演。通过AMPR在京津唐地区5个架次的航空观测实验数据对反演算法进行了验证,结果与地基CE318观测数据一致性较好,在气溶胶光学厚度小于0.5的情况下,反演平均误差为约0.03。     

一种改进的遥感影像地形校正物理模型

遥感影像地形校正是提高光谱反射率反演精度的一个重要的预处理步骤。目前已经出现了多种遥感影像地形校正模型,这些模型各有优缺点。针对现有地形校正模型存在的问题和不足,在Shepherd地形校正模型的基础上,利用更高精度的天空散射辐射计算方法对其加以改进。将改进的地形校正模型和6S大气辐射传输模型相结合以2006年7月12日北京北部山区的Landsat 5 TM影像为数据源进行了地表光谱反射率反演试验。从三个方面对遥感影像地形校正效果进行了检验,结果表明该改进模型能够取得较好的地形校正效果,校正效果优于Shepherd和C校正模型。该改进模型是一种物理模型,可以应用于各种光学遥感影像。     

基于典型目标反射率的近红外场景仿真

利用积分球对近红外增强相机进行了可见、近红外波段的辐射定标,并采用该相机采集了典型目标的可见、近红外图像.利用便携式地物光谱仪采集了相同目标可见、近红外波段的光谱反射率曲线,并分析了目标在可见、近红外波段的光谱反射特性.通过寻找同一天气条件、同一时间段所拍摄的典型目标近红外图像灰度值与可见光图像灰度值及典型目标可见、近红外波段反射率之间的关系,提出一种基于可见光图像及目标反射率反演近红外图像的算法.在近红外图像反演过程中考虑了大气透过率的影响,反演结果表明,本文算法可以较好地体现典型目标近红外图像的全局特征,为后续不同天气条件下近红外场景仿真的实现提供参考.     

水体悬浮泥沙的偏振光谱特性研究

基于离水辐射的湖泊水体遥感通过反演与光谱关系密切的悬浮泥沙、浮游植物和黄色物质等要素的浓度来实现对水质状况的评估,然而由于湖泊水体的复杂性以及不同要素间的相互干扰,现有的基于反射率光谱的分析方法难以准确反演这些要素。从悬浮泥沙水体离水辐射的反射率、偏振光谱特性出发,给出敏感波段处悬浮泥沙浓度与反射率、偏振度之间的关系,比对了基于反射率以及基于偏振度的两种反演方法在实验室水体、巢湖水体中的应用效果。研究结果表明,在湖泊复杂水体条件下,水体的偏振信息具有比反射率更加良好的抗干扰能力,显示偏振度信息在湖泊水质遥感上存在着重要的应用潜力。     

基于场地高光谱BRDF模型的Suomi-NPP VIIRS长时序定标

为提升光学卫星遥感器的定标频次,提出一种基于场地高光谱BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)模型的高频次绝对辐射定标方法,实现了Suomi-NPP (Suomi-National Polar-Orbiting Partnership Spacecraft)VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)的长时序高频次绝对辐射定标。介绍了基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标原理,于2018年4月和8月利用场地高光谱BRDF手动测量系统分别对敦煌场的方向特性进行测量试验,并基于半经验核驱动反演敦煌场的地表高光谱BRDF模型参数。基于BRDF模型计算2018年全年VIIRS M1～M11波段的表观反射率,并与卫星观测表观反射率进行比对。结果表明:Suomi-NPP VIIRS遥感器2018年全年的有效定标频次为51次,其中M1～M7波段模型计算的表观反射率与卫星观测的相对偏差均小于3.23%。基于场地BRDF模型的高频次绝对辐射定标方法可有效地提高卫星载荷的定标频次,及时跟踪载荷的辐射特性变化。     

基于场地自动化观测技术的SNPP VIIRS高频次在轨辐射定标

针对遥感卫星高频次、高时效和高精度定标的技术需求,利用布设在敦煌辐射校正场自动化定标系统,对SNPP VIIRS遥感器的可见光到短波红外波段开展了高频次自动化绝对辐射定标试验,详细描述了自动化定标的原理和方法,明确了定标流程.针对长时间跨度中,地表光谱反射率光谱形状的变化,建立了参考反射率数据库,以解决通道反射率与参考反射率光谱形状不匹配问题.在2018年5月～11月,对SNPP VIIRS共完成了13次有效的自动化定标,并与SNPP VIIRS星上观测的表观反射率进行了比对验证.结果表明,场地自动化定标得到的表观反射率与卫星观测的表观反射率相对偏差小于5%,均方根小于3.2%,表明场地自动化定标结果与星上定标结果具有较高的一致性和稳定性,可以用于高频次在轨辐射定标.     

