高分辨率卫星在我国环境保护领域具有巨大的应用潜力。为促进我国环境遥感应用水平的提高,结合我国环境保护工作特点,系统总结了高分辨率光学卫星、高分辨率雷达卫星和高光谱分辨率卫星在我国大气环境、水环境和生态环境保护领域中最新应用情况; 指出我国目前主要存在应用系统化和业务化程度较低等不足; 未来研究的重点包括高分辨率卫星图像的高精度处理技术、尺度效应和信息提取技术、高精度反演技术及地面真实性检验技术等方面。高分辨率卫星遥感技术的发展和我国高分辨率对地观测系统专项系列卫星的陆续发射,将大大提升我国环境监测监管的定量化和精细化水平。

在基于影像内容的图像检索中,检索目标的特征选取与相似度计算是当前研究的热点问题。面向对象的图像处理方法有利于描述对象及对象间的空间关系,因此,在影像多维特征描述的基础上,提出了一种参数化影像多目标检索的相似度评估模型。该模型既考虑了影像目标间的空间关系,又顾及了影像目标局部特征间的相似度。首先,借鉴动态图像专家组-7(moving picture experts group,MPEG7)基于内容的图像层次化描述模式的层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)描述影像内容的多维特征,并采用已有的方法分别计算各特征值; 然后,根据用户偏好设置各特征的权重系数,计算检索目标的整体相似度。该模型可定性地评价多目标检索的效果,为对影像数据库进行多目标检索提供参考与借鉴。通过实验发现,影像的目标检索不仅与相似度计算方法有关,而且与影像本身的内容复杂度有关。

结合离散小波变换(discrete wavelet transform,DWT)与二维多级中值滤波(two-dimensional multi-stage median filtering,TMMF)算法,提出了一种遥感图像自适应去噪(de-noising)算法。该算法首先对噪声图像进行单层DWT,分出低频子图像和高频子图像,由于其中的低频子图像包含了大量背景信息,几乎不受噪声的污染,因而变换后仍保持原样无需再处理; 对于高频子图像继续执行单层DWT,获得多方向分布的次低频子图像和次高频子图像; 然后对次高频子图像采用改进的TMMF算法进行去噪,对次低频子图像采用改进的小波硬阈值函数模型进行噪声抑制; 最后对上述去噪后的子图像进行二次小波重构,得到去噪后的遥感图像。采用3景细节信息丰富的遥感图像进行算法性能测试,并与TMMF算法、改进的TMMF算法以及小波变换硬阈值去噪算法进行比较,结果表明,基于双重离散小波变换算法的去噪性能有所提升。

针对遥感影像道路提取问题,探索了一种基于道路条带自动检测道路中心线的方法。首先基于概率增进树算法获取道路候选点,并通过形态学运算得到光滑和完整的道路条带; 然后结合细化运算自动检测道路中心线。但检测的中心线存在"毛刺"且局部曲率变化过大,不符合道路的形状特征。针对该问题,引入了测地距离理论,并用迭代方法去除"毛刺",获得初始道路中心线; 再通过Dijkstra最短路径算法优化初始结果; 最后根据方向一致性和道路连续性获取最终的道路中心线。采用高分辨率航空影像对上述方法的实验结果证明了该方法的有效性和可行性。

机载激光雷达(light detection and ranging,LiDAR)是集合了多种技术的集成设备,其系统误差对后期产品的影响较大,因此必须对其进行误差检校。传统的检校方法可靠稳定,但对检校场地要求较高,在某些地区难以找到合适的检校场地。基于此,提出一套无检校场的点云检校方法。该方法基于Burman 模型和航带平差理论,通过安置角及三维坐标的改正来消除或减少系统误差。对云南小江实验区的验证结果表明,检校后的点云成果数据完全满足1:2 000比例尺DEM成图要求。

