航天成像光谱仪CHRIS辐射与光谱性能评价

CHRIS是欧空局于2001年10月成功发射的PROBA卫星上搭载的探索性高光谱遥感器,它共有5种可选择的作业模式,在可见光到近红外(0.4～1.05μm)范围,最多可以获取62个波段.文中采用基于图像自身的大气校正方法(模型法ACORN和经验法),在图像上选取最具代表性的植被和土壤光谱,对CHRIS这一新型的航天成像光谱仪进行了光谱与辐射性能评价.计算显示,ACORN校正得到的玉米反射率在498～750nm波长区间能够较好地表征植被的反射率光谱特征(如红边特征),尤其是在对气溶胶敏感的蓝光部分比经验方法更有优势,但是在750nm之后就有很大偏差,表明CHRIS在750nm之后的波段存在光谱定标误差;土壤光谱反射率在800nm之后有递减的误差趋势,表明CHRIS在部分波长区间还不能满足模型法大气校正的要求;ACORN反演得到的水汽含量分布图上存在的竖条纹,则表明CHRIS的辐射定标性能的不足.CHRIS仪器作为欧空局第一个真正意义上的航天高光谱遥感器在光谱和辐射性能上仍有待改善.     

HJ-1星CCD相机交叉定标不确定性分析

传感器辐射定标是定量遥感的前提和基础,不确定性分析是保证交叉定标精度的关键.本文通过重新定义定标系数及光谱匹配因子,将定标系数cci定义为归一化表观反射率定标系数,光谱匹配因子定义为归一化表观反射率之比,改进了交叉定标公式.然后通过对比交叉定标的理想状况与实际条件,提出了交叉定标不确定性的八大来源:标准传感器自身定标不确定性、像元匹配不确定性、定标点海拔设置引起的光谱匹配因子不确定性、大气参量设置引起的光谱匹配因子不确定性、地表光谱数据来源引起的光谱匹配因子不确定性、地表二向反射特性引起的光谱匹配因子不确定性、大气辐射传输模型精度引起的光谱匹配因子不确定性以及其他未考虑因素引起的定标结果不确定性.最后针对HJ-1星CCD相机进一步分析了各不确定性来源的贡献大小,为交叉定标选择各种替代措施的可行性提供了判断依据.     

利用MODIS对CBERS-02卫星CCD相机进行辐射交叉定标

CCD相机数据的应用是CBERS-02为国民服务的重要部分,而提供长期稳定的绝对辐射定标系数是其应用的关键.试验场定标法是一种有效的方法,但该方法需要地面同步测量数据,提供的定标系数数量不可能很多,且该方法不能对历史数据进行定标.交叉定标是解决该问题的有效方法之一.但目前该方法对同步测量数据的依赖性较大.模拟分析各种因素对光谱匹配因子的影响.结果表明地物的光谱匹配因子受大气条件、传感器观测几何条件及地物类型的影响.但是在环境一样时,不同时期或测区获取的同类型地物的光谱匹配因子相对稳定,可代替同步测量数据来模拟光谱匹配因子.基于该方法,利用MODIS数据对CCD数据进行交叉定标,研究发现CCD各波段都存在偏移量,传统的单点定标法不适用于CCD的辐射定标.文中以多点交叉定标法计算获取各波段偏移量,并获得了时间序列图像的定标系数,发现CCD传感器响应随时间衰减.     

环境一号B星红外多光谱相机综合辐射定标

环境一号B星红外多光谱相机(简称HJ-1B星IRS)在轨运行过程中受各种因素的影响,其探测性能不断发生衰减,绝对辐射定标可有效地改善遥感器辐射特性的测量精度,从而提高遥感数据辐射质量.文中针对HJ-1B星IRS星上定标系统特点,利用2010年8月地面同步试验数据对IRS热红外通道进行综合辐射定标,修正了原始定标系数,并进行定标系数的真实性检验.结果表明借助地面试验数据进行的综合辐射定标弥补了星上定标系统的不足,获得的定标系数准确可靠,可满足遥感数据定量化应用的需要.     

