多角度光学定量遥感

随着遥感技术的发展,出现了从两个或两个以上的方向对同一目标进行观测的方式,即多角度遥感。多角度遥感有助于提高植被生物物理参数的反演精度,可为生态环境和气候变化研究提供更好的数据支持。本文围绕多角度光学遥感,总结了多角度遥感的发展、特点与优势,回顾了相关概念,系统总结了从地面到航空、航天的多角度观测手段,以及辐射传输模型、几何光学模型、混合模型、计算机模拟模型等多角度遥感模型的发展。在此基础上,梳理了多角度遥感在反照率、植被参数、气溶胶反演及冰冻圈遥感中的应用。最后,对多角度光学定量遥感的发展趋势及研究方向进行了展望。与单一角度遥感相比,多角度遥感提供了角度维信息,提高了遥感对地球表层参数的获取能力。随着星机地不同平台的多角度遥感观测手段越来越丰富,未来多角度遥感的主要研究方向集中在发展复杂地表多角度反射/辐射模型,增强多角度遥感数据预处理能力和提高多源数据综合应用能力等方面。     

无人机平台的沙漠场地BRDF特征观测方法及建模

目标双向反射分布函数BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）不仅是陆面遥感的关键地球物理参数,也是星载光学遥感仪器基于地面目标的场地辐射校正重要参量,是影响定标精度的关键要素。传统野外地物多角度测量使用的观测设备,一般其结构较为复杂,重量体积较大,而且运输和组装过程繁琐,观测目标时容易受地形和交通限制,难以进行高效快速精确的野外测量。近年来,无人机由于其设备操作简便、运输和观测方式灵活等方面的优点,可作为新的观测平台应用于当前遥感试验中。本文设计了一种基于无人机平台的地表BRDF测量装置、观测方案和数据处理流程。利用多旋翼低空无人机和云台的组合,搭载野外地物光谱仪和跟拍相机,通过对地面目标多角度观测和高精度定位及角度控制,实现针对固定目标的多方位角和天顶角观测。本文采用上述设计方案和观测流程,在敦煌辐射校正场开展多次稳定均匀沙漠目标的多角度光谱观测试验,并利用实验观测数据,基于Ross-Li核驱动模型推算了场地BRDF模型参数,并与MODIS的陆表BRDF产品（MCD43C1）及反射率产品（MOD/MYD09）进行对比验证。通过开展野外实验,核验了这种新的BRDF观测手段的可靠性,获取的敦煌地表BRDF参数与MODIS遥感产品有良好的一致性,各波段的相对偏差在5%以内。本研究表明,基于多旋翼无人机的BRDF观测系统,提供了一种全新的地物目标方向反射特性观测方法,可用于自动化高频次场地特性观测以及卫星同步定标等野外实验活动。在保证观测精度的同时,极大地减轻人力物力的投入,值得广泛推广应用。     

GPS引导下的多角度遥感图像自动匹配

随着航天和计算机技术的进步,多角度遥感目前又一次成为遥感基础研究的新热点,不同于以往的传统垂直观测方式,它不仅提供了地物的空间光谱信息,还提供了地物的结构特征信息,是定量化遥感的途径之一。多角度遥感也使得遥感图像处理更加复杂,多角度遥感图像的配准便是要解决的关键技术之一,多角度遥感图像成像的特殊性决定了纯粹利用图像信息进行的匹配是较为困难的。本文以法国POLDER（POL arizationand Directionality of Earth's Reflectance）多角度航空遥感试验为例,介绍POLDER多角度遥感图像自动匹配的方法,首先用GPS进行定位引导,精度在100m左右,然后在初步定位的基础上,用图像灰度特征和结构特征进行精确配准,自动定位精度小于30m,最后采用局部最小误差控制点对图像进行重采样处理,并直接提取航空平台的地物二向性反射信息。     