叶面积指数(leave area index,LAI)是表征植被冠层结构和生长状况的关键参数,采用遥感技术进行LAI反演是遥感反演领域的热点和难点之一。利用小麦关键生育期的高光谱数据,计算其一阶和二阶导数,并构建植被指数(RVI,NDVI,EVI,DVI和MSAVI)及三边变量参数等高光谱变量; 将上述参数与小麦LAI数据进行相关性分析,并利用交叉验证法进行多种回归分析,确定反演小麦LAI的敏感参数,选择反演模型; 最后使用敏感参数构建所有样本的小麦LAI反演模型,并比较其拟合效果。研究结果表明: 经过交叉验证的反演建模,其拟合结果的均方根误差(RMSE) 整体上较未经交叉验证反演建模结果的RMSE小; 在用敏感参数构建的回归模型中,RVI立方回归模型是用遥感数据反演小麦LAI的最优模型。

HY-1B/COCTS是我国自主研发的第2颗海洋卫星HY-1B星搭载的水色水温扫描仪(Chinese ocean color and temperature scanner,COCTS)。由于COCTS的不同探测器对地物光谱响应有差异,其图像的行间存在明暗的条带噪声。针对COCTS图像在水色遥感中的应用特点,在分析可见光-近红外波段地物光谱特征的基础上,使用其第4和第8波段数据构建的归一化差分水体指数(normalized difference water index,NDWI)提取图像的水体信息; 采用矩匹配法对COCTS图像水体区域的条带噪声进行去除,并以均值、标准差、信噪比、偏度、峰度、信息熵和平均梯度7个指标对条带噪声去除后的COCTS图像进行质量评价。结果表明,该方法能有效消除图像的条带噪声,使图像质量得到改善。

变异函数(variogram function,VF)作为遥感图像纹理提取的一种有效工具,可以很好地用于描述图像的结构性和随机性。为了克服传统的基于移动窗口提取的VF纹理带有边缘效应且难以确定合适窗口大小的问题,以新疆维吾尔族自治区英吉沙县裸露地层的WorldView-2图像为信息源,利用多尺度分割算法获得的3个尺度分割结果提取VF纹理; 将提取的VF纹理叠置到原始多光谱图像上进行地层识别研究,并与基于移动窗口的地层识别结果进行对比。研究结果表明,基于分割对象提取的纹理信息可以很好地去除边缘效应,减轻阴影影响,提高地层识别精度; 不同分割尺度对纹理的识别效果有一定差别,但选择合适的分割尺度之后,采用VF方法提取的纹理信息比采用移动窗口法提取的信息更加稳定。

针对不同的农作物种植结构区,研究影响遥感影像分类各因素与农作物种植面积估算精度的定性和定量关系是十分必要的。以RapidEye影像提取的早稻种植信息为研究对象,从农作物的种植成数、种植破碎度和地块形状指数3个角度进行了不同空间分辨率下各因素对农作物面积监测的影响研究。结果表明: 随着农作物种植成数的降低,种植结构越来越破碎,种植地块趋于狭长分布,各分辨率下农作物面积估算精度均呈递减趋势; 要达到85%以上的面积估算精度,当作物种植成数在50%以上时,可选取高于150 m分辨率的遥感数据; 当作物种植较为破碎时,需要在提高影像空间分辨率的同时融入其他技术手段; 当作物种植地块为狭长分布时,提高影像的空间分辨率并不能保证面积估算精度,必须通过其他技术手段达到精度要求; 并最终得到了4种影响因素对面积估算精度的定量评估模型。研究结果为解决不同农作物种植结构区遥感数据的选择、面积估算精度的提高,以及在特定研究区和数据源条件下可达到的面积估算水平等问题提供了理论基础。