CBERS-02卫星CCD与WFI的NDVI影响因子的分析与比较

CCD和WFI是CBERS-02星上可见光及近红外的载荷.主要探讨它们在植被监测中的应用潜力.比较分析了辐射定标、大气条件及观测几何等因素分别对CCD及WFI传感器观测的NDVI的影响.并分析比较了CCD与WFI红波段及近红外波段的光谱差异对它们NDVI的影响.分析结果表明辐射定标的影响最大,如果不进行辐射定标,NDVI值很难用于植被的监测,而且不同传感器之间的NDVI不具可比性;地表NDVI与TOA的NDVI值相差较大,TOA的NDVI值随着大气条件而改变;地物的非朗伯性及大气路径随观测几何的变化对NDVI值也有影响.CCD与WFI之间由于光谱差异,它们的NDVI值也不同,WFI的NDVI值普遍高于CCD的NDVI值,但两个传感器的地表NDVI值具有很好的线性相关关系.     

乌苏里江水深遥感反演

文中在分析卫星遥感测深机理的基础上,利用SVCHR-1024高光谱成像仪确定了可见光反演水深的最佳波段,通过对HJ星CCD数据各波段反射率、波段比值组合对水体、水深的敏感性分析,建立了适合于乌苏里江的单波段对数水深反演模型,从而快速获取乌苏里江河道地形信息,并探测了河道深泓线,整体精度达到80%以上.遥感反演水深可快速探测河道深泓线的方法,为乌苏里江河势演变研究提供了新的思路.     

MODIS数据辅助中巴资源卫星图像大气校正研究

中巴资源卫星(CBERS)的CCD图像数据在内陆水环境遥感监测中具有很大的潜力,但它的大气校正的精度是影响其定量化应用的重要因素.文中提出了一种基于同步MODIS数据辅助的CBERS CCD图像大气校正算法,该算法首先改进了NASA MODIS海洋水色遥感大气校正算法,使之能够很好地应用于内陆Ⅱ类水体,然后利用这种改进的算法通过同步的MODIS数据来反演大气参数,进而完成CBERS CCD内陆水体数据的大气校正.实验证明,这种MODIs数据辅助的CBERS CCD图像大气校正算法能够取得比较好的效果.同时,MODIS数据每天都能免费接收,因此这种大气校正算法对于基于CBERS CCD数据的业务化运行的内陆水质监测具有巨大的应用推广价值.     

近红外比值法在对流层航空遥感数据大气水汽估算中的改进

利用近红外波段大气窗口通道和水汽吸收通道辐亮度比值反演大气柱水汽含量,是卫星遥感大气水汽估算的通用方法之一.但对于对流层内的航空遥感水汽估算,直接套用卫星遥感水汽估算近红外比值法会引入飞行平台到大气顶层水汽的影响.根据航空遥感成像特征,利用Modtran和热力学初始分析资料(thermodynamic initial guess retrieval,TIGR)大气廓线库数据,分别构建入射路径上,航飞高度到地表的水汽透过率与太阳到地表水汽透过率的对数之比G与航飞高度内大气水汽与整层大气水汽之比R,以及入射路径上的航飞高度到地表的水汽透过率,与出射路径上地表到入瞳处水汽透过率的对数之比H与太阳入射角qs的函数关系,结合下垫面特征,建立对流层航空遥感水汽估算模型.以1614组TIGR廓线为输入模拟航飞入瞳处辐亮度,利用本文模型估算对流层内大气水汽,并与廓线数据直接计算值对比,结果表明,当航飞高度在1.0~7.0 km时,模型估算值的总体精度为0.22 g/cm~2,且精度优于0.5 g/cm~2的样本占总样本数95.30%.利用2014年5月28日郑州上街航空遥感试验获取的影像进行水汽分布估算,并与同步大气探空数据计算到的水汽进行对比,结果表明,各样区估算值与探空值的RMS误差为0.16 g/cm~2(12.8%),且对下垫面覆盖条件的先验了解能够提高模型估算精度.本文模型消除航空遥感飞行高度以上大气的影响,增大了模型的精准度与适应性,为热红外航空遥感数据实时大气校正提供了可靠的输入.     

