高分五号可见短波红外高光谱相机设计与研制

本文介绍了高分五号(GF-5)卫星上的主载荷之一—可见短波红外高光谱相机AHSI (the Advanced Hyperspectral Imager)的基本结构、成像原理、系统组成、关键技术和系统性能。该相机是国际上首个采用改进型Offner结构凸面光栅分光的星载高光谱相机,具有60 km的幅宽、30 m的空间分辨率和5/10 nm的光谱分辨率,同时获取地表地物在400—2500 nm范围内330个谱段的空间、辐射与光谱信息,具有突出的地物探测和识别能力。相比国际上经典的高光谱相机Hyperion,该相机幅宽提高8倍,谱段数增加近百个,信噪比提升近4倍;与德国、日本、意大利、印度等国际上当前发展的高光谱相机比较,该相机在幅宽和光谱通道数等方面具有明显优势,其综合性能处于国际领先水平。     

融合Sentinel-2数据的高分五号高光谱数据降尺度

高分五号(GF-5)是中国首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星,其搭载的可见短波红外高光谱相机AHSI提供的遥感数据拥有极高的光谱分辨率。然而,AHSI数据的空间分辨率为30 m,较低的空间分辨率限制了应用场景。为实现GF-5数据的降尺度,本文通过融合10 m哨兵二号(Sentinel-2)多光谱数据,生成10 m GF-5高光谱数据。在方法上,针对现有先进的信息损失引导的图像融合方法ILGIF (Information Loss-Guided Image Fusion)在高光谱图像降尺度中计算时间成本高的问题,本文提出了其快速版本FILGIF (Fast ILGIF)。另一方面,在降尺度过程中,本文考虑并估计了30 m GF-5高光谱数据和10 m Sentinel-2数据之间的尺度转换点扩散函数PSF (Point Spread Function),提高融合数据质量。实验结果验证了融合Sentinel-2数据用于GF-5高光谱数据降尺度的可行性。同时,结果表明：在获得与ILGIF相当精度的前提下,FILGIF大幅提高了运行效率;尺度转换PSF对降尺度过程有着重要影响,其准...     

高分四号静止卫星数据的地表反照率反演

地表反照率(Albedo)是描述地表辐射能量平衡的重要参数,为了获得高分四号(GF-4)静止卫星的地表反照率产品,构建了一种基于核驱动双向反射率分布(BRDF)模型的反照率反演方法。首先,探索核驱动BRDF模型对GF-4卫星数据的适用性,加入地表分类信息,为核系数赋初值,并引入鲍威尔迭代算法优化模型结果。然后,对BRDF模型进行角度积分获得各个波段的地表窄波段反照率。在此基础上,结合GF-4卫星光谱响应函数与光谱库,首次建立了将窄波段反照率到宽波段反照率的转换系数,并反演得到0.4—0.7μm和0.3—3.0μm的宽波段反照率。最后,利用Landsat 8卫星数据和MODIS地表反照率产品对基于GF-4卫星数据的地表反照率反演结果进行交叉验证。Landsat 8与GF-4的反照率结果对比表明,GF-4卫星可见光范围内的反照率反演结果精度为85.6%,短波范围内的反照率反演结果精度为93.4%;MODIS与GF-4的反照率结果对比表明,可见光范围的地表反照率精度达到87.7%,短波范围的地表反照率精度达到85.9%。这说明GF-4卫星地表反照率反演结果具有较高精度,GF-4卫星反照率产品具有一定应用潜力。     