将工作流思想引入到地形因子的提取中,应用可扩展标记语言(extensible markup language,XML)对地形因子流程化提取过程进行建模描述与方法研究。通过对地形因子提取过程中数据流转关系和数据输入与输出、参数执行、因子模型与驱动执行的结构化组织与描述,形成一套适用于地形因子流程化提取的模型和建模方法。在基础地形因子提取算法的基础上,采用分辨率为5 m×5 m的数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据,对实验区域的地形因子进行全自动流程化提取验证。同时,应用该模型对实验区域的河网进行提取,均取得了良好效果,表明该模型具有较强的普适性与可扩展性。

地表温度是气候、水文和生态等研究领域的基本参数,在地表水量和能量平衡的研究和应用中发挥着十分重要的作用。强烈的异质性是地表温度反演精度不高的主要原因之一。该文以黄河源区玛曲为研究区,评估FY-2C数据的地表温度反演精度,为将来温度反演算法和产品的进一步发展提供依据。首先,以与FY-2C相同空间分辨率的MODIS地表温度产品(MOD11B1)为地表温度真值,对反演的地表温度进行了验证; 然后,利用研究区内20个采样点的土壤温度(5 cm)实测数据对反演结果进行验证。结果表明,FY-2C地表温度与MODIS温度产品具有较好的相关性,相关系数在0.72~0.95之间,均方根误差在0.44~3.87 K之间,平均均方根误差为1.90 K; 反演结果和实测数据的相关系数为0.69。

基于风云3号(FY-3)卫星中分辨率成像光谱仪(medium resolution spectral imager,MERSI)数据的归一化差异水体指数(normalized difference water index,NDWI)和基于蓝光波段的归一化差异水体指数(normalized difference water index based on blue light,NDWI-B),通过直方图分析获取了水体指数判识阈值,并对新疆北疆沿天山一带2009—2011年发生的融雪性洪水灾害天气进行了监测。对比基于环境1号卫星CCD数据的监测结果表明: 利用FY-3/MERSI的250 m空间分辨率数据可实现对新疆融雪性洪水灾害的监测,其中利用FY-3/MERSI NDWI-B_FY 数据的判识效果最好。

针对GF-1卫星影像数据的特点,分别采用归一化差分水体指数(nomalized difference water index,NDWI)阈值法、支持向量机(support vector machine,SVM)和面向对象等方法对鄱阳湖区的GF-1影像进行水体信息提取实验,并根据提取结果分析和比较各种方法的优势与不足。选取2块不同尺度和不同复杂度的代表性区域,以人工解译的水体信息为真值,进行漏提率、误提率和提取精度的统计。结果表明: 3种方法在2个区域的提取精度都较高,其中,SVM法的提取精度最高(2个区域的提取精度分别为99.474 2%,98.099 3%),面向对象法的提取精度次之(99.316 4%,97.877 9%),NDWI阈值法的提取精度相对最低(99.145 6%,97.590 0%)。

津巴布韦大岩墙(简称"大岩墙")由形成于25亿a前的镁铁质-超镁铁质杂岩构成,盛产铂、钯、金、铬、镍、铜等矿产资源,是我国境外地质矿产资源勘查的重点地区之一。为适应我国矿产资源勘查开发"走出去"战略的需要,为大岩墙地区基础地质研究和找矿勘查快速提供基础资料,利用ETM⁺卫星数据对大岩墙的几何要素和地质特征进行了系统解译,从遥感地质角度对大岩墙的岩浆房划分方案进行了验证; 利用ZY-1 02C高分辨率卫星数据对塞卢奎次岩浆房的形态、岩性、内部构造及矿业活动进行了详细解译和分析,提出其东西两侧围岩的不同是导致其变形强度差异的重要原因,超镁铁质岩层应是寻找铬铁矿的主要岩层; 并探讨了遥感技术在境外地质矿产勘查领域的"五尺度"工作方法,为遥感技术在境外地质调查中的应用奠定了技术基础。

