多尺度遥感数据按需快速处理与定量遥感产品生成关键技术2013年度报告

该课题重点解决全球陆表综合观测多源遥感协同反演与多尺度定量遥感产品生成的重大关键技术,建立全球陆表综合观测的定量遥感产品技术体系,集成开发新一代全球综合观测陆表定量遥感产品生产原型系统,形成全球高精度、多尺度共性定量遥感产品生产能力,推动共性定量遥感产品在我国矿产、森林、水、粮食等资源环境监测的应用,为实现全球资源环境遥感监测的业务运行服务提供技术支撑。在全体人员的共同努力下,今年该课题在以下几个方面取得了重大进展:(1)初步建立了共性定量产品生产技术体系,包括共性产品的生产技术体系、共性定量遥感产品生产技术标准规范、制定了多尺度数据的全球剖分标准等;(2)多源多尺度遥感数据归一化处理关键技术取得突破,发展了中高和中低两个不同尺度上的几何、辐射归一化技术,发展了多种数据的光谱归一化技术,发展了中高分辨率数据大气校正技术等;(3)多源遥感协同高精度定量反演关键技术攻关取得突破,确定了几类共性定量产品的卫星数据组网方案,在辐射收支、植被结构与生长状态、水热通量、冰雪参数等方面都取得了关键技术突破,形成了部分产品的软件模块;(4)初步搭建了共性定量遥感产品生产原型系统软硬件环境,完成了中高分辨率遥感数据的归一化处理技术集成,完成了数据库分系统、运管分系统的研发,完成了30 m分辨率共性定量遥感产品生产算法的集成,形成了中高分辨率数据处理能力与30 m分辨率共性定量遥感产品的生产能力;(5)共性产品试生产与应用示范:利用该课题研发的算法为应用课题生产了部分共性定量遥感产品,并在鄱阳湖地区开展了初步的应用示范;(6)在国内外学术期刊上发表了27篇论文,其中SCI论文10篇,申请了国内发明专利5项。     

山区复杂地形条件下GF-1卫星遥感雪面反射率计算

针对山区遥感影像计算雪面反射率的难点,采用各向异性校正与地形校正相结合的方法,将研究区不同坡面方向的雪面反射率归一化至平坦地表垂直观测方向上的雪面反射率,以消除地形影响.其中,各向异性校正采用二向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)模型;地形校正采用山地辐射传输模型.遥感影像选用新疆玛纳斯河流域的高分一号卫星(GF-1)宽幅相机数据.利用同步观测的积雪光谱数据对此方法的校正能力进行验证,结果表明此方法能够消除大部分地形和大气的影响;计算的雪面反射率在非阴影区与阴影区均与实测数据相一致;该方法可为山区积雪的光学遥感研究提供技术支撑.     

Internet环境下海量地形数据发布和三维显示

论述了在Internet环境下海量地形数据发布和三维显示的关键技术 ,包括平均插值小波建立金字塔数据结构的原理和方法、快速压缩解压缩技术、网络模型和基于视相关的二叉三角形简化地形的算法 .在此基础上 ,开发了基于Internet的全球三维可视化信息系统 .实验表明 ,所提出的技术方案是切实可行的 ,完全能够满足Internet环境下大规模数字高程模型和影像实时无缝漫游的要求 .     

基于图像的AVIRIS数据大气校正方法

为实现机载可见光/红外成像光谱仪(AVIRIS)数据的自动化、高精度大气校正,研究基于图像的气溶胶遥感反演方法,并将反演结果用于图像大气校正。主要工作包括:1使用浓密植被法反演获得AVIRIS数据的气溶胶光学厚度;2利用辐射传输模型构建AVIRIS数据的大气校正查找表;3开展AVIRIS数据的大气校正实验,并通过典型地物光谱数据以及校正前后NDVI变化对校正结果进行验证分析。     

