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.     

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.     

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.     

高光谱卫星海洋遥感资料辐射精度评价模型研究

对于海洋水色遥感卫星来说,辐射定标精度作为一项重要的核心指标,恰恰是目前我国自主海洋水色卫星存在的不足之处,需要对遥感器进行系统的在轨辐射测量精度评价.文中基于大气辐射传输理论开发了一套高光谱卫星海洋遥感资料辐射精度评价模型(HRSREM),可以比较精确地计算出卫星平台接收到的遥感反射率,来衡量可见光遥感数据的测量精度.通过Gordon查找表方法对HRSREM模型的大气Rayleigh散射和气溶胶散射分量的精度验证,表明模型对两种大气散射计算误差小于2%;利用海上现场ASD高光谱仪测量的天空光反射率对模型的前向散射计算结果验证,其光谱平均相对误差约5.4%;利用宽视场海洋水色扫描仪(SeaWiFS)数据对模型的大气顶遥感反射率计算精度进行验证,其相对误差小于3.5%,说明HRSREM模型对卫星遥感资料的光谱辐射测量评价具有很高的精度.利用HRSREM模型对高光谱遥感卫星Hyperion在澳大利亚附近海域测量数据进行精度估算,可见近红外波段的光谱平均相对误差约为7.3%;对中分辨率成像光谱仪(CMODIS)数据精度评价结果表明,CMODIS存在较大的测量误差,特别是近红外波段的定标系数明显偏大,需要重定标来提高定量化处理和应用水平.     

基于能量平衡与端元合成技术的地表热辐射场景动态模拟

地表热辐射场景动态变化模拟分析是热红外遥感领域研究热点之一.首先基于地表能量平衡方程和一维导热方程,建立地表温度二次谐波模型,模拟裸露地表温度日变化规律,并利用CUPID模型模拟植被冠层温度;其次利用高空间分辨率多光谱遥感影像的可见光-近红外光谱特征,提取植被、裸土、水体、不透水面等地物端元的覆盖比例及分布;最后结合地表温度模拟结果和典型发射率波谱,基于端元能量线性混合的假设,模拟地表热红外辐射动态场景.结果表明,地表温度日变化模拟值与实测值吻合较好,标准偏差在2.7℃以内;模拟场景可展现出清晰的纹理细节和较强的遥感成像真实感,场景热辐射特征与地物类型及其空间分布、成像时刻、观测角度均有关联.     

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.     

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.     

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.     

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.     

基于水体目标的CBERS-02卫星CCD相机与MODIS的交叉辐射定标

为研究利用中巴地球资源卫星02星(CBERS-02)CCD相机进行水体定量化遥感, 利用高精度的MODIS数据对CCD相机进行了交叉辐射校正. 在均匀清洁水体海域上, 分别选择了两个遥感器同一天过境的具有相同观测区域的两天数据, 利用一种清洁水体大气辐射计算方法和MODIS获得的水体与气溶胶参数, 对CBERS-2 CCD相机的4个通道进行了基于大气层外总辐亮度的交叉辐射校正工作. 由于CCD探测器之间的响应差异较大, 因此在进行辐射校正之前, 还对CCD图像进行了消条带工作. 选择CCD阵列的同一组像元在上述两个区域进行消条带, 以避免残余条带、CCD阵列焦平面照度不匀等的影响. 结果表明, 两天的结果具有很好的一致性.本方法误差在5%左右.     

CBERS-01/02卫星CCD图像相对辐射校正研究

中巴资原卫星(简称CBERS卫星)01/02卫星搭载的CCD相机作为主要的有效载荷,采用推扫式成像方式,具有较高的空间分辨率和光谱分辨率.由于在实验室示能采集CBERS-01卫星CCD相机整星对接数据, CCD内定标系统又对地成像状态存在一定的差别,CBERS-01卫星发射升空之后,CCD图像相对辐射校正中遇到一系列的问题.采用本景图像统计方法和直方图匹配法两种方法进行地面处理,实验证明直方图匹配法可以选择不同时相的CCD图像进行直方图统计生成对照查找表,既可较大程度减轻相机响应的不稳定带来的影响,又从根本上克服CCD相机非线性特性,因而明显优于本景图像统计方法.鉴于CBERS-01卫星存在的问题,在CBERS-02卫星发射之前,针对CCD相机作了大量的定标实验,并使用半积分球在整星状态下进行对接实验,采集了相对稳定的实验数据,形成一套基础的实验室相对辐射定标系数.CBERS-02卫星在轨飞行时,利用实验室定标系数校正CCD图像,发现图像的相对辐射校正效果仍然不够理想,集中表现在CCD图像3片线隈存在的响应差异,初步研究认为是CCD相机底电平不稳造成的,提出采用纺计方法以中间线隈为基准,通过寻找相邻近似的地物,探测线阵响应之间的差别,进而对基它两线阵的偏移值进行补偿,在不损害图像纹理的情况下,云除3片阵的响应差异,实验证明该方法具有较好的适性.     

