遥感反演离散植被有效叶面积指数的空间尺度效应

叶面积指数(LAI)是表征植被几何结构和生长状态的关键生物物理参数,也是气候、能量和碳循环等模型的重要输入参数.遥感反演LAI的尺度效应问题一直备受关注.考虑到尼尔逊参数对离散植被的BRDF模型的影响,我们定义有效叶面积指数LAIeff,LAIeff与传统概念下的叶面积指数具有相同的表征植被冠层内叶子浓密程度的主要功能,因此,本文以讨论有效叶面积指数为主.离散植被的空间尺度效应产生机理与连续植被有所不同,本文在方向性二阶微分方法(DSD)反演有效叶面积指数的基础上,讨论了离散植被空间尺度效应产生的原因,并提出了有效叶面积指数的尺度转换公式.理论分析结果表明高分辨率像元有效叶面积指数反演值的平均值总是大于等于同一目标低分辨率像元的有效叶面积指数反演值.另外,本文基于实际航空高光谱遥感影像,反演了中国河北省张家口市怀来县某植被覆盖区的有效叶面积指数,其反演结果验证了该结论的正确性和尺度转换公式的可靠性.     

尺度转换规律与同步反演作物播种面积和叶面积指数

遥感作物估产是保证粮食安全的重要手段.然而中国田块破碎程度较高,在中低分辨率遥感图像上混合像元所占比例很高,混合像元信息分解问题成为中国实施遥感作物估产必须克服的首要难题.本文基于尺度转换规律,针对混合像元,提出了一个同步反演作物播种面积和叶面积指数的新方法.为解决作物的二向性反射及滤除土壤背景干扰的问题,采用了准确、简便的作物冠层反射率模型,利用高光谱优选波段的二阶微分方法很好地滤除了方向性和背景的干扰.选择甘肃省张掖市盈科灌区为试验区,区内主要作物为小麦和玉米,以2008年7月15日的Hyperion/EO-130m分辨率的高光谱数据为基础,通过将反射率值取平均的方法获得分辨率分别为180和1080m的图像,构成多尺度遥感图像系列,通过尺度转换规律反演计算了1080m分辨率图像上每个像元的播种面积和平均叶面积指数.用2008年8月10日的SPOT-510m分辨率多波段图像的分类结果作为近似真值,验证了播种面积的反演结果,结果表明以这一方法获得的农田空间分布规律与验证值一致,反演误差近似正态分布,误差在?0.1～0.1之间;并用地面实测的85个LAI-2000测量点配合手持GPS定位对平均LAI的反演结果进行了验证,反演平均LAI的标准差为0.34,结果表明这一方法具有较高的可信度.     

太湖水体遥感反演参数的空间异质性

空间异质性的存在,会导致水质参数遥感反演中的尺度效应,影响反演精度,因此通过分析水质参数空间异质性,对于选择适当分辨率的遥感影像,提高反演精度具有重要意义.通过2008年10月在太湖布置的3个样方,利用GIS地统计学原理和分形维数的方法,对水质遥感反演中的三要素浓度,包括叶绿素a(Chl.a)、总悬浮物(TSM)和溶解有机碳(DOC)的空间异质性及其可能产生的尺度效应进行了研究.结果表明:太湖水体的三要素浓度在不同样方单元中变异系数相差较大,存在着明显的尺度效应;三个样方内Chl.a变异函数曲线斜率在变程范围内变化都较为剧烈,分形维数较高,说明太湖水体Chl.a受到某种起主导作用的生态过程的影响和控制;Chl.a和TSM的空间结构比例都在90%左右,有较强的空间相关性,表明其空间异质性的产生主要是由于结构性因素引起的,随机性因素作用微弱;DOC空间结构比例较小,说明随机性因素对其空间异质性的产生起了主导作用.三个样方中Chl.a的变程分别为147.3m、129.3m和115.0m,TSM的变程分别为1131.7m、130.6m、149.1m,因此在遥感反演中可选择TM影像,选择5×5窗口,以150m×150m作为基本单元;而DOC的变程分别为34.3m、38.5m、26.4m,表明其自相关距离较小,建议直接选择分辨率为30m的TM影像,使实际测量值与遥感影像最小单元相对应,消除反演过程中的尺度效应带来的误差.该研究也表明,MODIS的像元尺寸(250、500、1000m)明显偏大,在太湖水体三要素反演过程中,由于空间异质性引起的尺度效应,会造成一定的误差.     

