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。     

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。     

CoLM改进与多源遥感陆面数据同化系统研发

该报告以发展气候系统模式为核心,研发相关的模拟技术,确定关键物理和模发展的冠层辐射模型为三维辐射传输模型(简称3-D模型)以替换陆面模型CoLM中基于二流近似的辐射传输模块,将动力植被模块(DGVM)引入了陆面模型CoLM,实现了模型的改进;制备了2005—2010年比湿、气压、气温、风速(U,V)、降雨、入射短波辐射、入射长波辐射大气驱动数据集和土壤及植被功能型参数数据集;实现了一个高分辨率多源遥感陆面数据同化系统HDAS,包含了多种数据同化算法,并针对高分辨率陆面数据同化需要重点解决了高性能计算问题;能够在陆面过程模型的动力学框架内同化多源遥感观测以及其他观测资料,生产中国陆地区域内2005—2010年空间分辨率为5 km、时间分辨率为1 h的同化数据集。     

基于卫星遥感降水反演产品在黄河源区的水文应用研究

多卫星遥感降水产品具有高时空分辨率、覆盖范围广等特点,弥补了传统地面观测时空上的局限性,并为无或缺资料地区提供新的数据来源。为评价TRMM 3B42-V7降水产品在地形复杂的高原山区的精度及适用性,以黄河源区为例,利用地面观测降雨站点对卫星数据的精度及适用性进行评估,并结合大尺度陆面分布式水文模型VIC进行水文模拟验证。研究结果表明:3B42-V7与地面观测站点的流域平均月降水之间的相关系数达到0.99;空间尺度上,流域尺度相关性优于网格尺度;时间尺度上,月尺度相关性较日尺度好。该产品可在一定程度上代替黄河源区的地面观测,但使用时需要根据实际情况对模型的参数重新率定。     

对地观测传感网一体化数据融合与同化方法2011-2013年度报告

为了综合有效地利用对地观测传感网环境下的空天地多源海量观测数据,融合互补信息并消除数据冗余,需要实现对多源传感器数据在时间、空间和光谱域的高精度同化,发展对地观测传感网数据与陆面模式的多参数联合同化方法,充分研究多源数据智能化处理与分析模型,并进行多层次信息融合。重点研究内容包括:离群点分布模型与高精度亚像素配准方法、多时-空-谱影像序列的一体化融合方法、传感网环境下空天地观测数据的同化方法、传感网数据与陆面模式的多参数联合同化方法四个方向开展研究。根据2010年制定的计划任务书,该研究在2011—2013年度收集大量航空航天遥感影像数据、基础地理数据和气象观测数据和地面数据,重点从自动化配准、遥感影像融合、数据同化等方面的理论方法研究。研究工作按计划有条不紊的进行,在观测数据收集与分析、理论与方法研究方面开展了大量工作。     

《定量遥感综合服务平台关键技术》2014年度技术总结报告

"定量遥感综合服务平台关键技术研究"是国家863项目"星机地综合定量遥感系统与应用示范(一期)"中的第十一课题,课题的目标是研发遥感网遥感应用资源(遥感数据、信息产品、模型算法及波谱库)的集成和平台服务技术,以支持专题信息产品生产(全球林业定量遥感专题产品、全球多尺度农情定量遥感专题产品、全球矿产资源与能源定量遥感专题产品、区域河流水资源定量遥感专题产品、全球生态环境遥感监测与诊断专题产品)所需的共性产品,并对共性产品和专题产品进行汇集发布。面向部委、专业用户、大众用户,提供分散遥感应用资源的虚拟化集成、流程化运行服务及按需交互式产品生产服务。该报告中的接口方案与测试程序研究对于实现接口与关键技术模块的集成及建立定量遥感服务平台框架系统具有重要的作用,也为项目二期综合定量遥感产品服务及运营系统的研建奠定坚实的基础。     