为了从遥感角度对西澳大利亚哈默斯利盆地的沉积变质条带状含铁建造(banded iron formation,BIF)型铁矿进行深入研究,利用ETM图像对皮尔巴拉地块进行地质矿产解译,采用ASTER图像对目标区域进行矿化蚀变信息提取; 结合传统地质矿产理论及相关文献,对区内BIF型铁矿的遥感地质特征及其成矿机理进行深入解剖、对比和研究,在此基础上建立了BIF型铁矿的遥感地质找矿模型; 并圈定了找矿远景区,以期能在BIF型铁矿找矿(前期)技术方面取得突破,为寻找BIF型铁矿提供技术支持与帮助。具有现实验证意义的是,在所圈定的找矿远景区进行野外调查时发现,澳大利亚力拓集团已经在纽曼—必和必拓C区远景区内筹建一处大型铁矿,前期平地工作已基本完成。

遥感地质解译和异常信息提取是遥感地质学的重要研究内容之一。为分析在江西盛源火山盆地中寻找铀矿的前景,以ALOS,SPOT5和ETM⁺等多源遥感数据为信息源,结合数字高程模型(DEM),对该盆地进行了遥感地质解译和遥感蚀变异常信息提取与筛选,重点提取与铀多金属矿有关的地层、断裂构造、火山机构和蚀变异常等成矿信息; 并结合已有地质资料, 在ArcGIS平台上开展基于遥感数据的成矿地质条件综合分析和找矿预测,提出了3个 找矿有利区,为当地矿产资源勘查和资源评价提供基础数据和参考依据。

分别选取1992年、1996年、2000年、2004年、2009年和2013年6个时期遥感影像,从生态系统结构和生态系统景观格局角度研究德兴铜矿矿产资源开发区生态环境20 a间变化。结果表明: 德兴铜矿矿产资源开发活动导致森林和草地等自然景观面积持续减小,采矿场、尾矿库及排土场等人工景观面积持续增加; 区域生态系统质量朝变差的方向发展,总体表现为生态系统斑块数增加,斑块密度增大,聚集度指数下降,生态系统破碎程度加重; 近20 a来矿产资源开采活动不断加强,生态系统破坏面积逐年增加,矿山生态恢复工程滞后。

针对我国社会重点关注的矿山环境治理问题,使用高分辨率遥感数据,选择位于四川省西南部的冕宁牦牛坪稀土矿区开展了矿山环境综合治理区划研究。采用SPOT6卫星图像遥感解译和野外调查相结合的方法,准确查明该矿区的矿山土地压占、矿山地质灾害、矿山环境污染、尾矿库分布、矿山恢复治理和矿山开采点等状况; 根据建立的矿山环境综合分析方法,对该矿区遥感调查结果进行综合分析,并在此基础上开展矿区恢复治理区划,提出治理对策与建议。研究结果表明: 本次研究成果数据客观、及时、准确,可为国家有关部门进行矿山保护治理工作部署提供依据,同时对促进矿山遥感监测工作成果的推广应用具有积极意义。

为评价资源三号测绘卫星(ZY-3)DEM数据在地质领域的应用效果,结合ZY-3卫星的在轨测试工作,选择内蒙古大青山山前断裂为实验区,从数据精度和可用性2个方面对ZY-3 DEM数据在活动构造定量研究中的应用进行评估。 参考1:5万比例尺DEM和实验区野外实测高精度GPS数据,对比ASTER传感器立体像对生产的30 m 分辨率GDEM数据,采用检查点法和剖面法对ZY-3立体像对生产的5 m分辨率DEM数据进行了精度评价。实验结果表明: ZY-3 DEM的高程精度略优于ASTER GDEM; ZY-3 DEM受地表形态因素影响更为显著。通过对大青山山前断裂呼和浩特段的地貌特征进行遥感数据统计分析与微地貌研究发现,该区域以中、低陡坡为主(约占该段山体的92%),发育有4级夷平面和1级山前沉积台地,越靠近东部断裂末段,断裂的活动性越弱; 断裂呈线性展布,其活动性以张性为主,兼具左行水平滑移。研究结果表明,ZY-3提供的高分辨率光学影像、多光谱影像和DEM可有效地应用于活动构造的定量研究。

