1 齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院海洋仪器仪表研究所 山东省海洋监测仪器装备技术重点实验室 国家海洋监测设备工程技术研究中心,山东 青岛 266100
2 热带海洋环境国家重点实验室 中国科学院南海海洋研究所,广东 广州 510301
针对目前透明度遥感反演研究多以较低空间分辨率卫星数据为主的现状,采用分辨率高达10 m的Sentinel-2卫星数据进行了胶州湾海域水体透明度的遥感反演研究。构建了基于实测数据的反演模型。结果表明:模型具有较高的精度,反演值与实测值的平均相对误差为9.86%,均方根误差为0.22 m。依据构建的反演模型与卫星影像数据反演了胶州湾水体的透明度,绘制了水体的透明度分布图,分析了胶州湾海域水体透明度的空间分布规律和局部的细微变化特征。研究发现,胶州湾海域水体透明度呈现由近岸向外海逐渐升高的趋势,径流量大的河流会造成汇入海域透明度明显降低的变化,潮汐会引起透明度出现沿垂直于岸边方向的纹理变化特征,大型船只的通航会造成透明度短时降低的变化。
透明度 哨兵2号 遥感反演 胶州湾 SDD Sentinel-2 remote sensing retrieval Jiaozhou Bay 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210080
1 北京大学地球与空间科学学院, 遥感与地理信息系统研究所空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室, 北京 100871
3 湖南大学电气与信息工程学院, 湖南 长沙 410082
4 贵州师范大学地理与环境科学学院, 贵州 贵阳 550001
叶片氮含量极大程度上影响植被生物化学过程, 有重要的研究意义。 利用机载高光谱数据反演叶片氮含量在农业遥感领域有广泛应用, 但其反演精度不能完全满足精细农业的需要, 有一定提升空间。 叶片氮含量遥感反演精度受机理误差和算法误差的影响, 机理误差主要来源于叶片表面反射。 传感器探测到的反射辐射既包含叶片内部多次散射, 又包含叶片表面镜面反射部分, 只有前者是携带叶片内部生化组分(如氮含量)信息的, 由于后者是入射光在叶表蜡质层发生的直接反射, 因此该部分并不携带叶片内部信息。 根据菲涅尔定律, 叶表镜面反射是部分偏振的, 而内部散射是非偏振的, 因而通过偏振反射建模可部分去除叶表镜面反射影响, 以消除机理误差。 算法误差主要来源于不同氮含量反演算法对于高光谱数据挖掘能力的差别。 比较了偏最小二乘法、 主成分回归、 支持向量机、 K-近邻算法和随机森林回归在高光谱叶片氮含量反演中的表现, 在调整算法参数之后, 选择使用随机森林回归算法以减少高光谱反演算法误差。 以常绿针叶林、 落叶阔叶林和针阔混交林为研究对象, 利用多角度偏振卫星POLDER/PARASOL的多光谱数据库构建二向偏振反射模型, 用以模拟和分析研究区森林的偏振反射率; 从HySpex传感器系统获取的机载高光谱数据中去除偏振反射率带来的光谱机理误差, 以实现叶片氮含量的精确反演。 以均方根误差为主要指标评估精度变化可获得以下结论: 在高光谱叶片氮含量反演中, 消除偏振反射率带来的机理误差后, 各算法反演精度均有提升, 平均提升了4.244%。 其中, 随机森林回归可以最大程度减小反演算法误差(可决系数达到0.803, 均方根误差达到0.252), 且对光谱偏振信息最为敏感, 去除偏振后精度提高了13.103%。 相比于广泛使用的偏最小二乘算法, 去除光谱机理误差并减小反演算法误差后, 叶片氮含量反演精度整体提高了32.440%。 该研究实现了基于机载高光谱数据的叶片氮含量精确反演, 证明了在叶片氮含量反演中去除偏振反射率的必要性, 体现了在高光谱氮含量反演中随机森林算法的应用潜力。
遥感反演 偏振遥感 叶片氮含量 高光谱数据 随机森林回归 双向偏振分布函数 Remote sensing retrieval Polarization remote sensing Leaf nitrogen concentration Hyperspectral data Random forest regression Bidirectional polarization distribution function 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2911
中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室, 地球科学与信息物理学院, 湖南 长沙 410083