CBERS-02卫星CCD相机资料定量化反演水体成分初探

采用定量化水色反演方法, 在现场测量数据的基础上, 针对CBERS-02 CCD波段, 建立了水体成分反演算法. 利用已校准的CCD辐亮度数据, 针对不同的海区, 采取了邻近清洁水体点和同日MODIS气溶胶参数的大气校正方法得到了水体定量化遥感的基本参数遥感反射比. 利用遥感反射比和所建立的反演算法, 获得了水体悬浮泥沙、叶绿素浓度分布. 悬浮泥沙的反演结果比较满意, 而叶绿素的结果不够理想, 因为遥感器的波段较宽和信噪比较低.     

静止卫星的海洋水色观测计划

海洋现象的时空尺度分析表明目前以极轨方式运行的海洋水色卫星遥感不能完全满足沿海及海岸带地区管理和研究的需要.采用静止卫星作为水色遥感观测的平台对沿海和海岸带进行高频率的遥感观测,可以满足海岸带生物物理过程研究和调查所需观测频度的要求,有利于确定潮汐混合条件,建立新的模型,探测短时间尺度的生物物理现象,改变现有的海岸带管理方式,实现海岸带资源的科学管理,具有极轨卫星不可具备的优势.本文简单介绍了韩国预计发射的静止水色成像仪KGOCI和美国GOES-R卫星计划的HES-CW,同时希望我国能早日研制发射出自主的静止水色观测卫星和传感器,为我国漫长的海岸带监测提供利剑.     

基于波谱知识的CBERS-02卫星遥感图像棉花像元识别方法研究

从中国典型地物标准波谱数据库中收集到3年共16d的地面实验测量数据, 进行统计分析, 得到了棉花各生长期的主要结构参数的分布范围, 使用冠层反射率模型SAILH对棉花全生长期的波谱进行了模拟分析, 进而模拟得到不同日期棉花像元对应的CEBERS-02 CCD各波段的反射率. 并以新疆生产建设兵团农八师143团农场为实验区, 用马氏距离匹配和光谱角度匹配两种方法, 实现了CBERS-02 CCD图像棉花像元提取. 并在最后分析了辐射定标误差对棉花像元识别的影响. 结果表明, 基于CEBERS-02 CCD数据, 使用光谱角度匹配方法可以得到较好的棉花像元识别结果, 能够为以后的棉花长势监测提供有力支持.     

热红外双通道差分模型交叉定标

通过对水体目标热红外辐射传输方程进行推导和变换,建立热红外双通道交叉定标差分模型,克服辐射传输模拟法定标过程中不能真实反映成像时大气条件的不足,提高定标精度.地表、大气和表观能量解析表明,待定通道表观亮温是参考通道表观亮温的差分组合,差分模型避开了成像时大气分层温度和密度状态的影响,唯一需要考虑的是水汽吸收的影响.通过对742条中纬度TIGR大气廓线数据（柱水汽含量范围0～5×103atmcm）的拟合误差分析表明,当参考通道和待定通道观测天顶角在30？以内时,差分模型对水汽含量大小并不敏感,最大误差在0.2K以内,40？以内时最大误差在0.3K,50？以内时最大误差在0.6K,当超过50？时误差不确定性增加,因此差分模型最佳观测角度在30？以内而不要超过50？.青海湖场地替代定标结果作为真值的精度验证表明,以MODISB31,32作为参考通道对IRSB08通道进行的差分模型交叉定标精度与场地替代定标精度一致,差分模型可以作为在轨传感器一种高精度和高频率的替代定标和真实性检验的手段.     