基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标方法

提出了一种基于场地地表高光谱双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法,摆脱了对卫星过境时刻同步观测的依赖,提高了遥感器在轨绝对辐射定标的效率与频次.利用无人机测量系统对敦煌辐射校正场进行了地表方向特性测量,基于半经验核驱动模型反演了敦煌场地的高光谱双向反射分布函数模型参数.用地表双向反射分布函数模型直接计算的卫星观测方向的地表高光谱反射率数据替代卫星过境时刻场地的地表同步测量数据,结合中分辨率成像光谱仪大气产品数据,实现了对Landsat-8卫星的陆地成像仪(OLI)在可见光至近红外波段的高频次绝对辐射定标.Landsat-8/OLI第1～6波段的卫星观测表观辐亮度值与模型计算表观辐亮度值的相对偏差均小于5%,标准差小于2%.基于无人机场地双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法的定标结果与卫星观测结果具有较高的一致性和稳定性.     

基于光谱匹配的大气校正方法

大气校正是遥感定量化的一个重要环节,其常用方法是暗目标法。该方法适用于浓密植被地区,但在植被覆盖度较低的地区,暗目标法的适用性较差。提出了一种基于光谱匹配的大气校正方法,以城市地区的不变目标为切入点,针对高分一号(GF-1)卫星全色和多光谱(PMS2)传感器相机开展大气校正方法的研究。该方法利用6S辐射传输模型构建大气校正参数查找表,得到了影像上的水泥路面在不同大气条件下的反演光谱;同时,利用水泥路面的平均实测光谱作为参考光谱,通过参考光谱与测试光谱的光谱角度匹配,找到最相近的光谱曲线,用以确定大气校正参数,并对影像进行大气校正。实验结果表明:该大气校正方法效果良好,反演得到的地表反射率与典型地物的光谱数据比较吻合,更好地还原了地表的真实情况,为植被稀疏地区的大气校正工作提供了新思路。     

基于MODTRAN的双查找表法反演高光谱数据的水汽含量

基于MODTRAN辐射传输模型,假设近红外波段地物反射率随波长线性变化,考虑程辐射的影响,发展了一种通过双查找表反演高光谱遥感数据水汽含量的方法。建立查找表过程中,使用三次样条插值方法对查找表水汽含量值加密以减少MODTRAN运行时间。使用两个查找表,通过逐步搜索法对高光谱遥感数据进行水汽反演,得到水汽含量分布图。结果显示,使用三次样条插值方法得到的辐亮度值与MODTRAN计算结果只有0.1%的误差。对两景机载可见光/红外成像光谱仪(AVIRIS)高光谱数据进行水汽反演,得到水汽含量分布图,并用其对辐亮度数据进行大气校正,得到反射率数据。水汽含量分布图变化平缓,无亮/暗点出现,反射率数据在水汽吸收波段的光谱曲线没有过/欠校正现象,这表明水汽反演方法有效。     

雾霾对典型地物光谱曲线测量的影响分析

我国雾霾的发生时间成常年化趋势,且在几十年内都可能存在,雾霾对地物光谱曲线测量的影响是不可避免的,而反射率光谱是众多遥感参数反演的基础,因此定量分析雾霾对典型地物光谱曲线测量的影响是丞需解决的问题。本文以简易的雾霾模拟实验室为基础,实际测量了不同雾霾浓度(晴空,浓度分别为35,75,150)下植被、土壤和水泥地的反射率光谱,同时与室外太阳光照下同一样本进行了对比测量和分析。本文首次综合分析不同雾霾浓度对植被、土壤、水泥地等典型地物反射率光谱曲线测量的影响,对定量分析雾霾对遥感监测、应用的影响具有重要意义。主要的研究结论有：草坪、土壤、水泥地等主要地物测量的反射率光谱曲线在晴空时反射率值最高,反射率光谱曲线也最平滑,随雾霾颗粒物浓度的增加,各主要地物的反射率都呈降低趋势,但降幅都不尽相同,降幅没有明显的规律可循;雾霾对各主要地物测量的反射率的影响,在不同波段、不同含水量状况都不尽相同,因此利用统计规律消除雾霾影响有较大困难。雾霾对地物测量的光谱的影响仍需进一步深入研究。     