遥感植被双向反射光谱的理论研究与应用展望

本文首先分析了传统的垂直测量方法在定量遥感中的局限性及多角度倾斜光谱在估算地物三维空间结构等方面的优越性。通过总结近年来国际上在植被双向反射领域所取得的主要成果,对计算植被双向反射系数的四类物理模型进行了简要评述。然后,从模式的选取、地物方向谱的结构及最佳的多角度资料的获取、观测波段的选择和模式的数学反演等方面出发,详细地讨论了利用上述理论模型实现植被结构参数的定量估算、再生资源的定量遥感的主要过程,以及使多角度遥感的潜在优势得以真正实现的可能途径。     

测绘地物波谱本底数据库

地物波谱特性是利用遥感进行建模反演和地物目标探测识别的理论基础，波谱数据库对于提高遥感应用水平有重要作用。为规范和丰富中国波谱数据库并促进其在测绘等领域的应用，依托国家科技性基础专项,建立了“测绘地物波谱本底数据库”，在数据规范编制、波谱数据采集实验与整编入库、地物波谱数据库建设和应用示范初步探索方面取得重要进展。在波谱数据采集和处理的标准规范方面，建立完善了测绘地物波谱与配套非波谱数据收集与汇总标准、测绘地物波谱和配套非波谱参数测试技术规范、测绘地物波谱库地物分类编码规范。依照项目制定的数据规范标准，对现有波谱数据进行了整编和入库，共计整编数据1.4万余条；组织实施了全国范围的典型地物波谱采集实验以及相应配套参数测量实验，主要试验类型包括典型地物波谱测量试验、定点时间序列测量试验、多尺度测量试验、全波段测量试验、参数控制测量试验和无人机观测试验等，共计获取地物波谱1.7万余条。特别是在华北和东北进行了全波段观测试验（可见光—近红外波（0.35—2.5 μm）、红外波段（3—15 μm）、微波波段（Ka、K、X、C、L波段）），获取冰雪、土壤、植被冠层、人工目标的全波段数据。为方便波谱数据的应用和共享，项目建设了包含3万余条数据的测绘地物波谱本底数据库（GOSPEL）及数据共享平台。依据地物波谱数据的类型和应用需求，形成了全波段典型地物波谱数据集、多角度光谱反射率数据集、多尺度典型地物反射率数据集、长时间系列波谱数据集等共25个特色数据集。基于测绘地物波谱本底数据库进行了地物分类、遥感机理模拟、遥感定量反演、遥感产品验证等方面的应用示范。     

针叶林冠层热点及多角度无人机遥感观测及特征分析

多角度遥感观测是研究植被冠层BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function)特性的重要手段,但目前对森林冠层进行连续间隔采样的多角度遥感观测及数据较少,热点方向的观测尤为缺乏。本研究基于无人机多角度高光谱成像系统,在主平面上对针叶林冠层以等角度连续间隔采样进行多角度观测,获取了主平面上多角度(包括热点和暗点)高光谱影像,并将观测结果与四尺度几何光学模型模拟结果进行对比分析。多角度观测获取的植被冠层反射率呈现出典型的植被方向反射特征,后向大部分角度观测的冠层反射率高于前向,在热点处出现峰值,在暗点附近方向出现最低值,观测天顶角VZA (View Zenith Angle)较大时表现出明显的"碗边效应"。结果表明:(1)观测的针叶林冠层反射率及BRDF特性与四尺度模型模拟基本一致,但红光波段模拟的热点反射率稍低于观测,前向观测VZA较大时模拟与观测结果差异稍大;(2)冠层结构及叶片光学特性的差异会导致观测到的BRDF特征不同;(3)观测的针叶林冠层BRDF呈现明显的光谱效应,不同波段呈现的各向异性特性不同,红光波段各向异性最强,近红外波段最弱;(4) BRDF的光谱效应差异导致观测到的植被指数也表现出各向异性,NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)、PRI (Photochemical Reflectance Index)和MTCI(MERIS Terrestrial Chlorophyll Index)在热点方向最低,EVI (Enhanced Vegetation Index)在热点方向最高。本研究中无人机多角度成像观测提供的角度和高光谱信息,尤其是热点和暗点信息,在地物识别及分类、植被冠层结构反演及碳循环关键参数获取等研究方面具有较好的应用前景,在其它地物反射或热辐射等方向性特性研究中也具有较大的潜力。     