为提高土地督察线索获取的快捷性和准确性,提出了一种基于稳定地物样本库的建设用地变化监测方法。首先,利用先验知识结合本底影像选取土地利用类型未发生变化的对象,形成稳定的地物样本库; 然后,关联最新影像,动态筛选训练样本,实现建设用地变化自动监督分类; 最后,基于先验知识对分类结果自动甄别,进行双重辅助变化信息提取,并利用相隔4个月的资源3号卫星数据开展对比试验。结果表明,该方法提取的建设用地变化位置准确率达72.82%(常规矢量监测法仅为33%),大大提高了违法用地位置信息发现的准确率,具有较高的可靠性和精度。

耕地质量评价是新一轮国土资源大调查的项目之一,准确掌握县域内耕地质量状况十分必要。以北京市昌平区为研究区,将模糊理论、自组织特征映射(self-organizing feature maps,SOFM)与GIS相结合,构造出SOFM-GIS聚类模型,并开发出评价工具,对研究区耕地进行自然等级划分。通过在昌平地区的实验表明,利用SOFM-GIS聚类模型评价耕地质量结果有效,说明SOFM-GIS聚类模型能很好地对耕地质量等级进行划分,并借助GIS的可视化功能显示耕地质量的分异特征,为相似地区耕地质量评价提供参考。

基于2007年SPOT5数据、2011年ALOS数据、2012年WorldView数据和2013年QuickBird数据,提取新街台格庙矿区开发初期的土地利用变化信息; 通过对变化信息的分析,掌握矿区内土地利用变化和转化情况,进而分析其变化规律及驱动力。研究结果表明: 耕地在2007—2013年间呈现高速增加的趋势,其驱动力来自于居民对矿区开发中征地补偿的预期,居民点、水域和设施农用地的增加也是该驱动力的直接体现; 林地和交通用地面积的增加主要集中在2007—2011年,前者缘于治沙造林工程,后者缘于新恩铁路的修建和兰嘎一级公路的改道; 工矿用地面积的持续增加归结于工业园区的建设和天然气资源的加速开采,随着矿区开发进入建设阶段,工矿用地仍将保持增长的态势; 草地作为矿区内唯一净减少的土地利用类型,其大面积被侵占是利益驱使而导致的; 而荒地的变化更多体现在草地转化为其他地类的中间过程。

选用2001年、2006年、2009年和2013年的Landsat5/8遥感数据,利用面向对象的方法和GIS空间分析技术,对辽东湾的海岸线变迁和海岸带土地利用变化情况进行研究。通过定量和定性分析,总结该区域海岸线变迁的速度与土地利用变化幅度。结果表明: 12 a来,辽东湾海岸带发生了巨大变化,整体变化趋势是由陆地向海洋方向扩展,海岸线总长度增加了514 km,海岸带总面积增加了404 km²; 从土地利用方面来看,港口不断扩建,建筑用地和未利用土地不断增加,绿地、湿地和滩涂大幅减少; 这些变化主要是人类经济活动开发导致的。

利用2011年10月—2013年7月间获取的37景TerraSAR-X高分辨率条带模式SAR数据,采用干涉测量点目标分析(interferometric point target analysis,IPTA)技术得到常州地区因工厂集中开采地下水所引起的地表沉降信息,即常州市武进地区有多处地表沉降,在2011—2013年间最大沉降速率为31.494 mm/a。通过与Envisat ASAR数据获取的平均沉降速率对比,说明TerraSAR-X数据不仅可以提高永久散射体(permanment scatter,PS)的点密度,而且能更好地描述散射体的细节变化和微量位移情况,体现出TerraSAR-X数据监测地表形变的优势。沈海高速公路常州沿线地面沉降的监测结果表明: TerraSAR-X数据在人工线状地物形变监测中具有广阔的应用前景; IPTA监测结果与水准测量结果具有较好的一致性,表明将IPTA技术应用于城市地表形变监测的正确性。