哨兵1号和高分三号SAR数据海浪谱反演精度评估

Ocean wave is one of the important marine dynamic phenomenon that affect human activities. At present, the main observation means include buoy observation, marine numerical prediction model, and microwave remote sensing observation. However, we cannot conduct large-scale observation by buoy, and the marine numerical prediction model’s result is not measured data. Spectrometers and altimeters in microwave remote sensing instruments can also measure spectral parameters. However, SAR, which has a higher resolution, can provide 2D sea surface information. The Sentinel-1 satellite of ESA and GF-3 satellite independently developed by China are now in orbit, and numerous teams are working to retrieve wave parameters from SAR data of these two satellites. In this work, we compared the wave parameter inversion accuracy of Sentinel-1 SAR Interferometric Wide Swath model and GF-3 SAR strip model based on wave spectrum, which provides a reference for the wide application of GF-3 SAR data. The sea states according to the ERA-5 data of ECMWF are divided into three categories: low, moderate, and high sea states. The sea areas of Hormuz and Malacca Straits of the maritime Silk Road in the Indian Ocean and the coastal waters of the Pacific and Atlantic Ocean are selected as the study areas. Meanwhile, the SAR data of Sentinel-1 and GF-3 satellites under different sea states are selected as the data source. The MPI method is used to retrieve the wave spectrum and wave parameters using the E spectrum as the initial guess. Subsequently, the SAR data inversion results of the two satellites under different sea states are compared with the ERA-5 and buoy wave data. The inversion accuracy of the wave parameters can be verified by calculating the values of the Root Mean Square Error (RMSE) and Scatter Index (SI), and the inversion accuracy of the wave parameters of the two satellites under different sea conditions can be compared. The RMSEs of significant wave height (Hs) retrieved by GF-3 SAR under low, moderate, and high sea conditions are 0.30, 0.34, and 0.48 m, and those of mean wave period (Tm) are 1.02, 0.99, and 0.95 s, respectively, compared with the ERA-5 data. In addition, the RMSE of Hs retrieved by Sentinel-1 SAR under low, moderate, and high sea conditions are 0.30, 0.29, and 0.33 m, respectively, and the RMSEs of Tm are 0.94, 0.51, and 0.64 s, respectively. The RMSEs of Hs and Tm under different sea conditions retrieved by GF-3 SAR are 0.38 m and 0.99 s, and those of Hs and Tm retrieved by Sentinel-1 SAR are 0.31 m and 0.70 s, respectively, compared with the ERA-5 data. The RMSEs of the retrieved Hs and Tm of GF-3 satellite are 0.42 m and 0.94 s, and those of the retrieved Hs and Tm of Sentinel-1 are 0.40 m and 0.91 s, respectively, compared with the buoy data. The SAR wave parameter inversion of Sentinel-1 and GF-3 SAR based on the wave spectrum shows that the inversion results of the two satellites meet the index requirements in this field, and the accuracy of the inversion results of wave spectrum is the same. The strip mode SAR data of GF-3 satellite, China’s first self-developed SAR satellite, has broad prospects in marine research fields. © 2023 National Remote Sensing Bulletin. All rights reserved.     

机载高光谱热红外数据的地表温度和发射率反演与应用

机载高分辨率遥感是高分对地观测的重要部分,其中高分辨率高光谱热红外数据的光谱发射率可以用于矿物识别,是对可见光遥感地物识别的有效补充。机载高光谱热红外传感器TASI（Thermal Airborne Hyperspectral Imager）在8—11.5 μm范围内设置了32个波段,在国内外常被用于地表热辐射信息、矿产资源探测等领域。本文利用2018-10在新疆富蕴县研究区的TASI航空飞行数据,首先基于再分析大气廓线NCEP数据与MODTRAN实现了TASI高光谱热红外数据的大气校正,并在基础上发展了温度与发射率分离方法TES（Temperature and Emissivity Separation method）反演研究区地表温度与发射率,采用多波段热辐射计CE312测量的地面发射率对反演结果进行了有效验证,结果表明波长大于9.6 μm的波段的发射率误差约为0.01。最后,结合反演的TASI发射率光谱曲线,采用光谱角度匹配方法提取了研究区高岭石的空间分布。研究工作涉及的相关算法与应用成果可为星载高分辨率热红外载荷数据的应用提供了相关参考。     

应用天宫一号高光谱红外谱段数据反演地表温度产品及验证

本文利用天宫一号获取的具有高空间分辨率的红外谱段数据,选择黑河中游作为反演区域,基于辐射传输模型和Planck定律进行地表温度反演.影像的反演结果表明使用天宫一号高空间分辨率的红外谱段反演得到的地表温度能更细致合理的刻画地表温度分布,这对地表温度异质性的研究具有重要意义.为了进一步验证反演精度,本文依托黑河流域已有观测平台和系统,选取黑河中游8个典型下垫面作为验证场地,开展地面同步观测实验.实验结果表明通过反演获得的地表温度与地面实测数据的平均偏差为-0.375℃,这也说明本文的反演过程能够较为精确的使用天宫一号红外谱段反演地表温度.     

天宫一号数据地表温度反演及其在城市热岛效应中的应用

针对天宫一号高光谱成像仪红外波段数据提出了一个单通道地表温度反演算法,算法的输入参数为大气水汽含量和地表发射率.利用模拟数据和黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验的地面实测数据对算法进行了精度评价,结果表明算法的均方根误差为2.72 K,能够满足大多数应用研究的需求.以北京市二环以内为研究区域,采用4个时相的天宫一号高光谱红外波段数据进行了城市热岛效应研究,结果表明天宫一号高光谱红外波段数据适合用来进行街区尺度的城市热岛效应研究,具有很大的应用潜力.     