基于多角度热红外遥感的混合像元组分温度演化反演方法

研究了多年来热红外多通道遥感反演陆面温度的成果后指出, 由于通道间信息高度相关, 以及不能直接反演混合像元组分温度, 所以它的反演精度及应用价值都受到极大的限制. 在建立非同温混合像元热辐射方向性模型基础上, 指出热红外多角度遥感提供了直接反演组分温度的可能性, 但这是一个多参数的同步反演问题. 通过数值模拟和实验验证表明, 演化算法是一个行之有效的多参数同步反演方法. 热红外多角度遥感与演化反演算法结合有望实现组分温度反演精度达到1 K以内的目的.     

卫星反照率产品的多尺度验证与不确定性分析

中低分辨率卫星反照率产品反映了局地与全球尺度地表吸收太阳短波辐射的能力,在气候变化与能量平衡研究中具有重要应用.卫星产品的精度通常基于地面观测值进行验证,而中低分辨率卫星反照率产品的验证需面对卫星与地面观测尺度的差异这一难题.引入高分辨率反照率作为尺度转换桥梁是一种常用验证策略,但高分辨率反照率数据本身的误差,以及它与地面观测、中低分辨率产品的互匹配都可能给验证结果带来不确定性.本文验证策略对这些不确定性进行了控制:以不确定性最小原则设计地面采样策略,用地面观测值对30 m分辨率反照率(用国产HJ-1a/b卫星数据反演得到)进行了校正,用校正后的30 m反照率升尺度后,选择不确定性更小的像元评价中低分辨率反照率的精度.以中国黑河流域中游为研究区开展了对GLASS和MODIS两种1 km分辨率反照率产品的验证试验.验证结果表明,尺度转换后的HJ反照率可以精确的检验低分辨率反照率产品的精度,但是必须考虑验证过程中的不确定性,并在验证时排除不确定性过大的像元.     

全球30m空间分辨率耕地遥感制图研究

耕地是全球地表覆盖制图中重要的地表覆盖类型之一,其变化影响着人类社会经济发展、粮食安全与生态环境保护.现有全球耕地制图产品空间分辨率较粗,缺乏高空间分辨率的全球耕地数据产品.本研究利用全球2000/2010两期30m空间分辨率遥感影像数据集(Landsat TM/ETM+、HJ-1)、MODIS 250m空间分辨率NDVI时间序列数据及多种参考资料,针对全球尺度30m影像中耕地提取的难点,提出基于像元、对象和知识3个层次的耕地提取方法,即基于像元尺度多特征优化的耕地分类提取、基于对象的耕地自动判别以及基于信息服务和先验知识的交互式对象处理,完成了全球两期30m耕地遥感制图,并对全球耕地的面积等信息进行统计分析.结果表明,全球2000年和2010年耕地总面积分别为19.03亿ha和19.60亿ha.精度评价结果表明,两期全球30m耕地遥感制图总体精度均达到92%以上.本研究研制的2000/2010两期的全球耕地遥感数据产品,在空间分辨率和分类精度上均优于国际上同类产品,为全球粮食安全、生态环境监测和全球变化等研究提供了重要基础数据.     

遥感反演连续植被叶面积指数的空间尺度效应

叶面积指数（LAI）是描述植被冠层几何结构的最基本的参数,是气候模型、地-气相互作用等过程的重要输入参数．近年来遥感反演LAI的尺度效应问题得到广泛关注．在作物冠层反射率模型基础上,讨论了LAI尺度效应的产生机制,并获得不同尺度之间LAI的转换公式,数值模拟试验和实际遥感图像试验都证明了该尺度转换公式的可靠性．     

基于分形的巴谢河流域滑坡空间分布格局及其影响因素分析

定量研究区域滑坡空间分布规律,揭示不同类型滑坡的分布格局,对预测和评价滑坡危险性有重要指导意义。基于ArcGIS空间分析功能及分形理论的关联维数和盒计维数,分析了巴谢河流域黄土滑坡及黄土-泥岩滑坡的空间分布格局及其影响因素。结果表明：区域滑坡个体关联具有多尺度分形,黄土滑坡与黄土-泥岩滑坡分别在8 km、12 km尺度上存在阈值,滑坡个体在该阈值尺度前后呈现不同的相关程度,且黄土滑坡个体空间的关联程度和聚集程度均高于黄土-泥岩滑坡;黄土-泥岩滑坡分布范围广、形态复杂,其面积展布盒计维数大于黄土滑坡;地层岩性及坡度对两类滑坡分布格局的影响较大,沟壑密度次之,起伏度影响较小。     

ldquo;2005.0中国地磁测量rdquo;地磁测点均匀性的分形表征.

