中国海洋水色卫星传感器COCTS HY-1D产品初步评价

卫星遥感产品的真实性评价对利用遥感产品开展应用研究具有重要的意义。本文利用全球典型的长期固定平台现场测量数据对中国自主海洋水色卫星HY-1D所搭载的水色水温扫描仪COCTS (COCTS HY-1D)遥感反射率(R_rs)和叶绿素a (Chl-a)产品进行了评价,并在全球尺度上通过与国际主流海洋水色卫星传感器的产品进行了进一步的对比分析。结果表明,COCTS HY-1D R_rs产品与现场测量R_rs数据吻合较好,可见光波段相关系数在0.91—0.98,各波段平均绝对百分比误差平均值约为22.9%。相较于国际主流海洋水色卫星传感器MODIS Aqua与现场数据各波段平均绝对百分比误差平均值约为20.5%的比较结果,产品精度相当;在全球尺度上,与MODIS Aqua相比,R_rs产品分布趋势一致,数值大小一致,相关系数在蓝光波段较高,可达0.94,各波段相关系数平均值为0.84。Chl-a产品相关系数为0.85,高于MODIS Aqua与VIIRS-SNPP的Chl-a产品的相关系数0.76。整体上,COCT...     

HY-1C/D海洋水色卫星产品体系及其典型应用

海洋一号C星(HY-1C)和海洋一号D星(HY-1D)是中国首次对地观测组网的海洋水色业务化应用卫星,其上搭载了海洋水色水温扫描仪COCTS (Chinese Ocean Color and Temperature Scanner)、海岸带成像仪CZI(Coastal Zone Imager)、紫外成像仪UVI (Ultra-Violet Imager)、星上定标光谱仪SCS (Satellite-based Calibration Spectrometer)和船舶自动识别系统AIS (Automatic Identification System),实现了全球海洋水色要素每天2次、海表温度每天4次的全球覆盖观测,中国近海及海岸带区域每3天2次的50 m高分辨率观测。本文介绍了HY-1C/D卫星及其载荷性能、产品处理流程、产品分级与分发等相关信息,HY-1C/D卫星产品体系完整且数据产品处理与分发高效。同时阐述了HY-1C/D卫星的叶绿素a浓度估算和海表温度反演产品,以及HY-1C/D卫星数据在浒苔绿潮、海冰/极冰、近海养殖、内陆水体和台风云图等方面的典型监测应用且具有较好的产品质量、...     

基于开源代码构建水色遥感数据处理系统——以HY-1C/D为例

中国在《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015年—2025年)》中专门规划了海洋观测卫星系列,通过从单一的试验星到星座的组网,建立起较为完善的海洋环境立体监测体系。由于大气层的影响以及海洋参数在大气层顶的贡献通常很低,卫星观测对海洋卫星地面数据处理系统定量化程度提出了很高的要求。美国自20世纪70年代发射CZCS水色卫星以来,在水色卫星数据处理系统上积累了多年经验。本文通过借鉴NASA成熟开源的SeaDAS科学处理框架,针对HY-1C/D海洋水色水温仪传感器(COCTS),集成前人算法,开发出HY-1C/D离线数据处理系统(OffLine-COCPS),实现了从L1B数据(几何定位和辐射定标后)开始到水体遥感反射比和各类水色产品制作的全链条数据流程。结果表明,自主建立的HY-1C/1D卫星COCTS传感器大气校正相关查找表基本满足了在全球范围内的定量化应用。根据统计投影得到HY-1C/1D双星COCTS反演的叶绿素全球产品,表明系统可实现对HY-1C/1D双星反演叶绿素产品提供支撑,进而与NASA官方发布的同期MODIS叶绿素产品散点图比较,整体分布趋势也与MODIS保持一致。通...     

基于高分辨率多光谱遥感数据的城市森林反射率真实性检验

城市森林资源信息对城市可持续发展有重要影响。为了满足城市森林资源精细化管理的需求,不断拓展国产高分辨遥感卫星的应用范围,需对其数据质量、数据规格和数据产品特点进一步的研究,进而应用于城市森林资源监测中。本文采用目前国际上正在开展的无场地定标技术,与定标精度比较高的landsat-8 OLI数据对高分1号8米的pms多光谱数据进行交叉定标,对国产高分辨率多光谱遥感数据的城市森林反射率进行真实性检验研究。     