热红外遥感地表温度与发射率地面验证进展

地表温度与发射率是地表—大气系统长波辐射和潜热通量交换的直接驱动力,是描述区域和全球尺度上地表能量平衡与水平衡的重要参数,其时空变化信息在气象预测、气候变化、水循环、地质勘探、农林监测和城市热环境等诸多领域具有广泛的应用.热红外遥感作为当前获取区域或全球尺度上地表温度和发射率的最有效手段之一,相较于传统的地面点位测量方...     

高分五号高光谱影像矿物精细识别

矿物识别是高光谱遥感技术优势之一,已在地质矿产领域取得了显著应用效果。随着光谱分辨率的不断提高,高光谱遥感矿物识别逐渐从识别矿物种类向矿物亚类、矿物成分等精细信息识别发展,且随着应用实践的不断深入,对矿物精细信息的需求也越来越大。而光谱分辨率和矿物识别方法是制约高光谱矿物精细识别的主要因素。高分五号(GF-5)超高的光谱分辨率为矿物精细识别提供了可能。首先在分析总结已有高光谱矿物识别方法优缺性的基础上,提出了综合光谱特征增强匹配度和特征参量的矿物识别方法;其次,选取甘肃柳园和美国Cuprite两个研究较多的地区为研究对象,基于GF-5卫星数据开展了矿物精细识别,在完成矿物种类、亚类识别的基础上,进一步对绢云母成分信息进行了反演;最后,结合上述地区已有机载高光谱数据及填图结果开展对比分析。结果表明:GF-5矿物识别信息分布与机载HyMap、AVIRIS一致性很好,相较机载数据GF-5矿物识别平均正确率优于90%,说明本研究提出的矿物识别方法能够满足GF-5矿物精细识别,可为后续业务化应用提供技术支撑,同时认为超高的光谱分辨率使得GF-5在矿物成分信息识别上更具优势。     

高分五号高光谱数据融合方法比较

数据融合是解决高光谱卫星在时空分辨率等指标上受限的有效途径,探讨不同方法在GF-5高光谱数据上的融合效果,对GF-5高光谱数据的信息挖掘与推广应用有着重要意义。本文本着算法简单易用、适于推广的原则,采用GS（Gram-Schmidt）葛兰—施密特正交变换融合算法、GSA（GS Adaptive）自适应GS融合算法、CNMF（Coupled Non-negative Matrix Factorization）耦合非负矩阵分解融合算法、CRISP-W（Color Resolution Improvement Software Package with Wavelet transform）基于小波变换和CRISP-B（Color Resolution Improvement Software Package with Butterworth）基于巴特沃斯滤波器的分辨率提升融合算法、GLP（Generalized Laplacian Pyramid）广义拉普拉斯金字塔融合算法共6种融合方法,分别对BJ-2、GF-2、GF-1、GF-1C、GF-1D国产卫星多光谱数据与GF-5高光谱数据进行融合实验。通过目视分析、指标评价（相关系数、通用图像质量指标、峰值信噪比、光谱角、全局综合误差）、分类应用、时间成本4种方式对融合结果进行综合比较分析。结果表明,相融合的一组图像系列相同、空间分辨率相差越小,融合结果越好。CRISP-B、CRISP-W、GLP在提升空间分辨率、光谱保真度方面能达到较好的平衡,空间重建方面,GLP稍优且更稳定,CRISP-B、CRISP-W则在光谱信息保持方面稳定性更强且效果更好。数据源会对融合方法产生一定的影响,在光谱特征信息提取、分析等对光谱保真度要求高的工作中,GLP更适合同源数据（如GF-5与GF-1/1C/1D/2）融合,而在多源数据间（如GF-5与BJ-2）进行融合时,则优先选择CRISP-W。CNMF存在一定程度的色彩畸变,且运行时间较长。GSA、GS融合效果最差,其中,GSA不论是光谱保持能力还是空间分辨率提升能力均较GS更稳定。在小样本高光谱图像分类应用中,CRISP-B融合结果分类效果稳定,分类精度较高。GSA融合结果空间细节丰富,虽光谱失真较为严重,但同时增大了地物光谱分离度,仍适用于准确勾勒建筑物、道路等地物。本研究为GF-5高光谱数据与其他国产卫星多光谱数据融合方法的选择提供参考,有助于高分五号高光谱数据的应用与推广。     