为研究ldquo;2005.0中国地磁测量rdquo;地磁测点空间分布均匀性特征,基于分形理论,介绍了用分形学描述地磁三分量测点空间分布均匀性的方法．该方法将测点存在的区域以不同尺度划分为相等面积的小方块,提取不同方块区域内的三分量测点的数目与尺度,在双对数坐标中进行线性拟合,直线斜率的绝对值即为分形维数Df,并以此作为评价地磁三分量测点空间分散均匀性的指标．通过对ldquo;2005.0中国地磁测量rdquo;地磁测点均匀性的定量研究,结果表明,中国大陆区域、大陆105deg;E以东和105deg;E以西区域地磁三分量测点的分形维数Df各不相同,分别为1.748, 1.796和1.609; 105deg;E以东区域比105deg;E以西区域的分形维数更接近于其嵌入维数E=2（地球表面）,意味着105deg;E以东区域的地磁三分量测点空间分布更均匀．      

星载SAR遥感图像反演海洋大气边界层高度

本研究将边界层相似理论与对流理论应用到具有海洋大气边界层(Marine Atmospheric Boundary Layer, MABL)对流特征的星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)遥感图像,探讨了星载SAR遥感图像描述海气应力作用下水平扰动尺度变化的潜在可能性.针对具有三维对流涡旋Cell和二维水平滚轴涡旋Roll特征的星载SAR遥感图像,反演了中国海海域MABL高度,并与同步实验获取的MABL高度结果进行对比.结果表明,利用具有对流特征的星载SAR遥感图像反演MABL高度是可行的,展示了以高分辨率、大面积观测为特点的星载SAR遥感图像探测MABL的广阔前景.     

基于FY-3B/MWRI数据的青藏高原地区地表发射率反演

以青藏高原地区为研究区域,利用FY-3B/MWRI(Microwave Radiation Imager)一级亮温数据和NCEP(the National Centers for Environmental Prediction) FNL(Final)全球业务分析资料,通过简化的微波辐射传输方程反演了晴空大气条件下的地表微波发射率.进而根据IGBP(International Geosphere-Biosphere Program)陆表覆盖分类数据,进一步分析了青藏高原地区微波地表发射率的频谱和空间分布特征,并分析了反演误差的来源.结果表明:青藏高原地区微波地表发射率的空间分布、频谱特征都与地表覆盖类型分布特征高度吻合,呈现出西北部地表发射率极化差异大,东南部极化异差小的分布特征.本研究中地表发射率的反演误差主要来自降水像元判别方案、再分析资料的时空匹配.还需要进一步研究定量误差,以期提高反演精度,进而建立长时间序列的地表发射率数据库,为青藏高原地球物理参数的遥感反演提供数据支持.     

多角度卫星遥感多阶段目标决策反演研究

利用小波变换, 对多角度卫星遥感图像进行多尺度分解, 在每一尺度上进行多阶段目标决策, 粗尺度的反演结果作为细尺度反演的先验信息, 反演逐步细化, 直到最初的观测尺度. 为实现多阶段目标决策反演策略应用于区域范围的卫星遥感反演实践提出了一种解决的方法. 利用MISR数据, 反演内蒙半干旱草场的植被结构参数, 初步验证表明该方法有效.     

基于遥感特征指数的地表水体自动提取技术研究

为了从海量遥感数据中有效地提取地表水体信息,并提高自动化提取效率,提出了一种基于遥感特征指数的地表水体自动提取方法.该方法选取归一化植被指数(NDVI)、归一化建筑指数(NDBI)和修正归一化水体指数(MNDWI)作为遥感特征指数集,并根据这些指数构建了遥感特征指数曲线.通过分析,发现地表水体在特征曲线中单调上升,植被在特征曲线中单调下降,而其它地物并无此特征.因此,根据这一规律,利用ERDAS IMAGINE软件建立了自动化提取模型.通过与其他方法对比,表明所建立的模型在精度和自动化方面都明显优于其他方法,可用于海量数据地表水体的自动提取.最后,在ARCGIS环境下,并通过决策树模型初步实现了地表水体的自动分类.     