基于mGA-SVM算法的高分影像面向对象分类研究

高分辨率遥感卫星影像是获取地物精细类别的重要数据源,快速准确地获取土地利用和土地覆盖分类信息可为土地利用规划、土地管理等提供重要的数据支撑和决策依据。本文开展了高分辨率影像面向对象分类研究,首先,利用多尺度分割方法对高分辨率影像进行分割,基于分割对象,选取不同地物类别样本并计算光谱特征、纹理特征、几何特征。然后,针对特征冗余问题,利用最大相关最小冗余算法选择优先级较高特征,在此基础上结合遗传算法对特征集进行适当扩充(m GA)。在面向对象分类过程中,通过利用遗传算法对支持向量机模型进行快速参数寻优,并在此基础上对分割对象进行分类。最终地物总体精度达到85.93%,Kappa系数为0.828 2。并将分类结果与最近邻分类和随机森林分类结果进行了比较,地物分类精度提高了4.05%和6.81%。实验结果表明:基于m GA特征优化及SVM参数选择进行改进的面向对象的分类方法是有效的。     

遥感影像不同校正模型对反射率的影响分析

采用飞马D200四旋翼无人机携带多光谱相机,获取了可见光波段的数据,地面同步测量了地表反射率和大气参数.结合实验数据,采用基于POS数据的严格成像模型和多项式模型对图像进行了几何校正,对比了2种模型的校正精度和不同重采样方式产生的差异.在几何校正的基础上进行了大气校正,获得地表反射率,选取典型地物水体、植被、裸土的实测结果进行验证.结果表明低空无人机遥感可以得到精度较高的地表反射率结果,但不同的几何校正模型对地表反射率影响较小,可以忽略.通过开展该实验证明了利用无人机开展定量化遥感研究的可行性.     

基于室内光谱测量的玉米单叶偏振与二向性反射关系研究

本研究利用多角度光度计实测了玉米单叶的偏振反射比与二向反射比数据。该光度计能够在不同的观测天顶角、入射天顶角和方位角下测量目标物的偏振反射和二向反射,获得地物目标在2π空间的多角度观测数据。通过分析实测的偏振反射和二向反射数据,得出了玉米单叶的偏振反射与二向反射之间关系密切,最大与最小偏振反射比之和的平均数约等于同等观测条件下玉米叶片的二向反射比。该研究成果为植被遥感监测做出了一种新的尝试,并且对偏振光遥感、多角度遥感的深入研究与应用提供了依据。     

国产光学卫星正射影像产品及自动生成算法

正射校正是卫星遥感影像后续处理、分析与应用的必要基础，而目前光学卫星数据自主定位精度尚不能达到1—2像元，正射影像产品的生产仍需依赖地面控制点对成像几何模型进行修正。针对国产光学卫星数据的现状、特点和应用需求，中国遥感卫星地面站自主研发了国产光学卫星正射影像产品和自动正射系统，本文从精细化影像自动配准、成像几何模型优化、影像正射校正、几何不确定度评估、太阳照射和卫星观测角度计算、基于地理格网的影像剖分等方面对相关产品及其自动生成算法进行介绍。其中，基于L1范数约束最小二乘的RPC模型全参数优化方法，可在影像幅宽较大或几何定标精度不足时获得比常规附加像方仿射变换参数的RPC模型更高的校正精度；提出顾及控制点精度的区域网平差方法，在利用从空间分辨率较低的参考影像获取的控制点修正成像几何模型时，可在满足参考影像几何约束的前提下，通过多次观测减小成像几何模型的随机误差、提高影像的几何定位精度；基于不确定度传播理论，建立了正射影像产品逐像元几何不确定度评估方法。试验结果表明，本文算法可用于规模化的正射影像产品生产，分布于全国不同区域的实测检查点表明所生产的16 m分辨率国产高分正射影像产品绝对几...     