基于地面实测光谱的湿地植物全氮含量估算研究

随着再生水越来越多的应用于城市湿地,湿地植物生长状态的大面积监测对于利用再生水的湿地恢复与重建具有重要意义。目前遥感技术已成为植物生长状态大面积监测的重要手段。本研究以北京市典型再生水城市湿地奥林匹克公园南园湿地为研究区,以反映植物生长状态的重要指标全氮(TN)为研究对象,在测定研究区湿地植物芦苇(Phragmites australis)和香蒲(Typha angustifolia)的叶片光谱及TN含量的基础上,对数据进行预处理并建立二者的关系模型,包括单变量模型(比值光谱指数(SR)模型和归一化差值光谱指数(ND)模型),与多变量模型(逐步多元线性回归(SMLR)模型和偏最小二乘回归(PLSR)模型),并利用交叉验证决定系数(R2CV)和均方根误差(RMSECV)对模型精度进行检验。结果表明,不同湿地植物类型相比,利用芦苇反射光谱建立的各种预测模型的精度都高于香蒲;不同回归模型相比,多变量回归模型的精度较高;多变量回归模型中,PLSR模型的精度高于SMLR模型,其R2CV可达0.80,RMSECV仅为0.24,是建立湿地植物光谱与TN含量关系的最优模型。研究成果不仅为湿地植物生长状态遥感探测提供参考借鉴,而且可以为利用再生水的城市湿地监测与管理提供有力的科学依据。     

Improvements for ground-based remote sensing of atmospheric aerosol properties by additional polarimetric measurements

We discuss the improvements in the aerosol properties characterization resulting from the additional multi-wavelength polarization measurements measured by a new CIMEL polarized sun/sky-photometer, CE318-DP. In order to process direct-sun, sky and polarization measurements in a wide spectral range (340–1640 nm), we developed new calibration methods and strategies, e.g. using the Langley plot method to calibrate both direct-sun irradiance and sky radiance, as well as combining laboratory facilities with a vicarious method to calibrate the polarized sky measurements. For studying the impact of new polarimetric measurements on the retrievals of aerosol properties, we have processed an extensive record of field measurements using an updated Dubovik and King retrieval algorithm [Dubovik O, Sinyuk A, Lapyonok T, Holben BN, Mishchenko MI, et al. Application of spheroid models to account for aerosol particle nonsphericity in remote sensing of desert dust. J Geophys Res 2006;111:D11208.]. A preliminary analysis shows that adding polarization in the inversion can reduce possible errors (notably for about 30% of our field cases) in the fine mode size distribution, real part of refractive index and particle shape parameter retrievals, especially for small particles.     

内陆河道表层水体反射光谱的走航观测研究

现场水体光谱观测是水体光学性质、水色遥感反演建模等研究不可或缺的基础性工作之一.常规的倾斜观测方法受其较为严格的观测几何条件限制,需要依据船体位置、太阳方位等不断调整观测角度,特别是针对河道水体光谱观测时,还须考虑河道走向、岸线遮蔽物等情况,因此,只能设置若干站点进行离散样点的观测,难以在岸线环境较为复杂的河道水体开展...     

水体的多角度偏振波谱特性及其在水色遥感中应用

清洁水体光谱在可见光和近红外波段的反射率比较低,其光谱特征不明显,在光学遥感图像上水体一般都表现为暗色调,造成了利用光谱学手段进行水体遥感识别和水质参数反演的困难。在研究水体的偏振波谱时作者发现,在对水体进行多角度观测时,水体在可见光与近红外波段的偏振度波谱值要远大于其无偏的反射率,表现在图像上即水体的偏振度图像的亮度要远大于其强度图像的亮度,文章对这种现象和规律进行了物理学解释,并利用法国PARASOL多角度偏振卫星遥感图像数据对这个规律进行了验证。该文首次揭示了利用多角度偏振遥感进行水体探测的优势,该方法有效解决了在利用光学遥感进行水体探测时反射率低的难题,大大提高水体的遥感识别能力和水质参数反演精度。     