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。
土壤 重金属 高光谱 DS转换 遥感反演 Soil heavy metal Hyperspectral DS method Remote sensing retrieval 光谱学与光谱分析
2019, 39(10): 3223
1 合肥工业大学, 安徽 合肥 230009
2 国家环境保护卫星遥感重点实验室,中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100101
3 河南理工大学,河南 焦作 454000
卫星遥感技术是研究大气气溶胶时空变化规律的重要手段之一。高分四号卫星(GF-4)作为新一代静止卫星,不仅具备更多的可见-近红外波段,而且具有超高 时空分辨率的特点,可以执行对固定区域连续观测或凝视扫描覆盖观测,为气溶胶光学厚度定量反演提供了有利条件。基于GF-4静止卫星超高时 空分辨率卫星数据,在深入了解卫星观测模式及传感器波段对气溶胶反演敏感性基础上,基于地气时变差异核心思路,开发了针对GF-4超高时空分辨 率数据气溶胶光学厚度反演算法;设计并实现了具备业务化反演气溶胶光学厚度能力的软件系统,软件系统具备多线程、全自动运行能力, 满足卫星数据处理业务化需求。利用该系统对GF-4数据进行了处理和分析,通过地基仪器实测的气溶胶光学厚度进行了验证, 取得了初步结果。结果表明,该系统具有良好的可靠性和稳定性,可以服务于大气颗粒物时空变化遥感监测。
超高时空分辨率 地气时变差异 气溶胶光学厚度 遥感反演系统 ultra-high spatio-temporal resolution time-varying difference of reflectance between sur aerosol optical depth remote sensing retrieval system 大气与环境光学学报
2018, 13(2): 112
1 中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
2 国家海洋局第一海洋研究所, 山东 青岛 266061
基于黄河口海域实测数据,建立了利用745 nm(模型1)和680 nm(模型2)波段遥感反射率的颗粒有机碳(POC)浓度反演模型,得到的平均相对误差(APD)均低于26%,其中模型1表现更优。结合海洋水色成像仪(GOCI)影像和实测数据对两个模型进行了精度评估,平均相对误差均在30%以内。基于所建立的模型和卫星遥感影像,分析了逐时、大风过程(几日之间)、季节变化三种情况下黄河口海域POC浓度的时空变化特征。结果表明,冬季POC浓度整体较高,夏季POC浓度整体较低;渤海湾附近出现POC浓度最高值。三种情况下,POC浓度的变化范围在同一尺度上,表明短时间间隔并不意味着POC浓度变化范围也小,其季节平均效应是显著的。
海洋光学 颗粒有机碳 遥感反演 黄河口 时空分布
1 中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
2 国家海洋局第一海洋研究所, 山东 青岛 266061
渤海是我国的半封闭内海,受陆源影响显著,水体光学性质复杂多变,静止轨道水色卫星(GOCI)的高时间分辨率数据为研究渤海水体总吸收系数的时空变化特征,特别是逐时变化提供了可能。针对GOCI波段设置,利用实测数据建立了基于遥感反射率波段比值的412、443、555 nm 波段渤海总吸收系数遥感反演模型,经独立实测数据检验,模型反演值与实测值的相关系数大于0.8,平均相对误差(APD)小于13%,中值相对误差小于9%,优于已有典型算法(精度提高约10%);经独立现场-卫星时空匹配数据检验,基于该模型和GOCI卫星数据的总吸收系数遥感反演平均相对误差在35%以内。基于2015 年5 月4 日1 天8 景的GOCI影像和所建立的模型,研究了渤海总吸收系数的逐时变化特征。结果表明,8:30—15:30 期间总吸收系数变幅主要分布范围是0.2~0.3 mm-1,最大变幅可达到0.8 mm-1,变幅极大值主要分布在辽东湾、渤海湾和莱州湾近岸海域。结合潮汐数据的分析发现,辽东湾、渤海湾北部总吸收系数与潮高的逐时变化具有较好的一致性,总吸收系数极小值出现时刻滞后于低潮时刻0~1.5 h;莱州湾西部总吸收系数与潮高逐时变化呈明显负相关性;渤海湾南部、莱州湾东部总吸收系数与潮高变化未见显著相关性。
海洋光学 总吸收系数 遥感反演 静止轨道水色卫星
1 南京大学国际地球系统科学研究所, 江苏 南京210093
2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京100081