高分五号热红外传感器多通道SST反演

2018-05高分五号（GF-5）卫星发射升空,其上搭载的全谱段成像仪在热红外8—13 μm谱段范围内具有4个温度反演通道（B09,B10,B11,B12）,空间分辨率设计优于40 m,在国内民用传感器领域实现了由单通道向多通道、中空间分辨率向高空间分辨率的跨越式突破,使得GF-5卫星热红外数据在地表热环境遥感领域具有极其重要应用价值。本研究基于GF-5的4个热红外通道的通道响应函数,利用全球742条TIGR（Thermodynamic Initial Guess Retrieval）探空廓线数据,进行不同观测角度、水汽含量和海表发射率条件下的MODTRAN4.0（Moderate resolution atmospheric Transmittance and Radiance code4.0)辐射传输过程模拟,基于模拟结果分别对两通道、三通道和四通道劈窗算法海表温度SST（ Sea Surface Temperature）反演系数进行修订,并分析观测角度、水汽含量和海表发射率对不同通道组合的精度影响,并通过GF-5卫星实际反演的SST结果进行验证。GF-5全谱段成像仪SST反演两通道劈窗算法组合共有6种,即B09-B10、B09-B11、B09-B12、B10-B11、B10-B12、B11-B12;三通道劈窗算法组合共有4种,即B09-B10-B11、B09-B10-B12、B09-B11-B12、B10-B11-B12;四通道劈窗算法组合1种,即B09-B10-B11-B12。通过对不同通道组合形式研究发现,水汽含量对SST反演精度有较大的影响,且温度反演的精度随着水汽含量的增加而降低;其次是观测角度,SST反演精度随着观测天顶角的增大而降低;最后是发射率的影响,两通道、三通道和四通道劈窗算法SST反演精度随着发射率的变化总体在0.1 K以内变化。最后以大亚湾核电站周围海域为验证区,用GF-5热红外遥感影像进行SST的反演并做误差分析,结果表明B09-B10通道SST反演实际误差为0.57 K,反演精度较高,实际误差与理论模拟误差相差0.24 K,差异的来源主要包括辐射定标和传感器噪声等要素影响,其他通道形式反演精度有待于传感器响应稳定后进一步验证。     

单窗算法结合Landsat8热红外数据反演地表温度

Landsat热红外系列数据一直是地表温度反演重要的遥感数据源,目前用于地表温度反演的单窗算法主要针对Landsat TM/ETM+第6波段数据(TM 6)建立的,Landsat 8热红外传感器(TIRS)与TM 6相比有很多变化,因而其单窗算法也需要改进。本文以Landsat 8 TIRS第10波段(TIRS 10)为数据源,提出了针对TIRS 10的单窗算法(TIRS10_SC),并对研究区地表温度进行反演研究,确定了研究区不同类型地表的温度值。研究结果表明:(1)TIRS10_SC算法可以较好地应用于Landsat 8数据的地表温度反演,平均反演误差为0.83℃,相关系数为0.805,反演温度与模拟数据和实测数据都具有较好的一致性;(2)通过对单窗算法中的地表发射率、大气水汽含量和大气平均作用温度等参数敏感性分析发现,TIRS10 SC算法能够获得较为可靠的反演结果;同时,TIRS10 SC算法对大气水汽含量和地表发射率敏感性较高,对大气平均作用温度敏感性稍弱。该算法对于利用Landsat 8 TIRS数据快速反演地表温度具有应用价值。     

TASI数据的温度与发射率分离算法

建立了适合于TASI的热红外高光谱发射率的经验关系,以此修正了分离方法(TES)中的MMD模型,在对温度和发射率进行精度评价的基础上,将反演结果应用于城市地表温度的日较差分析。结果表明：(1)反演的温度与实测温度的平均绝对误差为1.8 K,平均相对误差为0.59%;(2)地面实测宽波段发射率与反演发射率的平均差值为0.036,差值的标准差为0.032;(3)同种地物的发射率曲线的反演结果与实验室测量发射率曲线的波形是一致的;(4)温度日较差分析结果是合理的。因此,本文的反演精度能满足研究需求,将该方法应用于TASI数据的温度与发射率的分离是可行的。     

Landsat卫星热红外数据地表温度遥感反演研究进展

作为驱动地表与大气之间能量交换的关键物理量,地表温度在众多领域中都发挥着重要作用,包括气候变化、环境监测、蒸散发估算以及地热异常勘探等.Landsat热红外数据因其时间连续性和高空间分辨率等特点被广泛应用于地表温度反演中.本文详细地介绍了Landsat热红外传感器及其可用的数据与产品的现状,梳理了2001年-2020年...     