植被遥感辐射传输建模中的异质性研究进展

遥感辐射传输建模是在研究电磁波与地物相互作用机理的基础上,建立遥感观测信号与地物属性、地物结构和观测几何等参量之间定量关系的模型,是理解遥感观测信号和反演地表参量的理论基础。近年来空间异质性问题引起了定量遥感领域的高度关注,高分辨率卫星及激光雷达等数据的日益丰富给研究空间异质性提供了有力支撑。在异质性植被场景遥感辐射传输建模过程中,像元内部的组分比例、3维结构、空间格局以及端元边界处的阴影效应与散射过程等方面是需要重点考虑的因素。本文在总结非均质地表空间异质性描述的基础上,分别总结了植被二向性反射与热红外辐射方向性建模研究的发展历程,以及非均质地表植被遥感建模研究的最新进展,并指出了地表遥感建模中研究异质性问题的发展方向。     

城市区域几何效应的辐射校正及其温度遥感反演

开展适用于城市地区热红外遥感图像几何效应的辐射校正物理模型研究,对提升城区下垫面温度反演精度具有重要作用。本文利用天空视域系数SVF（Sky View Factor,V）量化城区下垫面几何特征,并考虑几何特征对地物目标辐射传输的影响机理。将遥感传感器入瞳处的辐射亮度分解为地物目标发射辐射、地物目标反射辐射以及大气上行路径辐射3部分,并分析了各部分辐射在“城区—大气”界面的辐射传输过程,构建适用于城市下垫面的热辐射传输UTRT（Urban Thermal Radiation Transfer）模型,可应用于城区热红外遥感图像的几何效应辐射校正。基于Landsat 8 TIRS（Thermal Infrared Sensor）数据,将UTRT模型应用于北京市典型城区地表温度的反演,并对UTRT模型和不考虑下垫面几何特征反演结果进行对比分析,结果显示：（1）研究区内UTRT模型反演结果数值上整体低于不考虑下垫面几何特征的反演结果,差值范围为0—1.57 K,均值为0.44 K;（2）通过对不同地表覆被类型的分析对比,模型结果差值较大的区域为建筑和裸地,其空间分布明显受V值的影响,在一定范围内,V值越大反演结果数值越低;（3）对UTRT模型天空视域系数和环境温度两个参数进行敏感性分析,在地表发射率较小的场景中V参数敏感性较强,由于环境温度与目标地物温度较为接近,其参数的敏感性较低。结论为：UTRT模型可为城市下垫面遥感图像几何效应的辐射校正提供解决方案,对比不考虑下垫面几何特征的模型,前者可以更好地应用于城区地表温度遥感反演。该研究对推进城市高分辨率热红外定量遥感具有发展潜力和应用前景。     

热红外多角度遥感技术研究进展

在回顾国内外多角度遥感技术发展概况的基础上, 重点总结了中国开展地表热红外辐射方向性观测实验研究的发展历程, 介绍了地面多角度遥感实验观测系统、机载热红外多角度成像系统、机载红外广角双模式成像仪以及扫描式多角度多光谱成像仪的研制过程、主要技术指标以及开展航空遥感获取多角度热红外遥感数据的情况, 对于热红外多角度遥感技术的发展具有重要的参考意义。     

基于面向对象的珲春地区高分辨率遥感影像分类研究

以吉林省珲春市春化镇为研究区,以Pleiades、高分一号、资源三号影像为实验数据,利用面向对象信息提取方法实现了对3种遥感影像进行信息提取。利用3D Filter边缘检测算子对多尺度分割进行优化,通过对影像进行多次实验得出地物要素的最优分割参数,并且建立不同地物要素的分割层级。分析实验数据的特点构建了合理的分类层级,选取能区分各个地物要素的特征进行组合,利用阈值分类和模糊分类实现地物要素的信息提取。利用混淆矩阵对数据进行客观分析,得到3种影像的总体分类精度和kappa系数。分析结果表明:Pleiades影像分类精度较高,更适合本实验区的遥感影像信息提取。     

光学测绘卫星地面检校场设计及测量应用

针对光学测绘卫星地面检校场地物几何和辐射参数的高精度、大范围、实时同步测量需求,文章分析了几何标志点定位、地物辐射特性、大气特性等地面测量的主要任务和作用,提出了集几何和辐射于一体的地面检校场综合测量方法,设计了贯穿卫星过境前、中、后全过程的地面检校场几何辐射测量技术流程,采用RTK GPS测量、自动气象站、太阳辐射计等多种仪器设备,实现了对靶标地物的精确放样布设、标志点的几何定位、大气特性与地物特性参数等测量。经资源三号卫星几何辐射检校试验结果验证,达到了光学立体卫星几何辐射检校场地物测量的技术要求,对提高测绘遥感卫星的几何和辐射质量以及定量化应用水平具有参考作用。     