海洋一号C星光学载荷对海面溢油的识别能力分析

中国首颗海洋水色业务卫星(HY-1C)搭载有水色水温扫描仪(COCTS)、海岸带成像仪(CZI)、紫外成像仪(UVI)等多套光学载荷,已于2019-06开展业务化运行。溢油是海洋环境监测的重要目标之一。近年来,光学遥感对海面溢油不同污染类型的识别、分类与估算原理得以阐明,其技术优势获得认可,能有效促进海面溢油的精细化定量探测。本研究以中国近海,主要以2019-02-20中国南海东沙岛附近海域一次溢油事件为例,收集了HY-1C星COCTS和CZI数据,并获取了同一天的VIIRS、MODIS Terra & Aqua遥感数据,开展了海面溢油的识别分类及其对比分析,重点评估COCTS与CZI光学载荷对海面溢油识别的效能。结果表明：在弱耀光对比条件下,COCTS、CZI、VIIRS均能有效识别此次东沙岛溢油,且COCTS对溢油的识别能力不弱于VIIRS数据;CZI不仅能识别此次溢油,还能区分此次溢油形成的海面油膜与溢油乳化物,从而提供更多的判定信息;CZI数据中,不同溢油污染类型的光谱信号离散度大于清洁海水平均噪声,展现了溢油量估算的潜力。HY-1C星光学载荷展现了优良的辐射分辨率、高信噪比等性能,随着HY-1D星的发射,双星组网观测还能提供更佳的时相分辨率数据,未来会在海洋溢油的实时、定量、精细化观测中提供丰富的数据支撑。     

SeaWiFS与HY-1卫星COCTS的系统交叉辐射校正

海洋一号(HY-1)卫星是中国第一颗海洋环境遥感卫星。由于卫星上没有太阳定标装置,而且其上搭载的水色水温扫描仪(COCTS)一直存在漂移的问题,所以必须不断对其进行辐射校正,所述内容就是其辐射校正方法之一。美国宽视场水色扫描仪(SeaW iFS)提供了高精度的水色数据,如一类水体上的离水辐亮度及叶绿素浓度等被国际水色遥感界作为参照的基准。以SeaW iFS反演的归一化离水辐亮度和气溶胶参数对COCTS遥感器的辐射校正系数进行了系统校正。该方法可以对COCTS的定标系数进行长期监测。结果表明,校正后的COCTS水色数据产品精度得到了很大的提高。     

高分遥感共性产品生成和真实性检验技术体系

随着高分辨率对地观测系统重大专项的成功实施,GF-1—GF-7七型卫星共19种主要载荷发射升空,形成了中国遥感卫星多谱段、多模式的观测能力,可为各种科研和行业遥感应用提供源源不断的高空间、高时间和高光谱分辨率的高质量遥感数据。如何打通高分卫星遥感数据到信息的转换链,降低高分卫星数据应用门槛、提升高分卫星应用服务成效已成为急需破解的迫切问题。遥感定量产品的误差来源包括传感器成像、几何与辐射定标、数据预处理、定量反演与产品检验等各个环节,提高定量遥感产品精度是一个复杂的系统工程,各行业应用部门和多领域用户难以独立完成全流程数据处理、产品生产和检验。本文在分析高分卫星遥感产品体系的基础上,针对多用户共同需求,梳理了7大类共45种共性定量遥感产品;从全链条误差溯源和质量检验需要出发,提出了高分遥感共性产品生成和检验的技术体系,分析了算法测评—算法优化—产品生产—真实性检验等环节面临的关键技术;进而提出了高分遥感共性产品真实性检验平台与产品定型分系统的初步设计方案,并介绍了系统研发的最新进展;最后对高分共性产品应用前景进行了展望,构建高分遥感共性产品生成与真实性检验技术体系,对于保障高分卫星遥感...     

HY-1C/D卫星CZI数据监测湖泊藻华的适用性评价与方法选择

随着湖泊富营养化加剧,蓝藻水华频发暴发,藻华的卫星遥感监测面临着中高空间分辨率卫星过境时间长、中低空间分辨率卫星数据在小型湖泊监测能力不足的问题。海洋水色业务卫星海洋一号C星和D星(HY-1C/D)搭载的海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager)具有50 m空间分辨率,3 d重访周期,是内陆中小型湖泊藻华遥感监测的重要数据源。本文构建了以CZI数据的绿光(560 nm)—近红外波段(825 nm)连线作为基线,红光波段(650 nm)到该基线的垂直距离作为藻华识别指数AFAH (Adjusted Floating Algae Height),并将其应用在4个典型的富营养化湖泊(太湖、巢湖、滇池、星云湖),评价了其在湖泊藻华遥感监测方面的适用性和不确定性。结果表明:(1)在无云的理想条件下4种藻华识别指数的藻华识别精度高于0.93;在非理性条件下的藻华识别方面,AFAH优于NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)、DVI (Difference Vegetation Index)和VB-FAH (Virtual bas...     

