水下地形测量是测绘科学的重要分支,与人类开展海洋、湖泊等作业密切相关。在探测浅水区水下地形时,传统声学方法面临船体搁浅风险,被动光学方式则存在测量精度低等缺陷。机载激光测深技术的出现为解决浅水水深测量难题提供了新的手段,其在近岸区域应用可填补浅水区水下地形数据空白。文章首先简要介绍了机载激光测深系统的组成和原理; 其次,对激光测深数据的获取做了说明,并重点讨论了机载激光测深数据处理的关键技术,包括波形数据处理、误差修正和点云数据处理等; 最后,总结了机载激光测深存在的技术难点及未来的发展趋势。
近岸海域监测包括自然环境监测和人类活动监测,其监测目标的高精准识别对海洋经济的健康发展、海洋环境的生态保护以及海洋防灾减灾等都有重要的作用。近岸海域监测目标具有多类型、多尺寸和不确定性等特征,现有识别模型在对近岸海域监测目标识别时,存在精度和效率欠佳、小目标漏检现象严重等问题。针对上述问题,利用可学习的图像调整模型(Resizer model)改进YOLOX,提出了面向近岸海域监测目标的识别模型(Re-YOLOX),包括: ①利用Resizer model加强模型训练,提升模型的特征学习能力和表达能力,提高模型的召回率; ②改进YOLOX的特征金字塔融合结构,减少小目标识别的漏检问题。用无人机监测的近岸海域视频数据作数据集,以车辆、船只和堆砌物为监测目标,将提出的Re-YOLOX模型与CenterNet,Faster R-CNN,YOLOv3和YOLOX等模型进行比较。结果表明,Re-YOLOX模型的平均预测精准率mAP可达94.23%,平均召回率mR可达91.99%,平均F1值mF1可达89.67%,均高于对比模型。综上所述,文章提出Re-YOLOX在保证目标识别效率的前提下提高了目标识别的精度,可为近岸海域管理提供技术支撑。
针对近海沿岸复杂地理环境中“同谱异物”效应导致传统方法提取水产养殖塘边界模糊、精度较低的问题,提出了基于U2-Net深度学习模型的沿海水产养殖塘遥感信息提取方法。首先,对遥感影像进行预处理,选择合适的波段组合方式以区分养殖塘和其他地物; 其次,通过目视解译进行样本制作; 然后,利用U2-Net深度学习模型训练并提取沿岸养殖塘; 最后,利用局部最佳法确定养殖塘范围。实验结果表明,该方法平均总体精度达到95.50%,平均Kappa系数、召回率和F值分别为0.91,91.45%和91.01%; 在养殖塘个数及面积评价方面,提取出养殖塘区19块,共计9.79 km2,区块数和面积的平均准确度分别为94.06%和93.18%。本研究能够快速、准确地开展海岸带区域养殖塘制图,能够为海洋资源管理和可持续发展提供技术支持。
挖塘养蟹是耕地“非粮化”行为的一种,若不及时发现制止,将对国家粮食安全造成危害。为了应对这一行为在遥感智能解译工作中所存在的人工判读量大、核查效率不足的挑战,提出了一种基于协同判读机制的养殖蟹塘遥感智能检测方法,该方法集成了HRNet分割网络和Swin-Transformer分类网络模型,并进一步介入人工核查,提高检测精度和工作效率。以江苏省南京市高淳区为研究区域进行了实验,结果表明,提出的基于协同判读机制的耕地“非粮化”遥感智能检测方法能够自动筛去83.4%的待检测图斑,最终识别精度为0.972,可在大幅降低识别难度与人工核查工作量的同时提高检测精度,为实现准确高效的蟹塘等“非粮”地物检测提供可靠的解决思路。
准确获取土地利用/覆盖(land use/land cover,LULC)信息,对区域空间规划和可持续发展具有重要指导意义。地表形态的复杂性、地物类型的多样性、遥感图像特征的非线性给传统的遥感图像分类方法带来了挑战,且传统方法未充分利用遥感图像所蕴含的丰富信息。文章发展了一种随机森林遥感图像分类方法,融合指数与主成分分量开展LULC信息提取。首先,选择研究区影像进行云量筛选、影像中值合成,得到年际遥感影像; 其次,计算多种指数,提取主成分分量,将其融入到遥感图像波段堆栈中; 然后,构建不同机器学习算法分类器; 最后,基于混淆矩阵,使用总体精度与Kappa系数对分类结果进行评估。在杭州湾区域的实验结果表明, 植被指数、水体指数、建筑物指数与主成分分量的辅助决策能够提高分类的准确性,总体精度和Kappa系数分别为91.42%和0.894 2,高于传统随机森林、分类回归树和支持向量机等方法。融合指数和主成分分量的遥感图像分类方法能够准确地提取遥感图像中的地表覆盖特征,得到高精度的土地利用分类结果,为地表精细分类提供方法支持。