星机地综合观测定量遥感融合处理与共性产品生产系统关键技术研究与系统设计

针对全球资源环境监测需求,本课题作为"星机地综合定量遥感系统与应用示范(二期)"项目的一部分,将集成和突破在"一期"研究中形成的卫星数据库分布式组网技术、多尺度遥感数据同化与真实性检验技术、面向应用的遥感数据融合处理与生成技术等关键技术,重点突破运行性多源遥感共性产品生产系统构建中的一系列相关技术,研制星机地综合观测定量遥感数据融合处理与共性产品生产系统。该年度基于项目一期相关技术成果,初步实现连通6个以上卫星数据中心的能力,建立虚拟组网分布式卫星数据服务系统;研究多源遥感数据的辐射归一化、几何归一化、定量遥感产品反演、星机地观测数据同化、时空无缝融合和多尺度真实验证等技术,对虚拟组网的分布式卫星数据服务系统、多源遥感数据辐射归一化系统、多源遥感数据几何归一化系统、多源数据融合定量遥感产品生产系统、多源数据融合产品生产系统、时间连续共性产品同化系统、定量遥感产品真实性检验系统、多中心海量遥感数据协同处理支撑系统八个子系统进行实际的系统设计工作,包括顶层设计、需求分析及概要设计。     

星机地综合观测定量遥感融合处理与共性产品生产系统关键技术研究与系统设计

针对全球资源环境监测需求,该课题作为"星机地综合定量遥感系统与应用示范(二期)"项目的一部分,将集成和突破在"一期"研究中形成的卫星数据库分布式组网技术、多尺度遥感数据同化与真实性检验技术、面向应用的遥感数据融合处理与生成技术等关键技术,重点突破运行性多源遥感共性产品生产系统构建中的一系列相关技术,研制星机地综合观测定量遥感数据融合处理与共性产品生产系统。该年度基于项目一期相关技术成果,初步实现连通6个以上卫星数据中心的能力,建立虚拟组网分布式卫星数据服务系统;研究多源遥感数据的辐射归一化、几何归一化、定量遥感产品反演、星机地观测数据同化、时空无缝融合和多尺度真实验证等技术,对虚拟组网的分布式卫星数据服务系统、多源遥感数据辐射归一化系统、多源遥感数据几何归一化系统、多源数据融合定量遥感产品生产系统、多源数据融合产品生产系统、时间连续共性产品同化系统、定量遥感产品真实性检验系统、多中心海量遥感数据协同处理支撑系统八个子系统进行实际的系统设计工作,包括顶层设计、需求分析及概要设计。     

带钢表面检测中压缩感知图像去噪方法

带钢表面图像中存在高斯噪声、椒盐噪声,以及信号的稀疏性问题,为此研究一种压缩感知图像去噪方法,建立基于分段正则化OMP算法的图像去噪模型,经过边裂、孔洞、辊印三种典型缺陷图像去噪处理的仿真实验和对比分析,结果表明在信号稀疏度未知的情况下仍然能够有效可靠地重构信号,保证全局优化的同时提高了算法的运算速度;特别是峰值信噪比(PSNR)值较高,可以有效的滤除噪声污染,改善图像质量,并能满足图像实时处理要求。     

基于6S模型的可见光、近红外遥感数据的大气校正

受大气吸收与散射的影响,电磁波在大气—目标物—遥感器途径传输过程中发生失真,造成目标地物反射辐射能量到达遥感器时被衰减。给计算地表反照率/反射率和地表温度等关键参数带来较大的误差。选择陆地卫星7号ETM+遥感影像的可见光、近红外波段数据,利用6S模型,进行大气辐射校正和反射率反演。同步气象数据用于遥感器所接受的大气顶部辐射的模拟、验证和评价6S对大气校正的可靠性。最后对ETM+可见光和近红外波段数据大气校正前后的反射辐射和均一化植被指数（NDVI）的变化进行了对比研究。     

一种基于数据分块的海量地形快速漫游方法

大范围、海量地形数据的快速漫游是GIS、虚拟现实、游戏、仿真等领域的关键技术与难点之一。在目前地形数据简化算法的基础上,结合计算机硬件技术的发展,采用基于数据分块、部分数据常驻内存以及与视点相关的静态LOD模型实现了对任意格网大小海量地形数据的快速漫游。基于块节点的视景体裁剪、三角形条带组织以及边界裂缝消除、视觉光滑处理等手段的运用,提高了地形漫游的效率与可视化效果。     

成像光谱数据处理平台的构建及其地学应用

基于遥感前沿技术和现代信息技术,开展了成像光谱数据处理平台构建研究,开发了大气校正、几何校正等高精度数据预处理技术平台,完成了典型目标的高光谱建模、基于曲波变换的遥感专题信息提取及基于混合语言编程的成像光谱数据处理系统构建等研究,为铀资源勘查高光谱数据处理提供了基础软件平台。该系统在铀资源勘查遥感地质评价项目的实际应用中,取得理想效果。     