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.     

基于CBERS-02卫星数据和地面测量的生物量估算及其影响因素分析

以中国科学院千烟洲生态站及其周围地区为研究区域, 利用CBERS-02卫星的CCD数据和地面野外样方调查数据, 探讨了千烟洲主要人工林马尾松、湿地松的植被指数NDVI和生物量之间的关系模型. 和千烟洲地面生物量调查数据结果对比, 表明利用CBERS-02卫星CCD的NDVI可以用于生物量估算, 但NDVI和生物量模型具有一定的局限性, 即这种模型依赖不同的树种. 利用CBERS-02卫星高分辨率数据进行的不同空间尺度分辨率下NDVI对生物量估算的影响因素分析表明, 对于植被覆盖比较大的千烟洲地区, NDVI的非线性特征对NDVI尺度扩展影响很小; 但随着像元空间尺度的扩展, 像元NDVI值发生了相应的变化; 而由于空间尺度扩展引起的像元类型(属性)的变化, 会由于生物量模型的适用性差异而使生物量估算产生比较的大误差.     

HJ-1B卫星遥感数据在重庆市城市热环境监测的应用分析

本文以MODIS反演大气透射率,以HJ-1B/CCD分类结果反演地表比辐射率,并基于单窗算法,利用HJ-1B/IRS4数据反演地表温度.在此基础上,提取研究区的热场变异指数来分析重庆热岛空间分布特征,并就NDVI与NDBI对热岛效应的影响进行了分析.其结果如下:1)重庆城市热岛大致位于中梁山、铜锣山之间,呈东北、西南走向分布;2)热岛中心不在市中心,而是集中在大渡口工业园区、江北机场这些能耗大、人口密集区域,热岛强度范围在5?C-10?C之间;3)接近长江、嘉陵江水域的建筑用地密集区域,其热岛效应并不明显;4)NDVI与热岛强度呈负相关关系,NDBI与热岛强度呈现较为明显的正相关关系,二者对热岛都有重要影响,而NDBI的影响更大.因此,利用HJ-1B数据监测城市热环境,能较好地揭示重庆城市热岛空间分布特征,为城市环境监测与改善提供参考.     

基于单形体几何的高光谱遥感图像解混算法

提出一种新的基于单形体几何的高光谱遥感图像混合像元丰度估计算法.该算法的目标是在已知端元矩阵的基础之上,估计高光谱图像中各个观测像素点中每个端元的丰度.根据凸几何理论,基于线性混合模型的高光谱解混问题可以看成一个凸几何问题,其中端元位于包含整个高光谱数据集的单形体的顶点,而它们对应的重心坐标则可以看作各个观测像素的丰度.提出的方法由3部分组成,分别为基于单形体体积的重心坐标计算方法、距离几何约束问题和基于内点的单形体子空间定位算法.与其他基于单形体几何的算法相比,该方法具有诸多优点.Cayley-Menger矩阵的引入使得欧式空间上的运算转化为距离空间上的运算,在降低运算复杂度的同时很好地兼顾到数据集的几何结构.而且,单形体重心的使用确立了一种快速而精确的判断方法来确定观测像素所属的子空间,进而利用递归的思想得到丰度值.此外,算法核心仅仅涉及观测点与端元之间的距离,而与波段数无关.因此,该算法无须对数据执行降维处理,从而可以避免因数据降维而造成的有用信息的丢失.仿真和实际高光谱数据的实验结果表明,所提出的算法与同类其他优秀的算法如FCLS和SPU相比,具有更高的运算精度,同时在端元数目较小时具有较快的运算速度.     

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.     

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.     

地表热红外辐射方向特性的航空飞行试验研究

为了研究农作物冠层的热红外辐射的方向变化特性，一台装备８０°视场角广角 镜头的宽波段红外热像仪被安置在小型飞机上，沿不同的航线获取同一地区的热红外 多角度图像，传感器以不同的观测角瞄准地面同一目标、因而可以获得同一地表目标 热红外辐射的多角度信息．介绍了机载多角度热红外遥感图像的处理原理、方法及处理 结果，并分析了几种典型农作物在不同生长季节热红外辐射方向性的变化规律。     

植被状态指数和温度条件指数的提取方法

NDVI最大值最小值和地表温度最大值最小值分别是计算植被状态指数（VCI）和温度条件指数（TCI）的关键参数。本文在介绍国内外提取四个参数的研究应用情况的基础上，充分考虑了各地区温度、地形等的影响，提出了新的提取方法，以适应全国范围内的旱情监测。针对各影响因子的分析表明，本文提出的参数提取方法是合理可行的。     

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.