HY-1D COCTS海表温度反演与印证

海洋一号D (Haiyang-1D,HY-1D)卫星于2020年6月成功发射,与海洋一号C (Haiyang-1C,HY-1C)卫星形成上、下午卫星组网,是中国HY-1系列卫星在轨业务化运行的海洋遥感卫星。HY-1D卫星上搭载的海洋水色扫描仪COCTS (Chinese Ocean Color and Temperature Scanner)有两个热红外通道,波段范围分别为10.30—11.40μm和11.40—12.50μm,可用于海表温度SST (Sea Surface Temperature)观测。本文采用HY-1D COCTS热红外通道的观测亮温,基于大气辐射传输模拟计算,开展云检测和SST反演算法研究,对2021年1月西北太平洋海域的COCTS观测数据进行SST反演,并采用现场实测和同步卫星数据对反演得到的COCTS SST进行印证。COCTS与现场实测SST的比较结果表明,二者的平均偏差为-0.04℃,标准偏差为0.45℃。且COCTS与iQuam的SST偏差与SST以及大气水汽总量之间没有明显的依赖关系。COCTS与搭载在Suomi NPP卫星上的可见光红外成像辐射计VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) SST产品的比较结果表明,二者的平均偏差为-0.05℃,标准偏差为0.49℃。基于以上算法得到的HY-1D COCTS西北太平洋海域的SST具有较高的精度,与国际海表温度产品达到了相当的水平。     

面向浮游植物类群遥感的HY-1C/D卫星数据应用初探

浮游植物是全球初级生产力的重要贡献者,浮游植物群落结构的变化影响着初级生产力,进而影响着海洋的物质循环与能量转换,因此具体量化分析浮游植物各群落结构的生物量对了解浮游植物群落结构变化,进而了解全球初级生产力极其重要。本文基于2016年与2018年4个渤海航次的实测遥感反射率数据和实测HPLC(High Performance Liquid Chromatography)浮游植物色素数据,通过CHEMTAX (CHEMical TAXonomy)方法将HPLC色素数据转化为相应藻种浓度数据,其中硅藻、隐藻、蓝藻与绿藻对总叶绿素a的占比较大。结合奇异值分解和多元线性回归方法,构建适用于中国近海硅藻、隐藻、蓝藻和绿藻浓度的反演模型;利用留一交叉验证法对模型进行验证,结果表明:隐藻、蓝藻和绿藻模型精度较高,决定系数R²均在0.70及以上,硅藻R²为0.44(p均小于0.001),硅藻、隐藻、蓝藻和绿藻浓度反演模型的中值误差ME各为44.81%、45.34%、51.20%和62.80%。随后,将模型应用于国产HY-1C/D卫星海洋水色扫描仪COCTS ...     

HY-1C卫星CZI影像卤虫条带提取研究——以艾比湖为例

基于HY-1C卫星海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager)影像提取卤虫条带,对利用自主遥感数据开展生物资源监测与指导捕捞利用具有重要意义。本文以艾比湖为例,分析了HY-1C卫星CZI影像与Landsat-8卫星OLI数据的卤虫—水体端元光谱特征及差异;结合滑动窗口裁剪和光谱匹配因子SBAF (Spectral Band Adjustment Factors)模拟构建了有效样本量为837的卤虫—水体数据集;使用深度为5层的U型全卷积神经网络U-Net (U-Shaped Fully Convolutional Neural Network)算法提取卤虫条带并进行了评估与应用。与支持向量机法、最大似然分类法、归一化水体指数法相比,U-Net算法效率高、鲁棒性更好,卤虫条带的提取精确率和F1分数分别为92.02%和90.55%,比其他方法高出约11%—23%,即使面对复杂水体背景干扰,提取错误率也仅有3.3%;由2019年—2021年10景CZI影像的提取结果可知,研究期间卤虫条带的最大最小面积之比约为5.8,变化剧烈且与水体面积存在一定关联,但决定卤虫条带分布与面积的...     