一种三维数字城市的构建和实现方法

对三维数字城市建设中的关键技术,提出了一种三维数字城市的构建和实现方法,首先就三维地形的数据采集和建立、三维模型的建立和导入、纹理的采集和处理等方面探讨了数据的采集和处理问题;然后针对三维地理信息系统的数据量远远大于二维地理信息系统等问题,从选择合适的DEM行列数、三维模型建模规范、使用结点替换、使用LOD模型优化等方面实现了对三维数字城市海量数据的的优化,并将该技术成功应用于重庆高新区三维数字城市项目.运行结果显示,该系统运行稳定流畅,能够逼真地虚拟高新区现状.     

渤海浑浊水体GOCI影像神经网络大气校正研究

针对GOCI遥感数据的官方处理软件(GDPS(GOCI data processing system))中的标准大气校正算法在渤海近岸浑浊水体区域处理中存在的问题,以MODIS/Aqua数据NIR-SWIR波段联合大气校正处理所得的水色遥感反射率产品结果和GOCI的星上反射率数据为基础,基于神经网络模型进行浑浊水体GOCI影像的大气校正方法研究结果表明,神经网络方法能显著减少标准产品中大气校正失效区域,特别是在443、490、680、555、745nm波段改进效果非常明显;但412、660、865nm波段的紧邻近岸的浑浊水体部分区域存在遥感反射率空间分布不合理,这可能与MODIS对应波段产品本身的大气校正精度不高有关.由于缺乏对应的实测数据,后续验证工作还需要进一步开展.     

太湖二类水体水色遥感的大气校正问题探讨

基于简化的大气辐射传输模型,提出一种基于图像本身的水色遥感大气校正方法。根据清洁水体在绿光波段的离水辐射相对稳定的特点,来估算清洁水体像元在绿光波段的气溶胶参数,插值获取整幅图像在绿光波段的气溶胶参数,根据大气校正因子为1的假设,外推获取蓝、红波段的气溶胶参数。以太湖为研究区,对Landsat5TM蓝、绿、红波段进行大气校正,反演出离水辐亮度,进而获得水体的遥感反射率。对反演的水体遥感反射率与准同步实测的相应采样点水体遥感反射率进行了对比分析,结果表明,该方法有效地去除了大气效应对遥感数据的影响,经过大气校正的反射率值接近实测反射率值。     

基于面向对象的分布式遥感数据存储模型研究

现有的遥感数据存储模型大都针对遥感影像产品数据,且在分布式环境中不能达到较好的负载均衡,为了能够管理及高效存取海量多源异构的遥感数据,满足日益增长的高并发数据共享服务需求,提出了一种支持分布式虚拟化技术的遥感数据存储组织模型.模型利用面向对象思想对遥感数据进行分类及标准化处理,结合金字塔与全球剖分格网模型,建立分布式虚拟化环境下的遥感数据存储组织架构,利用一致性哈希算法思想解决数据在分布式环境下均衡性存储问题,同时通过虚拟化服务器动态分配策略优化了系统整体性能.实验表明新提出的模型比传统模型及同类模型更具优势.该模型已经应用在国家高分辨率对地观测系统河南数据与应用中心数据分发服务系统,验证了模型的可靠性、稳定性和适用性.     

基于Hadoop的PM_(2.5)遥感监测系统设计与实现

遥感定量反演的对象为多源遥感数据,处理过程不可避免地涉及到海量数据处理、信息提取和分析.遥感反演既是计算密集型,同时又是数据密集型的科学应用.随着反演理论和技术的发展,地表遥感模型复杂化,数据量呈爆炸式增长,相应地对计算能力的要求也越来越高.同时,随着我国空间技术的不断发展,卫星数据正以指数级的形式迅速增长,对相关应用系统的存储和计算能力也提出了很高的要求.基于以上原因,采用云计算框架,利用Hadoop平台设计该PM_(2.5)卫星遥感监测系统.其中,第一部分介绍了整个系统的架构设计,自上而下包括四个部分;第二部分对该系统的核心算法进行了详细的阐述,利用HDFS和MapReduce分别实现了对海量数据的冗余存储和并行化处理;第三部分进行了性能分析及实例测试,通过详细的对比,可以发现MapReduce并行计算在很大程度上能够提高系统的运行效率;最后对本系统进行总结和展望.通过对"高分一号"卫星数据获得的PM_(2.5)产品进行加速比分析,验证了系统具有高处理效率和高可用性等优点.     