随着湛江市城镇化的发展,湛江市生态用地面积减少,生态环境恶化。因此,快速、全面及准确地定量监测湛江市生态环境质量变化具有重要意义。选用2000年、2005年、2009年、2015年、2020年Landsat系列卫星影像,选取绿度、湿度、干度、热度、土地利用与人口分布6项指标,构建改进遥感生态指数(improved remote sensing ecological index,IRSEI),定量分析湛江市2000—2020年间生态环境质量变化。研究结果表明: 2000年、2005年、2009年、2015年与2020年IRSEI指数均值分别为0.18,0.18,0.35,0.42和0.38,呈先升后降的变化趋势; 对2000—2020年间IRSEI进行差值处理,研究区生态环境变化“明显变好”、“轻度变好”、“基本不变”、“轻度变差”、“明显变差”的面积占比分别为78.95%,8.70%,8.01%,1.35%和2.99%,以“明显变好”为主; IRSEI指数可以较好地反映出2000—2020年间海岸带城区环境较差的现象,具体表现为海岸带区域的建筑用地IRSEI指数较低,研究结果将为湛江市生态环境保护提供理论基础和科学依据。
海岸带是世界上容纳人口最多的区域,其生态系统受到人类活动的强烈影响。潮滩、海岸线、养殖水体变化是海岸带生态系统健康监测的重要要素。由于潮汐作用,海陆水边线处于动态变化状态,是应用遥感技术进行潮滩、海岸线检测的主要难点,故通过综合Landsat4/5/7/8和Sentinel-2A/B卫星遥感数据对1989—2021年间中国大陆海岸带潮滩、海岸线、养殖水体进行了7期监测,发挥了多源卫星观测频次高的优势,通过检测不同潮位的水边线实现潮滩、海岸线、养殖水体的识别。结果表明: 针对不同水色的海水应选用不同的水体指数组合,对于清澈或低浑浊度的海水,应分别采用修正的水体指数(modified normalized difference water index,mNDWI)与归一化差值水体指数(normalized difference water index,NDWI)检测高潮位、低潮位水边线,有效提高潮滩检测的可靠性,检测的潮滩面积比通常仅用mNDWI指数检测的潮滩面积大122%; 对于高浑浊度海水(浙江省、江苏省和上海市),应采用mNDWI进行高潮位、低潮位水边线的检测,以避免NDWI将高浑浊度海水误识别为潮滩,对养殖水体应采用NDWI检测。1989—2021年,中国大陆海岸带发生了巨大变化,潮滩快速消失,养殖水体面积和海岸线长度增加,整个中国大陆海岸带的潮滩减少率、海岸线长度和养殖水体增加率平均分别为46.2%,34.4%和149.3%,潮滩面积减少了7 173.2 km2,海岸线长度增加5 320.5 km,养殖水体面积增加了9 046.5 km2。北方省份或城市遭受的潮滩损失比南方省份或城市更严重。以1989—2021年潮滩平均减少率计算,辽宁省、河北省和天津市、山东省的潮滩将分别在27 a,10 a和22 a内完全消失。潮滩和养殖水体的面积变化高度负相关,表明养殖水体的扩展是潮滩减少的重要驱动因素。
针对传统的全色锐化融合中细节信息提取不准确、融合光谱精度不高等问题,结合非下采样轮廓波变换(nonsubsampled Contourlet transform, NSCT)的多尺度多方向分解特点和脉冲耦合神经网络(pulse coupled neural networks, PCNN)脉冲同步发放特性等优点,提出了一种基于NSCT和PCNN的遥感图像全色锐化算法。该算法首先采用NSCT变换提取全色图像细节特征,然后将该特征注入PCNN模型获得的非规则分割区域,最终采用统计加权方式获取高分辨率的多光谱遥感图像锐化融合结果。采用WorldView-2和GF-2高空间分辨率遥感图像数据集实验结果表明,该算法在细节保持和光谱一致性等评价指标上均优于其他遥感图像融合算法,验证了该算法有效性。