运用SAR图像和TM热红外图像定量反演地表空气动力学粗糙度的二维分布

在分析“陆地表面与大气相互作用”研究领域对地表空气动力学粗糙度二维分布的科学需求后, 确定以SAR (Synthetic Aperture Radar)图像的后向散射系数与地表的几何特征参数、介电常数等参数具有定量关系的SPM(Small Perturbation Model)模型为基础, 提出了运用TM热红外图像和地面同步观测的微气象数据相结合的热惯量-土壤湿度反演模型, 获取了试验区内土壤表层的湿度信息, 通过与介电常数的链结, 从SAR图像的后向散射的复合信息中解析出像元尺度的非体散射地表的几何特征信息; 经过形态因子的转换, 在SAR图像和TM图像空间尺度转换的基础上得出非植被区的等效几何粗糙度信息. 再应用作物高度的光谱模型, 计算出试验区的作物高度后, 转换为等效几何粗糙度. 采用分层镶嵌等图像处理方法, 生成了试验区像元尺度的地表等效几何粗糙度的二维分布图. 根据大气湍流理论和大气稳定度订正方法, 对测量的大气温度剖面数据和风速剖面数据进行迭代运算, 获取了试验区内裸土及小麦植被等类型地表风浪区的空气动力学粗糙度实测值. 在分析风浪区等效几何粗糙度、动力因子、热力因子对空气动力学粗糙度的共同作用后, 建立了由地表等效几何粗糙度向空气动力学粗糙度转换的尺度转换模型. 运用实测值验证了这一系列模型最终反演结果, 表明整个研究思路是可行的, 并可望应用于与空气动力学粗糙度有关的地-气相互作用的区域化研究领域.     

煤层气赋存的分形特征研究

本文利用红外热成像手段,对微小煤样内的甲烷吸附区进行了观察,并评估其吸附特征与在煤中的分布规律.研究表明煤中存在不同尺度与甲烷吸附能力的甲烷富集区,吸附/解吸甲烷时,甲烷富集区比邻近区域具有更明显的升温/降温现象.通过图像处理的方法对不同吸附压力条件下的红外热像图中的甲烷富集区进行提取,采用盒维数进行统计发现甲烷富集区符合分形规律.试验表明随着吸附压力升高,甲烷富集区的分形维数增大,分布初值减小.对两个不同煤田的煤层气富集区进行统计表明：从微米级到千米级尺度范围内,甲烷富集区分布具有分形特征,且分形维数均在1.5~2.00之间.     

近岸Ⅱ类水体表层悬浮泥沙浓度遥感模式研究进展

因为具有明显的时间与空间分辨率优势,遥感数据成为近岸Ⅱ类水体悬浮泥沙浓度(SSC)信息提取研究的重要数据源之一.悬浮泥沙遥感信息提取的现状可归纳为:(1)建立近岸Ⅱ类水体SSC遥感模式的方法有三种类型,分别是基于地面光谱与SSC测量的反射率反演方法、基于图像信息法和基于大气辐射传输理论模型法;(2)基于地面测量的反射率反演方法属于理论与经验相结合的方法,也是目前用于SSC定量化遥感模式研究的常用方法.其数学表达形式包括线性关系式、对数关系式、负指数关系式、Gordon模式和综合模式等;(3)到目前为止已有的Ⅱ类水体SSC遥感模式适用性方面还不理想,远未达到与试验室分析相匹配的精度.文章认为:加强地面水文光谱实验研究,建立多光谱SSC定量模式,以高分辨率和高光谱遥感融合数据为基础的SSC定量遥感是今后该方向发展趋势.     

基于环境一号卫星高光谱遥感数据的巢湖水体叶绿素a浓度反演

三波段模型是基于生物光学模型构建的叶绿素a浓度反演半分析模型,是目前反演内陆富营养化浑浊水体叶绿素a浓度效果较好的方法.本文通过星地同步实验,分析巢湖水体各组分光谱特征,分别基于地面实测数据与环境一号卫星高光谱遥感数据建立三波段模型反演巢湖水体叶绿素a浓度.结果表明,由于特征波段在不同数据源的位置不同,导致了两个模型波段选择及反演精度的差异.因此,只有在充分考虑遥感数据的光谱特征的条件下,分析遥感信息理论和实际图幅影像有效结合在一起的地物信息,才能进一步优化三波段模型的波段选择,实现遥感数据定量反演水体叶绿素a浓度的目标.     