高空薄云影响下的大气长波辐射遥感估算

作为地气系统能量交换的重要形式,精准的大气下行长波辐射数据对地表、大气层顶模型的建立以及全球生态环境和气象气候研究极其重要.目前关于遥感反演大气下行辐射的研究多以晴空条件为前提,很少考虑到高空薄云,使得这些方法应用范围受限.高空薄云对红外辐射具有不完全通透性,地表信息部分被云削减后透过云层到达传感器.由于云体温度极低,可明显降低传感器观测的星上亮温,加上其复杂的微物理学属性和多变的分布特征,对大气下行辐射的反演造成很大影响.通过研究不同性质的高空薄云,基于小样本理论、利用神经网络和支持向量机构建高空薄云存在时的大气下行辐射遥感反演模型,并结合实测站点数据对模型的精度进行检验.结果显示,两种算法的精度基本满足瞬时地表长波辐射研究的要求,解决了高空薄云影响下遥感反演大气下行辐射的难点.两种非线性模型直接以传感器的辐亮度、亮温组合、大气水汽含量以及光学厚度作为输入,既考虑了云的特征参数,又避免了计算大气下行辐射的误差传递,提高了算法的通用性和实用性.     

湖泊叶绿素a反演的大气校正模型比较研究

为获取湖泊叶绿素a定量反演所需的最优大气校正方法,以太湖为例,分别使用FLAASH、6S及QUAC 3种大气校正模型对HJ-1B卫星CCD数据进行大气校正,通过对比各波段反射率及遥感指数与叶绿素a的相关性,得到归一化水体指数相关系数最高,并使用归一化水体指数建立叶绿素a反演模型.反演模型R2在0.7以上,同时通过了统计检验.实验利用太湖采样点平均光谱反射曲线及实测光谱对比大气校正模型的影像处理效果,并在此基础上,利用误差参数评价不同大气校正处理后的反演精度.结果表明:3种大气校正算法的影像处理效果总体较好,FLAASH和6S算法的各项参数接近,反演精度优于QUAC算法,并且聚类分析结果很好地证实了二者的相似性;QUAC算法在获得较高精度的同时其典型地物光谱出现失真.因此,在湖泊叶绿素a浓度反演建模时,大气校正方法应优先考虑FLAASH算法和6S算法,尽量避免使用QUAC算法.     

基于ArcGIS的三维地景动态生成方法

基于DEM数据和遥感影像结合实现三维地形可视化的技术,阐述了所用GIS数据的处理方法与过程,提出了一种实时动态生成小范围地区三维地景的轻量级算法。模拟了山西省太原市某点周围的三维地形景观,在此基础上探讨了ArcGlobe平台下优化显示性能的几个措施,最后指出这种算法的应用场合。     

大规模虚拟地形的图像径向权混合生成算法

结合图像处理技术和径向权混合方法,提出一种基于图像集的大规模虚拟地形自动生成算法.该算法首先由多幅图像色彩数据生成标准化地形拼接块模型,并通过滤波处理消除地形块内部的跳变现象;借助定义在地形块上的有限支撑径向权函数,对毗邻地形块的子块进行加权混合处理,实现了地形块的无缝拼接平滑过渡.该算法支持相关参数的交互式调整,使用户能够对地形的形状和平滑程度等进行有效控制.实验结果表明:该算法可以自动、快速、高效地生成满足不同形状和规模要求的虚拟地形模型.     

无人机多光谱影像的几何与辐射校正

为了使无人机多光谱影像能够真实地反映地面目标的光谱特征和实际地理位置,需要对无人机多光谱影像进行几何与辐射校正.结合摄影测量方法和经验线性定标法对多光谱影像进行几何与辐射校正,并基于地面实测数据对几何与辐射校正精度进行评价.结果表明:基于上述方法处理后的无人机多光谱遥感影像与地面实测数据一致性良好.基于摄影测量方法处理...