为了提高目前主流卫星推扫成像过程中多列条带噪声的检测效率,提出了一种基于间隔采样的快速变分条带噪声检测方法。该方法以条带噪声成分变分建模和优化求解为基础,通过间隔采样和构建带间隔采样参数的条带噪声成分估计模型,完成条带噪声成分的快速求解,然后对条带噪声成分列均值进行一元离群点检测和后处理,完成条带噪声的定位。由于采用间隔采样的策略,该方法在不损失条带噪声检测精度的情况下显著提高了检测效率。
深度语义分割目前已经被广泛应用于国土遥感监测和遥感解译生产领域,针对现有语义分割结果质量评价方法无法反映语义分割结果在空间几何特征上保持情况的客观问题,文章从遥感解译与测绘生产的实际需求出发,提出了一种顾及地学特征的遥感影像语义分割模型性能评价方法——连通相似性指数(connectivity similarity, CSIM),从遥感地物图斑连通相似性层面,将地学特征嵌入语义分割模型性能评价体系。该方法可以定量评估遥感影像语义分割结果与实际样本标签的图斑连通相似性程度,准确描述预测分类结果中图斑完整性的保持情况,从而更加客观地判断预训练模型是否适用于测绘生产的遥感解译工作。经过大量实践证实,该评价方法可以更好地实时监测和控制模型训练,有效地指导从预训练模型集合中选取最优性能的模型,准确地评估顾及地物几何特征的遥感影像预测结果的真实质量,对深度学习赋能遥感解译与测绘生产具有重要作用。
针对传统机载多光谱激光雷达(multispectral light detection and ranging,MS-LiDAR)土地覆盖分类方法空谱信息协同利用能力不足或多类型特征联合利用时特征维数过高的缺陷,提出一种基于多元高斯混合模型(Gaussian mixture model,GMM)的机载MS-LiDAR点云空谱联合分割算法。该算法首先对原始多波段独立点云进行辐射校正、异常剔除及融合,形成同时表达空间位置及其对应多波段光谱信息的多光谱点云; 然后,提取各激光点的多光谱、高程等特征构建空谱特征矢量,并通过特征标准化及离散化消除不同类型特征间的单位和尺度差异; 再次,构建多元GMM建模目标在空谱特征空间呈现的多峰分布,获取激光点属于各类目标的响应度并按照最大响应度原则确定类属; 最后,设计3D多数投票法优化分割结果。实验基于实测的Optech Titan MS-LiDAR数据验证提出算法的有效性和可行性。实验结果表明: 联合多波段强度特征及高程特征的多元GMM的分割总体精度可达93.57%,Kappa系数可达0.912,仅联合四维特征即可实现MS-LiDAR点云的高精度分割。该项研究可为综合利用MS-LiDAR数据的多光谱及空间信息提供新途径。
建筑物层数获取可为城市安全和灾害隐患提供数据支撑和决策服务。目前,建筑物层数往往是基于人工调研和统计为主; 基于遥感影像的建筑物高度自动反演,也存在算法效率低、提取不完整、自动化程度偏低等问题。为解决这些问题,实现快速和大范围获取建筑物层数,基于GF-7卫星影像,设计、实现了一种楼层数识别的算法,在主成分分析等预处理的基础上,采用渔网法阴影线自动提取算法,并利用阴影形成的几何关系计算楼高并转换为楼层数,最终为消除阴影长度测量误差的影响,采用支持向量机回归对算法提取结果进行误差改正。以北京市朝阳区为研究区,进行模型的训练与测试; 以河南省郑州市为验证区的实验结果表明,建筑物层数总体识别精度为90.21%,6~50层的建筑物层数识别误差在3层以内。研究可为基于卫星数据快速和大范围自动获取建筑物层数提供全新的技术支撑和应用服务。
针对消费级无人机相机单一、镜头畸变大,地形建模精度受航线设计和控制测量的影响等问题,设计了不同的数据采集方案和控制点蒙特卡罗检验,分析了相机倾角、航高和控制点数量对地形建模精度的影响。在黄土高原3个典型小流域的实验结果表明: ①在进行无人机摄影测量数据处理时,应先使用蒙特卡罗检验对控制点质量进行分析,排除控制点误差再进行数据处理。②相机倾角方面,在无地面控制点时,采用较大角度的倾斜摄影不仅有利于提高样区整体精度,还优化了误差的空间分布; 这与相机畸变模型的优化有关。在有地面控制点时,相机倾角对高程精度的影响不大,但是影响控制点饱和数量; 相对于垂直摄影,倾斜摄影需要略多的控制点才能达到最优精度。③航高方面,在有地面控制点时,使用倾斜摄影有利于降低高程精度对航高变化的敏感性。在有地面控制点时,航高在60~160 m范围内对高程精度的影响不明显,且航高变化不影响控制点饱和数量。