黄河口地区环境脆弱性的遥感反演

环境脆弱性定量遥感研究,可以为环境脆弱性研究提供稳定的数据源支撑。通过遥感反演获取区域环境脆弱性的空间分布。从土壤和植被角度, 构建了环境脆弱性综合评价指标体系, 采用AHP-模糊评判方法计算采样点环境脆弱度,并将其分别与样点ETM+光谱反射率及其转换数据的相关关系进行分析,确定其敏感波段, 在此基础上,采用传统回归方法、基于BP人工神经网络分析方法和支持向量机回归方法建立环境脆弱度的光谱反演模型,并采用该模型对研究区的环境脆弱度进行反演,得到环境脆弱性度时空分布图。结果表明, 返青期NDVI、九月份NDVI以及返青期的亮度分量是环境脆弱度的ETM+敏感光谱参数,模型精度比较结果显示,除了支持向量机模型外,其他模型都达到了显著水平,其中以BP神经网络模型的精度最高,传统回归模型也可满足预测需要,但多元回归的模拟精度要高于一元回归模型。研究结果可为大空间尺度的卫星水平环境脆弱性遥感反演提供理论支持。     

土壤Cd含量实验室与野外DS光谱联合反演

土壤重金属高光谱遥感建模理论上能够大大降低传统化学分析测定所需成本,正逐步发展为有效探查土壤污染空间分布与开展污染土壤综合防治的关键技术。然而土壤重金属高光谱遥感调查技术目前多局限于稳定可控条件下的实验室光谱模型,野外诸多因素（光照、湿度、土壤粗糙度等）影响下野外原位光谱模型的有效性已成为困扰该项技术大范围推广亟待突破的关键科学问题。以湖南衡阳市某矿区为例,分别利用ASD地物光谱仪和等离子发射光谱法测定46个土壤样品350~2 500 nm的实验室光谱和Cd含量,并在土壤取样时同步测量样品野外原位光谱。在运用DS（direct standardization）转换算法处理野外光谱的基础上,融合实验室光谱先验知识,基于主成分逐步回归建模方法开展了土壤Cd含量实验室与野外原位DS光谱联合反演实验,交叉验证了模型的稳定性。同时为深入探究实验室与野外原位DS光谱联合反演模型的有效性,将其与基于实验室光谱、野外原位光谱、野外原位DS光谱、实验室与野外原位光谱联合建立的主成分逐步回归模型开展了对比分析。结果表明：野外原位光谱反演模型精度（R2=0.56）明显低于实验室光谱反演模型（R2=0.64）,野外原位DS光谱反演模型与之相比精度有所提升（R2=0.66）;在野外原位光谱DS转换校正基础上,联合实验室光谱先验知识的土壤Cd含量反演模型精度最高,R2可达0.72。与此同时,实验室与野外原位DS光谱联合反演模型揭示482,565,979和2 206 nm波段对研究区土壤Cd含量有较好指示性,此结果与实验室光谱反演模型所识别的特征波段一致,两者物理意义相同。研究结果证实了实验室光谱先验知识以及DS转换算法能够提升野外原位光谱模型的可靠性,可为发展土壤Cd含量野外原位高光谱遥感探测提供重要的提供理论与方法支撑。     

基于光谱曲线形态的高光谱影像检索方法研究

随着传感器技术、数据通讯技术的飞速发展,利用各种机载和星载传感器,己经获取到各种不同的海量遥感影像数据。巨大的数据量带来了数据存储和管理的问题,如何实现从海量影像数据中检索出我们所需要的信息显得十分迫切。影像检索最早由Chang于1980年提出,是对传统信息检索的扩展。针对海量遥感影像高效检索的需求和高光谱遥感影像波段数目多的特点,分析了影像检索中的影像距离函数和相似性度量问题,基于经典的曲线简化Douglas-Peucke算法(简称DP算法)提取光谱曲线的形态特征,利用“提取特征”的思想,提出了基于DP算法的光谱曲线和影像检索(简称DPSR)方法,将光谱形态特征应用于影像检索当中。DPSR利用光谱曲线上的特征点,减小了计算量,实现了有效地匹配和检索,适合高光谱遥感影像的光谱检索。文章选择了OMISI高光谱数据的四种易混分地类进行了相似性度量的对比实验。通过与常规的分析方法光谱角匹配(SAM)、光谱信息散度(SID)的对比可以看到,DPSR在较少计算量的情况下能保持较高的计算精度,提供了一种新的影像光谱高效检索方法。此外,文章还提出了尚待进一步研究的问题。