高分遥感共性产品算法测评与真实性检验技术体系及应用实例

随着中国高分辨率对地观测系统的发展,已经形成了高分标准产品、共性产品和专题产品多层应用服务体系,其中高分共性产品是衔接高分标准产品和专题产品间的桥梁。然而高分共性产品由算法发展而来,不可避免存在着误差,为后续遥感应用带来较大的不确定性。因此,论文提出了高分共性产品算法需测评,高分共性产品需真实性检验的高分共性产品生产过程中的两端质量保障方法体系。论文阐明了算法测评与真实性检验的内涵,以及算法测评和真实性检验方法体系,介绍了高分专项开展的高分共性产品真实性检验与算法测评系统平台,并以地表反照率高分共性产品算法测评为例,展示了算法测评的可行性。论文研究成果可为中国高分共性产品真实性检验和算法测评工作的开展提供重要支持。     

关键陆表参数遥感产品真实性检验方法研究进展

遥感产品真实性检验是定量遥感基础研究的重要环节,是客观评价遥感产品精度、稳定性和一致性的重要手段,对于提高遥感定量化水平、推动和扩展遥感产品的深化应用具有重要的意义。本文基于当前陆表参数遥感产品真实性检验研究的相关成果,归纳总结了陆表参数遥感产品真实性检验方法,并就其中的5种真实性检验方法,即基于地面单点测量检验、基于地面多点采样检验、基于高分辨率数据的检验、交叉检验和间接检验,阐述了各方法的特点、局限性、适用条件。文章在最后探讨了陆表关键参数遥感产品真实性检验评价指标和验证中影响精度评价的关键因素。本文对于遥感产品真实性检验工作的开展和真实性检验系统研发具有重要的指导意义。     

遥感估算地表蒸散发真实性检验研究进展

地表蒸散发是连接土壤—植被—大气连续体的纽带,结合遥感技术估算地表蒸散发已成为获取区域乃至全球尺度时空连续地表蒸散发量的有效手段。由于遥感估算地表蒸散发容易受到地表空间异质性和近地层气象条件复杂性的影响,在模型机理与变量参数化方案、输入数据和时间尺度扩展等方面存在不确定性,影响了其准确度的提高和应用范围的拓展,因此需要开展真实性检验。本文综述了当前遥感估算地表蒸散发(包括植被蒸腾和土壤蒸发)真实性检验研究的相关成果,重点归纳并总结了应用于遥感估算地表蒸散发真实性检验的直接检验法和间接检法的主要原理、适用性和优缺点,在此基础上阐述了当前遥感估算地表蒸散发真实性检验研究所面临的挑战。分析表明：由于地表空间异质性的普遍存在,遥感估算地表蒸散发真实性检验研究在理论和方法方面还受到诸多挑战,今后应打破地表蒸散发遥感产品真实性检验局限在均匀地表的传统思路,发展非均匀地表遥感估算地表蒸散发真实性检验的理论框架,包括地表水热状况空间异质性的度量、非均匀地表验证场的优化布设、非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验、卫星像元/区域尺度地表蒸散发相对真值的获取、验证过程中的不确定性分析以及遥感估算地表蒸散发的实证研究等,并构建一个多源、多尺度、多方法、多层次的真实性检验技术流程,以期把遥感估算地表蒸散发真实性检验作为突破口,提升相应遥感产品的应用水平,推动定量遥感科学的发展。     

HY-1C/D卫星CZI数据的岛礁浅海水深遥感无控反演能力评估

岛礁浅海水深是海洋重要的基础资料。中国南海岛礁远离大陆,水下现场调查效率低、难度大,难以评估水下地形的长期变化,迫切需要大面积、高频次成像的卫星遥感数据。海洋一号C/D (HY-1C/D)卫星双星组网大大提高了覆盖频次,配置的海岸带成像仪CZI (Coastal Zone Imager)可为岛礁水下探测提供快速的业务化遥感数据服务。为充分发掘两颗卫星的岛礁水深反演能力,本文以中国南海永乐环礁为研究区域,以HY-1C/D CZI多光谱遥感影像为数据源,结合半分析模型和对数比值模型开展了不依赖实测数据的水深反演研究,并与GeoEye-1高分辨率卫星多光谱遥感数据反演结果进行对比。结果表明,HY-1C/D CZI多光谱数据在甘泉岛的水深反演结果与实测数据相比,在0—20 m水深范围内的平均绝对误差分别为1.60 m和1.85 m,平均相对误差分别为22.48%和26.23%;HY-1C/D CZI多光谱数据与基于GeoEye-1数据在甘泉岛的水深反演结果相比,平均绝对偏差分别为1.65 m和1.81 m,平均相对偏差分别为22.33%和23.83%。HY-1C/D CZI与GeoEye-1多...     