基于MODIS数据的水体提取研究

通过对遥感图像各类地物的光谱和水体在中等分辨率的EOS／MODIS上的波谱特征的分析,论述了水体最为明显的波段组合,研究了如何从不同时期（枯水期、丰水期）的中等分辨率MODIS遥感影像提取水体的方法,并以武汉市梁子湖为例,对水体提取范围和精度进行比较和分析。实验表明：遥感图像经空间变换后再利用相同的方法提取的水体,更容易区分水体和阴影,产生的噪声也少,提取的水体范围更准确、计算的水域面积精度更高。     

高分辨率影像分类的最优分割尺度计算

针对高分辨率遥感影像分类与信息提取中存在的难点,基于不同目标地物在高分辨率影像上具有对应最优分割尺度的基本思想,该文在分析现有最优分割尺度确定方法的基础上,提出了加权均值法结合最大面积的最优分割尺度的确定方法;利用该方法,进行了高分辨率影像分割实验,获取了对应典型地物的最优分割尺度数值范围,实现了典型地物的信息提取;并运用样本点检验的方法,计算并分析了分类的精度结果。结果表明:基于加权均值与最大面积相结合的最优分割尺度计算方法,应用于面向对象高分辨率影像信息的提取具有较为理想的精度。     

一种基于多尺度分割的遥感影像地物分类方法

面向对象分类方法能够解决基于像素分类方法带来的"椒盐噪声"缺点,并能利用分割单元构建对象特征空间,从而提高分类精度。常规的面向对象分类通常会设定经验或最优分割参数,在此基础上进行面向对象遥感影像分类。然而,不同地物具有不同最优分割参数,这样会导致地物分类精度不佳。因此,采用分割参数分级化思想,使用大、中、小尺度进行分阶段分割,首先对水域和浓密植被进行分类,然后再对其他地物进行细分,能够有效提高分类精度。通过对南京市Landsat-8卫星的OLI影像进行实验,试验证明,本方法在精度和分类效率上具有一定优势,在实际工作中可以提供借鉴。     

监督分类和目视修改相结合在高分辨率遥感影像中的应用

用计算机对遥感影像进行地物类型识别是遥感数字图像处理的一个重要内容，传统的地物分类一般采用MSS、TM和Spot等遥感影像作为数据源。与MSS、TM和Spot等传统遥感影像相比，QuickBird等高分辨率影像数据量大，混合像元减少、地物信息增大，能够被应用于土地分类。在监督分类中，对于达不到精度要求的模板，通常采用重新选择训练区的方法来进行修正，而本文采用目视修改的方法来对监督分类进行补充。本文方法可以改正初次分类中的误分、混分地物，使其归到正确的地物分类中，显著提高了土地分类的精度。为了验证算法的有效性，利用ERDASIMAGING遥感图像处理软件进行实验和精度评价。实验结果表明，监督分类和目视修改相结合的地物分类方法可以显著提高图像的分类精度。     

Trimble MX7移动测量系统精度分析研究

车载移动测量系统的量测精度决定了其应用领域和应用范围,因此,移动测量系统的精度评定具有重要意义。采用Trimble MX7移动测量系统进行数据采集,并对相关实验进行精度分析,包括:1)相同环境下道路直线和拐弯处的地物点,以及在不同环境下(植被覆盖不同)直线道路的地物点精度分析; 2)环境差异对高程地物点的高程精度分析; 3)斑马线、广告牌等地物的相对精度分析。以实测CORS RTK测量值作为参考值,与采集数据进行对比精度分析,结果表明:在拐弯处的误差高于直行道路上的误差,其平面平均偏差8 cm;通过植被覆盖程度不同实验发现遮挡对平面精度影响不大,对高程精度影响较大等。本实验结果可为相关行业提供参考和依据。