利用AIRS高光谱数据开展HJ-1B热红外通道的多点交叉定标及验证

我国热红外传感器在轨辐射定标主要通过基于大面积均匀目标的实测数据开展的单点法场地定标以及与高精度中分辨率载荷的多点法交叉定标来实现.单点法场地定标耗时、费力,且无法计算定标系数的截距,与中分辨率载荷的多点法交叉定标受到入瞳辐亮度匹配算法的制约,两者都影响着我国在轨定标系数精度的提高.利用AIRS高光谱数据的光谱特征,针对国产HJ-1B卫星热红外通道进行多点交叉定标方法研究,通过选择临近成像时间、选择均匀区域消除时空差异,同时通过MODTRAN辐射传输模型开展逐像元计算,对不同像元间的观测几何因素进行归一化处理.通过基于单一均匀区域、不同时相的时间序列多点法和基于同一时相、不同均匀区域的均匀目标多点法交叉定标获得HJ-1B热红外通道定标系数,并以基于HJ-1B热红外通道查找表法获取的星上定标系数为基准,对多点法交叉定标所得定标系数进行验证.经过分析,通过剔除时间序列多点法中的异常点和调整均匀目标多点法中的匹配因子,所得定标系数模拟得到的等效离水亮温值与基于星上定标系数反演得到的离水亮温值偏差分别达到1.81和0.92 K.由结果可知,基于AIRS的HJ-1B热红外通道的均匀目标多点法交叉定标结果更精确可信.     

北部湾红树林的HJ星多光谱遥感提取模式

大区域红树林多光谱遥感提取易受多种地物及自身覆盖度等因素影响,针对这一难题,文中以广西北部湾为研究区,基于HJ星CCD影像,并结合红树林空间分布特征和图谱特征,建立一种适合大区域海岸带的红树林识别提取模式.首先分析影像地物图谱特征,提出用于瞬时海水边线提取的海水比值指数,以及指示红树林的特征指数:红波段角度植被指数和像元波段反射率标准差指数.再从红树林空间生境判定和不同覆盖度反射率变化两方面入手,划分生长适宜区,通过特征指数辅助判定建立最终提取模式.应用结果表明该模式能完整准确地提取不同覆盖度红树林,最大程度消除其他干扰因素影响,总体制图精度达83.70%,用户精度为79.37%,同时也证实HJ卫星CCD多光谱遥感数据应用于海岸带红树林研究的有效性.     

CBERS-02卫星图像薄云的去除方法研究

中巴地球资源卫星结束了我国依靠外国卫星提供图像的历史. 随着中巴地球资源卫星的系列化和卫星应用成效的不断加强, 探索与之相关的数据处理手段成为必要. 由于成像时大气中常见云层存在, 特别是我国南方地区经常会获得有云图像, 如何去除薄云影响, 提取地表信息, 便成为应用中提高图像可用性的重要环节. 在用改进的同态滤波法定性去除可见光波段的薄云影响后, 将像元分类; 然后根据可见光波段受薄云影响大的特性, 利用可见光波段确定有云、无云区, 并计算无云区不同地类的反射率; 最后, 匹配有云、无云区中相同地类的平均反射率, 达到了去除薄云的目的; 并且在改善目视效果的同时定量反演地表反射率, 达到了遥感定量化的需求.     