高分辨率卫星影像几何精度真实性检验方法

以日本ALOS卫星为例,分析了线阵推扫式卫星影像成像特征,从理论上阐述利用严密成像几何模型建立卫星影像像点与物点之间的成像几何关系,并利用光束法区域网平差技术对影像几何精度进行真实性检验的方法。在实验部分,基于中国嵩山遥感几何定标场的参考数据,对ALOS卫星影像的几何精度进行了验证,获取了它的有控和无控的定位精度,并用解算的外方位元素建立立体模型,检测不同地形生成DEM精度。     

异质性地表反照率遥感产品真实性检验研究现状及挑战

地表反照率直接决定了地表能够吸收到的太阳辐射能量,是研究气候变化、能量平衡的一个关键参数。遥感为大尺度、连续获取地表反照率提供了一种有效的观测手段。但遥感数据本身的精度限制和反演模型的不确定性,使基于卫星数据反演的反照率产品存在误差,而这种误差的存在又会影响产品的进一步应用。正确的认识这种误差有助于提高产品的应用精度,深化其应用的深度和广度。真实性检验就是正确认识卫星反照率产品准确性、稳定性的重要手段,它是卫星产品从生产到应用的桥梁。虽然目前已经开展了大量的真实性检验工作,但即使是针对同一种卫星产品,真实性检验的结果往往并不一致。其根本原因在于验证中所采用的参考值能不能够准确地代表卫星像元尺度的地面真值。地面观测和卫星产品像元之间巨大的尺度差异以及广泛分布的地表异质性,使地面观测并不能直接作为像元尺度真值与卫星产品进行简单的对比。因此真实性检验过程并不是直接的,而是需要经过一系列严格、独立的过程得到像元尺度真值后与产品在一定的空间和时间范围内进行对比。针对目前真实性检验结果准确性和可信度不高等问题,本文尝试从地面实测数据、尺度转换、验证方式、评价方法及验证中存在的问题等几个方面来论述反照率产品的真实性检验现状及挑战。     

CBERS02B 卫星CCD 相机在轨辐射定标\n与真实性检验

利用贡格尔实验场对CBERS02B卫星进行场地反射率基法辐射定标, 获得CCD相机可见近红外波段的绝对辐射定标系数, 利用敦煌实验场对定标系数进行了真实性检验。结果表明: 此次定标结果和测量值非常吻合, 定标系数可信度高。     

遥感数据产品真实性检验不确定性分析研究进展

不确定性分析是遥感产品真实性检验最重要的部分,本文以叶面积指数LAI为例,从测量、模型以及蕴含在测量和模型中的尺度效应3个方面分析产品真实性检验过程的不确定性来源,并针对问题提出减小其不确定性的办法。对于相对均一的地表,地面测量的空间代表性比较好,可不考虑地表空间代表性引起的尺度效应和蕴含在模型中的尺度效应引起的不确定性。针对异质性地表,分为两种情况:若模型是线性的,蕴含在模型中的尺度效应可以忽略,只需要考虑测量的不确定性、模型本身的不确定性、以及地面测量的空间代表性引起的尺度效应;若模型是非线性的,则测量、模型和蕴含在测量和模型中的尺度效应引起的不确定性都需要考虑。     

基于HY-1C卫星CZI影像的多类型内陆水体大气校正及水质参数反演

海洋一号C星(HY-1C)上搭载的海岸带成像仪(CZI)在内陆水体水色遥感应用方面具有较大潜力。目前,HY-1C CZI影像在内陆水体的大气校正和水质反演研究较少,仍然需要解决适用于不同类型内陆水体的大气校正和水质参数建模等问题。因此,本研究在华北平原的小浪底水库、官厅水库、丹江口水库、白龟山水库、白洋淀5个不同浑浊程度的湖泊和水库开展了星地同步实验,获取了85个采样点的水面遥感反射率光谱和水质参数实测数据。发展了基于Sentinel-2 MSI影像均匀不变地物的HY-1C CZI影像相对大气校正算法和系统定标模型。HY-1C CZI的蓝、绿、红、近红外波段遥感反射率反演平均无偏相对误差(AURE)分别为14.7%、11.2%、28.9%、41.7%,蓝、绿、红波段的大气校正精度相对较高;此外,大气校正与实测光谱的相关系数r的平均值为0.978,光谱角度距离(SAD)的平均值为0.109,说明大气校正遥感反射率光谱形状与实测光谱一致性较高。基于实测数据构建了叶绿素a浓度和透明度反演模型,经独立数据验证,HY-1C CZI影像叶绿素a浓度反演的AURE为33.8%,均方根误差(RMSE)...