全球陆表特征参量数据产品生成技术

该研究2014年开展了一系统工作,分别包括数据收集、制定规范、算法研发、系统集成、产品试生产和同化应用等几方面。在数据收集方面,共收集了12种卫星原始数据产品、辐射能量观测数据以及再分析产品,共收集数据量超过700TB。在算法研发方面,总体上完成了12个GLASS产品的算法发展。基于收集的已有反照率产品重新统计了全球反照率背景场,把背景场的空间分辨率从原先的5km提高到1km;实现了植被覆盖区域宽波度发射率算法发展;针对AVHRR和MODIS数据,地表温度算法发展了各自的分裂窗算法;发展了基于混合算法的全球晴空上行长波辐射反演算法;净辐射产品的算法已完成算法收集、研发、验证及产品试生产等各项任务;FVC产品算法的总体思路为在全球高空间分辨率植被覆盖度样本数据建设的基础上,训练和检验神经网络算法,最终形成FVC产品生产算法;ET算法采用五种传统的地表潜热通量算法,根据收集的全球陆表300多通量观测数据,采用贝叶斯模型平均方法融合这五种算法,最终形成潜热通量产品生产算法;采用贝叶斯多算法集成方法,集合目前国际上应用广泛的8个光能利用率模型,最终形成GPP产品生产算法。在系统集成方面,对算法进行程序化与系统化,并集成到高性能生产系统。在产品试生产方面,初步完成12个产品试生产与初步验证。在同化应用方面,发展了多源陆面遥感产品的数据同化方法,基于我们生成的遥感数据产品,探讨了北方水循环问题,提高了模型的预报能力。     

水文模型模拟预报的多源数据同化方法及应用研究进展

介绍了水文遥感数据同化中常用的数据同化方法,总结了变分和顺序两类数据同化常用方法的优势与不足;以土壤湿度与径流两个水文变量的数据同化研究为重点,探讨了土壤湿度、径流、降水、蒸散发、积雪等多源数据在水文模型模拟预报中的同化研究进展及其在同化应用中存在的问题;最后,从数据同化方法、多源数据同化应用方面总结了水文遥感数据同化的未来发展方向,提出遥感、地面等多源数据的同化在改进水文模型模拟预报方面的应用潜力将会随着遥感观测技术与反演方法的改进、水文模型结构的完善以及数据同化方法的优化而不断增大,多源数据在水文模型模拟预报中的综合应用将是水文遥感数据同化发展的必然趋势。     

基于遥感卫星组网观测的海洋环境预报技术

基于海洋遥感卫星组网获取的高时空分辨率的风、浪、温盐流等观测数据,发展了大数据预报技术和数值同化模式预报技术,获取了高精度、高分辨率的预报结果,为马六甲海峡、斯里兰卡和霍尔木兹等海峡通道和支点的海洋环境提供安全保障.     

温室气体遥感反演系统的设计与实现

设计并实现了温室气体遥感反演系统,主要包括两个部分:温室气体遥感自动反演处理和多源卫星数据交叉验证.系统采用.NET框架和IDL程序相结合,快速自动地对卫星遥感数据进行反演运算,同时得到主要温室气体反演产品的柱浓度时空分布.系统可以方便地将地基观测数据和国际主要的卫星产品数据进行验证对比和精度分析.应用结果表明,该系统基本满足温室气体遥感监测业务需求,能够提高环保部门的监测能力,在温室气体遥感监测和评价中发挥了重要作用.     

二向性归一化植被指数:概念及应用

最近发布的星载法国地表反射的极化与方向性观测仪(POILDER)与美国中分辨率成像光谱仪(MODIS)的地表二向性反射(BRDF)数据产品,其输入数据的大气纠正未能满足定量遥感的需求.提出了二向性归一化植被指数(BiNDVI)的概念,以同时考虑地表反射的二向性与大气程辐射的影响,并用于定义卫星多角度遥感观测值的大气质量指数.用该指数加权迭代反演,能明显改进MODIS-BRDF的数据产品质量.     

基于多源卫星遥感产品的土壤湿度融合与降尺度研究

针对卫星遥感土壤湿度产品时空分辨率较低、难以满足中小流域洪水预报要求的问题,以秦淮河流域为研究区,将SMOS、SMAP和AMSR2等3种卫星遥感土壤湿度产品采用集合平均的方式进行融合,在地形湿度指数与土壤湿度关联关系的基础上建立空间降尺度方法,从而实现精细尺度的土壤湿度获取。研究结果表明,多源遥感融合产品相较于原有卫星具有更小的均方根误差,在日均值和季度均值上都更为接近实测结果,改善了单颗卫星监测时段间隔大、监测数据不准确的弊端,具有更好的适用性。     

典型应用领域全球定量遥感产品生产体系

基于项目一期研究中建立的典型应用领域全球定量遥感指标体系、关键算法模型、技术流程等,以定量遥感共性产品为基础数据源,研发面向全球林业、农业、矿产、水资源、生态环境等典型应用领域定量遥感产品生产系统,并分布式部署在国家林业、农业、矿产、水资源、生态环境等相关业务部门,形成20种以上典型应用领域定量遥感专题产品业务生产能力,以及20种以上生态环境要素监测与诊断产品的业务能力,为国家监控全球粮食、资源和生态环境安全形势,应对全球变化与危机提供技术支撑。     