BRD和DOAS SO_2总量遥感反演算法的比对

大气中SO_2是一种对城市大气环境变化和全球辐射能量平衡有着重要影响的痕量气体.BRD(Band Residual Difference Algorithm)和DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy)算法是两种主要的SO_2总量遥感反演算法,分别被用于美国和欧洲不同卫星载荷数据的SO_2反演.然而,目前缺少两种算法在相同观测条件下SO_2反演的精度比较及不确定性分析、在物理数学反演机制上的差异追因.因此,本文基于相同的仿真模拟数据和卫星紫外辐射观测数据,反演获得不同大气状况下的BRD和DOAS SO_2总量并进行精度比较验证.从算法反演通道、O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度影响等方面,讨论分析BRD和DOAS反演结果差异及反演误差的原因.结果表明,在低浓度SO_2情况下,BRD反演SO_2总量更接近于正演输入SO_2总量,DOAS反演结果存在高估,但相对于BRD算法,DOAS算法长时间序列卫星反演结果更能表现出SO_2的季节变化特征;在高浓度SO_2情况下,BRD(310.8~314.4nm)和DOAS(315~327nm)反演结果的绝对值差异明显且存在低估,BRD(310.8~314.4nm)SO_2反演值及反演精度都低于DOAS(315~327nm)反演结果.基于高光谱分辨率大气辐射传输模型SCIATRAN的反演不确定性分析结果显示,反演通道选择、紫外O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度对SO_2总量反演精度的影响较大.本研究对于SO_2卫星遥感反演算法的改进及SO_2反演产品的应用具有重要的科学意义,也可促进中国未来大气成分SO_2卫星遥感产品的研发.     

模拟井中油气水三相泡状流流型的分形与混沌特征

应用分形及混沌理论,对油气水三相流模拟装置中采集的油气水三相泡状流混合密度波动信号进行了表征,提取的分形维数及混沌吸引子相关维分别在1.1-1.282及4.13-5.87之间.对分相含率(含水率、含气率、含油率)相同而总流速不同的情况,其分形维数及混沌吸引子相关维随总流速呈现相同的变化趋势,从功率谱特征曲线的波动程度上也验证了分形维数及混沌吸引子相关维随总流速变化趋势的正确性.另外,还对混合密度时间序列波动信号提取了最大Lyapunov指数,证明了垂直上升管中油气水三相泡状流是-混沌系统.     

一种新型重力测量卫星系统确定全球重力场的性能分析

本文设计了一种高-低卫星跟踪卫星、低-低卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量相结合的新型重力测量卫星系统,其可在一定程度上发挥卫星重力梯度和低低卫星跟踪卫星两种测量模式各自的优势.基于重力卫星系统指标设计的半解析法,深入分析了不同重力测量卫星系统配置和不同观测量及其不同白噪声水平情况下,新型卫星重力测量模式反演重力场模型的能力.数值模拟分析结果表明：在观测值精度和星间距离相同的条件下,轨道高度是影响重力场反演精度的关键因素;随着星间距离的增大,高频重力场信号反演精度会先提高后降低,轨道高度在200~350 km之间时,星间距离在150~180 km之间时反演精度最优;星间距离变率和卫星重力梯度两类观测值仅在某些精度配置时可达到优势互补,如果某一类观测值精度很高,则另一类观测值在联合解算时贡献非常小或者没有贡献.在300 km轨道高度,若以GRACE和GOCE任务的设计指标1 μm·s^-1/√Hz和5 mE/√Hz来配置新型重力测量卫星系统中星间距离变率和引力梯度观测值的精度,联合两类观测值解算200阶次模型大地水准面的精度比独立解算分别提高1.2倍和2.8倍.如果以实现100 km空间分辨率1~2 cm精度大地水准面为科学目标,考虑卫星在轨寿命,建议轨道高度选择300 km,星间距离变率和卫星重力梯度的精度分别为0.1 μm·s^-1/√Hz和1 mE/√Hz.本文的研究成果可为中国研制自主的重力测量卫星系统提供参考依据.