3 内蒙古师范大学内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室, 内蒙古 呼和浩特010022
地表温度是描述陆表过程和反映地表特征的重要参数。 及时掌握区域和全球尺度上的地表温度时空分布是许多地表过程研究和热红外遥感应用的必需。 热红外遥感是地表温度快捷获取的最佳手段, 但仅局限于天空晴朗无云情形。 云覆盖致使热红外遥感不能直接获取云覆盖像元地表温度, 其反演结果为云顶温度或附加了云辐射强迫效应后的地表温度。 如何精准获取热红外遥感图像中云覆盖像元地表温度信息, 成为热红外遥感地表温度反演和应用亟待完善的难题。 文章系统详细回顾了国内外热红外遥感图像中云覆盖像元地表温度估算方法, 评述了各方法的特性, 并指出今后应加强加深热红外遥感与被动微波遥感融合技术、 数据同化技术、 尺度效应和算法参数化中普适性假定等四方面研究。
云覆盖 地表温度 热红外 遥感反演 Cloud cover Land surface temperature (LST) TIR Remote sensing retrieval
1 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430079
2 江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室, 江西 南昌 330022
悬浮颗粒物粒径分布特征为水环境结构与功能研究提供了重要信息, 但目前针对内陆湖泊的研究还很少。 依据2008年—2011年鄱阳湖丰枯水期实测数据, 对悬浮颗粒物粒径分布的时空特征及光学特性进行了研究。 鄱阳湖悬浮颗粒物粒径具有季节性变化特点: 枯水期南部湖区颗粒物粒径大于北部湖区, 而丰水期南北部湖区差异不大。 同时, 悬浮颗粒物粒径分布对水体吸收系数、 衰减系数和散射系数都有影响。 鄱阳湖水体总颗粒物吸收系数北部观测值高于南部; 颗粒物中值粒径与总颗粒物比吸收系数呈负相关关系, 这可能是由浑浊水体中存在的矿物颗粒物打包效应引起。 鄱阳湖水体总颗粒物衰减系数和散射系数的时空分布规律相似: 枯水期具有明显的区域性差异而丰水期区域性差异不大。 遥感反射率、 总颗粒物散射系数光谱斜率以及颗粒物粒径分布斜率之间的函数关系为遥感反射率表征粒径分布情况以及定量分析悬浮颗粒物粒径分布特征对遥感反射率的影响提供了依据。 悬浮颗粒物粒径分布、 颗粒物后向散射概率与颗粒物复折射率密切相关, 可以反映鄱阳湖水体悬浮颗粒物组分信息。
悬浮颗粒物 粒径分布 散射特性 遥感反演 鄱阳湖 Suspended particles Size distribution Scattering properties Remote sensing retrieval Poyang Lake 光谱学与光谱分析
2014, 34(11): 3085
1 山东农业大学农学院, 山东 泰安271018
2 山东农业大学资源与环境学院, 山东 泰安271018
3 土肥资源高效利用国家工程实验室, 山东 泰安271018
4 鲁东大学地理与规划学院, 山东 烟台264025
5 垦利县国土资源局, 山东 垦利257500
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。
环境脆弱性 遥感反演 Environmental vulnerability ETM+ Landsat ETM + Remote sensing retrieval 光谱学与光谱分析
2013, 33(10): 2809
1 南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室, 江苏 南京 210046
2 南京市南部新城指挥部, 江苏 南京 210046
基于辐射传输模型模拟得到叶绿素和悬浮颗粒物在不同垂直分布条件下的遥感反射率数据集,利用该数据集对现有叶绿素、悬浮颗粒物浓度和固有光学量模型进行检验,研究了垂直分布对遥感反演算法反演精度的影响。结果表明:在悬浮颗粒物垂直分布、叶绿素及其垂直分布的影响下,悬浮颗粒物波段比值模型高估的悬浮颗粒物浓度要大于单波段模型;叶绿素波段比值模型和三波段模型能够较好地降低由叶绿素垂直分布、悬浮颗粒物及其垂直分布引起的叶绿素浓度高估的程度。悬浮颗粒物和叶绿素及其垂直分布对固有光学量反演具有双重效应,悬浮颗粒物垂直分布将使得吸收系数和后向散射系数被高估,而叶绿素垂直分布将使得吸收系数和后向散射系数被低估。在悬浮颗粒物和叶绿素共同作用下,固有光学反演结果具有较大的不确定性。
海洋光学 垂直分布 辐射传输 遥感反演算法 光学学报
2012, 32(11): 1101002