CBERS-02卫星IRMSS传感器热红外通道综合辐射定标

以CBERS-02/IRMSS热红外通道发射前实验室定标为基础,开展了星上黑体定标和与MODIS传感器相应通道的交叉辐射定标,并选择青海湖水面辐射校正场作为在轨绝对辐射定标场地,于2004年8月17日卫星过境青海湖时进行了在轨场地绝对辐射定标实验.星上黑体定标必须清楚的了解IRMSS相机的内部结构和光路,获取和处理星上下传的常温和高温黑体定标数据.星上黑体逐探元定标结果,对后续图像处理中的相对辐射校正和逐探元的绝对辐射定标都具有重要应用价值.与MODES相应通道的交叉定标选取了2004年8月-12月间的6次双星同步观测青海湖和太湖的昼夜数据,通过两传感器的光谱匹配、星地光谱苞配处理和MODTRAN辐射传输计算等几部分工作.综合场地和交叉定标获取的数据,进行多点线性回归,获取定标系数,这种方法可以有效控制由于交叉和场地定标两种独立方法所产生的误差,从而获得稳事实上的定标结果.此次定标的最终结果是通过多种独立定标方法的相互补充和印证,利用多点线性回归法获取了该传感器的定标数据斜率8.53,单位DN/W·m-2·sr-1·um-1;截距44.92,单位DN.     

基于可见/近红外光谱的土壤有机质含量预测

应用可见/近红外光谱技术对土壤有机质含量进行了定量分析和预测,为土壤肥力快速测定和评价提供依据.利用ASD FieldSpec 3 Hi-Res光谱仪对116份不同有机质含量的土壤样本进行光谱测量,系统分析了土壤有机质含量与350～2500 nm波段范围光谱反射率之间的关系.利用PLS和小波-BP神经网络对350～2500 nm整个波段范围和剔除水波段的光谱数据进行分析.两种建模方法的结果均表明剔除水波段的预测效果较好,其中,PLS模型预测的相关系数R为0.8416,均方根误差RMSEP为0.2848,相对分析误差RPD为1.7768,WT-BP神经网络模型预测的R为0.9167,RMSEP为0.2196,RPD为2.3043.预测结果表明,PLS模型可以对土壤有机质含量进行粗略估测,而BP神经网络可实现较精确的预测.     

环境卫星HJ-1A超光谱成像仪在轨辐射定标及真实性检验

利用2008年10月敦煌辐射校正场同步实验数据,实现了超光谱成像仪在轨辐射定标,并以内蒙贡戈尔草原和澳大利亚Lake Frome实验场两次野外实验数据为依据,对超光谱成像仪的定标系数进行真实性检验.最后,提出了"定标误差置信区间"的概念,定量化计算出定标系数误差的置信区间.结果表明,2008年敦煌定标结果具有较高的可信度,所有通道的定标误差置信区间为2%~12%,较好地满足超光谱成像仪定量化应用的需求.     

HJ-1A/B卫星CCD影像大气订正

大气订正是遥感信息定量化研究中必不可少的一步,目前已有一些成熟的方法,但由于HJ-1A/B卫星CCD相机波段设置特点,常规的大气订正方法基本不适合于HJ-1A/BCCD影像.本文在大量分析HJ-1A/BCCD影像中不同地物的多种指数基础上,提出了改进暗目标法实现HJ-1A/BCCD影像的大气订正,该方法采用比值植被指数(RVI)、土壤调整植被指数(SAVI)和归一化水体指数(NDWI)的综合分析法确定暗像元自动提取,使之适用于环境减灾卫星CCD影像数据.为了客观地验证该方法的精度,本文选取地表平坦均一的敦煌校正场作为实验区,通过多次测量卫星过境时的地表反射率进行分析验证.     

植被含水量光学遥感估算方法研究进展

利用光学遥感技术定量估测植被含水量,有助于森林火险评估、农业干旱监测和作物产量估计.本文评述利用光谱反射率、光谱水分指数和辐射传输模型方法反演植被含水量的研究进展,从观测数据和辐射传输模型评估了光谱水分指数估测植被含水量的可靠性.重点针对植被含水量的两个主要定义—可燃物含水量(FMC)和等效水厚度(EWT),分析了植被水分指数对FMC和EWT的反演精度.而且利用观测数据和数据库估算植被含水量,结果表明三类水分指数(WSI,NDII,NDWI1640,WI/NDVI)均与冬小麦冠层FMC有较好的相关性(n=45).最后,本文总结了光学遥感探测植被含水量进一步的发展方向.