遥感科学与定量遥感

遥感科学是在地球科学与传统物理学、现代高科技基础上发展起来的一门新兴交叉学科。遥感科学的发展由技术驱动、需求牵引,提出定量遥感基础研究的科学问题。上世纪80年代初美国NASA发起了遥感科学计划,随着地球系统科学的提出,遥感科学的重心转向了以促进地球系统科学发展为目标,以定量遥感为主要标志,注重多学科交叉综合,从整体上观测研究地球。目前在国际上,越来越多的学者们认识到遥感科学在地学从传统定点观测数据到不同空间范围多尺度空间转换和地球系统科学研究中的不可替代作用。而遥感科学能够在多源数据综合集成及地学应用方面对地球系统科学研究发挥决定性作用。     

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.     

面向海洋观测的Cyberinfrastructure原型

针对海底观测网建设过程中的多源异构数据集成、海量数据处理和科研协同工作等问题,构建了一个面向海洋观测的赛百平台(Cyberinfrastructure,CI)。通过整合底层分布式的计算、存储、数据、传感器等资源和设备,面向顶层特定的科研用户提供基于网络环境的高效计算服务、海量数据服务、科研应用服务等。通过集成科学工作流,开发数据分析模块,实现对海量观测数据的处理。运用虚拟组织技术,实现了基于网络的科研协同工作。实验结果表明:该系统可以显著提高海洋科研人员的工作效率。     

智慧城市一体化综合监测网的共性技术与体系研究

本文结合了国内外智慧城市的发展现状,从城市的暴雨、滑坡、水体、突发事件等主要要素来讨论智慧城市的一体化综合监测遇到的共性问题.由于这些城市要素在数据来源上不同,所以我们提出了城市多尺度数据的融合技术体系和标准化规范研究思路.针对于遥感卫星、无人机、地面光场相机阵列和车联网等传感设备,从空天地三位一体的角度综合监测城市关键要素,充分考虑城市地理要素空间变异及空间尺度扩展和城市多尺度星地感知数据融合及精度评估需求,并给出一体化综合监测网的应用示范及提供相应服务的高可用性云平台构架.     

全球陆表特征参量产品生成系统与产品生产

863计划重点项目"全球陆表特征参量产品生成与应用研究"第三课题"全球陆表特征参量产品集生成系统研发与产品生成"针对叶面积指数、反照率、发射率、下行短波辐射和下行光合有效辐射5个典型陆表特征参量,发展基于多源遥感数据的、具有国际先进水平的全球陆表特征参量产品反演算法。建立具有我国自主知识产权的,生产全球公里级尺度产品的生产系统,该系统能够进行快速处理得到符合质量要求的典型参量产品。生成一套长时间序列、高精度的全球陆表特征参量产品数据集,包含迄今为止时间尺度最长的叶面积指数、地表反照率和发射率产品,也包含空间分辨率最高的两种辐射产品。生产的5种陆表特征参量是反映地表植被状况和地表能量收支变化的重要参数,是中国科学家自主生产的首套全球陆表特征参量产品,弥补了我国该领域内的空白,将直接服务于全球变化研究,提升气候系统模拟的准确性,扩大我国在全球变化领域的影响力,促进全球地球观测数据共享。     

从数据到信息--地球环境遥感中的电磁散射与辐射传输

论述了地球自然环境中电磁散射信息与辐射传输的理论研究进展,以及以散射辐射理论模拟为基础,用星载遥感观测数据进行各类环境特征参数的反演,提出了从多源数据到地球定量科学信息的若干研究方向与课题.     

定量遥感的发展与创新

对遥感科学面临的问题、定量遥感研究的意义作了总结,讨论了定量遥感的几个重要的基础研究问题．特别强调了中国遥感学者在定量遥感方面的学术思想和研究进展,就几何光学模型、尺度变换、尺度效应和尺度纠正、病态反演作了研究、回顾与展望．指出定量遥感的四个研究方向：第一,在像元尺度上对基本物理定律进行检验及修正,开展尺度转换研究,提高定量遥感精度．第二,开展遥感与非遥感信息数据融合的模拟试验,探索地表时空多变要素的尺度转换规律．第三,进行多角度、多时相、多光谱相结合的混合像元分解和亚像元信息提取;运用多阶段的反演策略,提高反演的精度．第四,基础研究和应用示范相结合,估算高难度的地表时空多变要素,推动相关学科的发展．最后,作者回顾了自己从事遥感科学研究经历中的‘阵痛’与艰辛,坚信国家需要自主创新;对于真正的原始创新,客观公正的评价迟早是会到来的．