植被覆盖度是描述水土流失程度的重要指标。像元二分模型假设一个像元代表的信息来自土壤和植被2部分,植被信息占整个像元面积的百分比为植被覆盖度。对Radarsat-2数据进行极化分解,得到反映植被疏密程度的雷达植被指数,结合像元二分模型估测植被覆盖度。将基于雷达植被指数的像元二分模型应用于水土流失重点治理区域——福建省长汀县河田镇,并以高分辨率光学影像WorldView-2计算的植被覆盖度作为参考,结合无人机高分影像和实地考察资料对结果进行精度验证。结果表明,估测结果与验证数据具有较好的相关性(R² > 0.8),表明该模型可以用于植被覆盖度的估测; 完全基于雷达数据估测植被覆盖度的算法,克服了南方多云雨地区数据不易获取的困难,有助于对水土流失的连续监测。

利用1979—2010年逐日中国雪深长时间序列数据集,采用GIS空间分析和Mann-Kendall检验等方法,分析了青藏高原雪深时空分布及其与地形的关系。结果表明: 青藏高原雪深分布受地形影响明显,在5—9月平均雪深主要受到高程影响,在其他月份则受气温和高程共同影响; 同一高程带雪深的变幅反映坡度和坡向对雪深的影响,变幅越宽坡向影响越大; 最大雪深随高程和坡度的增加而增加,空间变异随高程的增加而下降,随坡度的增加而呈上升趋势; 从10月至翌年5月,平均雪深在高程82~2 482 m和6 082~7 682 m受坡度和坡向影响较高程2 482~6 082 m要偏大; 回归分析表明,高原雪深分布受到高程和坡度的双重影响,高程是雪深分布的主要影响因子,在高程82~3 282 m区间,坡度的空间差异对平均雪深空间变异的影响具有明显正效应。

在无人机应急测绘保障中,存在航线设计不规则、航摄倾角过大等问题,如果利用传统航摄软件处理这类影像将会消耗较长的时间,进而严重影响应急测绘保障服务的时效性。为此,提出了一种利用PhotoScan Pro软件快速生成正射影像和点云的方法来解决此类问题。通过在多次地质灾害预防及处置中的实际应用,表明该方法能够为测绘应急保障服务提供及时有效的影像数据。

为了在MapGIS和ArcGIS平台之间进行数据共享,提出了从MapGIS到 ArcGIS的地学数据和符号库转换方案。基于MapGIS和ArcGIS Objects开发包进行二次开发,将地质符号库通过MapGIS软件导出为对应的可扩展标记语言(extensible markup language,XML),解析并符号化成相应的符号库; 将地学数据转换为shapefile文件,并生成保存有渲染信息的工程文件(.mxd)。最终通过程序化实现从 MapGIS平台到ArcGIS平台的地学数据及符号库的转换。

针对雷达遥感图像解译困难、应用门槛高,严重制约微波遥感应用的深度与广度这一困境,提出构建典型地物微波特性知识库,对微波遥感模型、基础测量数据、雷达遥感图像、解译标志、先验知识与应用示范等进行科学组织和集成,并基于浏览器/服务器(browser/server,B/S)结构实现数据共享与信息表达。研究表明,知识库的构建能为微波遥感理论基础与应用研究提供模型、数据与专家知识等一体化支持。

为实现地学数据跨平台、跨地域地访问与共享,建立地质空间信息共享与应用服务体系,中国地质调查局运用网格GIS技术,以网络超大型分布式GIS软件为基础,构建了中国地质调查信息网格平台,并在全国部署了近10个结点。通过对海量数据的有效组织管理,实现了异构环境下、不同区域地质空间信息资源的服务与共享。以西南地区为例,介绍了地质调查信息网格结点的研建和应用情况。该结点取得的良好运行效果,不仅验证了网格平台数据共享的可行性,同时可为更多的网格结点建设提供参照。