基于ASTER GED产品的地表发射率估算

地表发射率是地表温度反演的重要输入参数,为了解决现有地表发射率估算方法在裸露地表精度较差的问题,本文基于最新的ASTER全球地表发射率产品(ASTER GED)和基于植被覆盖度的方法(VCM),提出了一个改进的地表发射率估算方法。首先,利用ASTER GED产品求解裸土发射率,然后,利用ASTER波谱库中的植被发射率和植被覆盖度结合VCM方法计算地表发射率。利用张掖地区2012年11景ASTER TES算法反演的地表发射率产品和实测地表发射率数据进行了验证,同时利用一景Landsat 8 TIRS数据分析了对地表温度反演精度的影响。结果表明该方法估算的地表发射率整体精度较高,可以有效改进裸露地表的发射率估算精度,用于支持利用多种热红外传感器数据生产高精度的地表温度产品。     

高分五号AIUS气温反演通道的选择

高分五号卫星搭载的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪AIUS（Atmospheric Infrared Ultraspectral Sounder）是中国研发的第一个红外波段具有甚高光谱分辨率的掩星探测仪,为大气分布状态的研究提供了强有力的数据支持。气温是表征大气热力状态的重要参数,其分布状态直接影响地—气系统长波辐射和太阳短波辐射的相互作用,进而对全球辐射能量的收支平衡产生影响。采用高光谱数据直接进行气温反演的数据量较大、存储不便,并且不同波谱信息之间存在相关性,因此需要进行通道选择。考虑到实际气温反演精度受干扰成分的影响较大,致使反演精度较低,本文基于信息熵的通道选择算法与目标成分及干扰成分的敏感性分析相结合开展试验完成AIUS掩星观测数据的通道选择,为后期AIUS的温度反演奠定基础。首先,基于RFM（Reference Forward Model）正向辐射传输模型进行目标成分及干扰成分的敏感性分析,探究通道选择的可行性及进行初步的通道选择;然后,基于信息熵的理论进行通道选取,并对结果进行分析讨论;最后,依据通道选取结果,结合最优化算法进行温度反演效果验证。研究表明,掩星观测对气温变化具有较高的敏感性,该通道选择方法在掩星观测模式下是可行的;随通道数目的增加,信息量大体呈对数型增加,在通道个数为1000时接近饱和;在保证运算效率条件下,选用AIUS的100个通道进行温度反演,可基本满足精度需求。     

Temperature and emissivity separation and mineral mapping based on airborne TASI hyperspectral thermal infrared data

Thermal infrared remote sensing (8–12 μm) (TIR) has great potential for geologic remote sensing studies. TIR has been successfully used for terrestrial and planetary geologic studies to map surface materials. However, the complexity of the physics and the lack of hyperspectral data make the studies under-investigated. A new generation of commercial hyperspectral infrared sensors, known as Thermal Airborne Spectrographic Imager (TASI), was used for image analysis and mineral mapping in this study. In this paper, a combined method integrating normalized emissivity method (NEM), ratio algorithm (RATIO) and maximum–minimum apparent emissivity difference (MMD), being applied in multispectral data, has been modified and used to determine whether this method is suitable for retrieving emissivity from TASI hyperspectral data. MODTRAN 4 has been used for the atmospheric correction. The retrieved emissivity spectra matched well with the field measured spectra except for bands 1, 2, and 32. Quartz, calcite, diopside/hedenbergite, hornblende and microcline have been mapped by the emissivity image. Mineral mapping results agree with the dominant minerals identified by laboratory X-ray powder diffraction and spectroscopic analyses of field samples. Both of the results indicated that the atmospheric correction method and the combined temperature–emissivitiy method are suitable for TASI image. Carbonate skarnization was first found in the study area by the spatial extent of diopside. Chemical analyses of the skarn samples determined that the Au content was 0.32–1.74 g/t, with an average Au content of 0.73 g/t. This information provides an important resource for prospecting for skarn type gold deposits. It is also suggested that TASI is suitable for prospect and deposit scale exploration.     

利用Landsat 7与GF-1 WFV影像反演地表温度

地表温度在地气循环系统中具有重要作用,是目前地理学研究的重点。然而目前的国产高分辨率影像缺少热红外波段,且具有热红外波段的影像分辨率较低。基于此,本文利用低分辨率影像降尺度方法反演高分辨率影像的地表温度。首先通过Landsat 7影像的热红外波段,提取典型地物的地表温度;对GF-1 WFV影像进行预处理后,利用全约束最小二乘法对高分辨率影像进行混合像元分解;根据平均温度模型,得到高分辨率影像的地表温度,并进行降尺度,通过Landsat 7影像进行精度验证。验证结果显示,均方根误（RMSE）为1.40℃,平均绝对误差（MAE）为0.44℃,精度较高。