为改善非均匀薄云覆盖遥感图像薄云去除存在校正不足或颜色失真的问题,该文提出了一个融合注意力特征的高保真薄云去除端到端网络。首先,设计了注意力特征融合模块,该模块引入注意力机制以及融合模块,并通过3个注意力特征融合模块级联,使网络关注薄云覆盖区域的信息提取,减少无云部分的影响。同时,加入颜色损失函数和锐化损失函数以提高图像准确的颜色保真度和细节清晰度。通过实验结果表明,该方法的输出结果在视觉评估和定量评价指标(峰值信噪比和结构相似度)上均优于其他方法的结果。该网络对于多种场景下的非均匀薄云图像均有较好的去云效果,且输出的图像色彩效果真实、亮度过度平滑、细节轮廓清晰。
在对遥感影像进行处理分析的过程中,云层覆盖往往会对遥感信息的提取造成阻碍。然而,地表背景环境复杂多变,由于不能有效提取云目标和背景环境间的特征差异,现有方法虽然在大多数背景环境下具有较好的云检测效果,但在某些环境下则存在明显的误分漏分,不能保持原有的检测效果,表现出稳定性差、泛化能力不足的特点。对此,该文提出了一种适用于多背景环境的云检测方法,首先基于Sentinel-2A数据,对云目标与背景环境的光谱特征差异进行分析以辅助检测样本选择,并在此基础上加入薄云最优变换(Haze optimized transformation,HOT)和云位移指数(cloud displacement index,CDI)等更有效的检测指标; 最后训练得到基于随机森林的云检测模型,从背景环境和云目标种类对检测精度的影响出发,在不同背景环境的影像上与Fmask算法进行对比。结果表明,相对Fmask算法,该文方法的总体精度和F1分数分别提高了2.2%和2.9%,总体精度和F1分数的标准差分别降低了29.6%和72.5%,说明该方法在保持高检测精度的同时,显著提升了不同环境下云检测的稳定性,能够有效应用于多背景环境下的云检测。
变化检测是遥感领域的重要研究方向。针对现有条件随机场变化检测技术的不足,通过改进全连接条件随机场(fully connected conditional random field, FCCRF),提出一种全新的合成孔径雷达(synthetic aperture Radar, SAR)影像变化检测方法。首先,对生成SAR差分影像的对比算法进行总结,将其划分为像素级、邻域级和超邻域级3个层级; 然后,选取对数比、邻域比和改进非局部图3种典型对比算法,生成3组互补差分影像; 最后,通过扩展FCCRF二元势函数的高斯核个数对FCCRF进行改进,并利用改进后FCCRF模型生成变化检测图。所提出变化检测技术能够综合利用2期SAR影像的原始影像、3组互补差分影像和影像全局空间信息。另外,本文通过提出一种简单有效的参数确定策略,使得FCCRF能够全自动进行变化检测。4组真实SAR影像数据的实验结果表明,本文方法可行有效。
矿产资源开采导致的地表沉陷不仅是矿区国土空间开发利用需要考虑的重要因素,而且对地下非法开采的区域具有明显的指征作用。矿产资源开采一般具有分布范围较广、分布不均且较分散的特点,因此快速、准确地识别并提取大区域内采矿沉陷的空间分布非常必要。本研究基于合成孔径雷达差分干涉测量技术(differential interferometric synthetic aperture Radar,D-InSAR)得到矿区多时相差分干涉相位图,并使用深度学习FCN-8s,PSPNet,Deeplabv3和U-Net模型训练网络开展采矿沉陷智能识别,结果显示U-Net模型具有较高的检测精度且用时较短。为提高采矿沉陷的语义分割提取精度,在传统U-Net模型中引入高效通道注意力模块进行训练。结果表明改进的U-Net模型与传统模型相比,在测试集上采矿沉陷对应的交并比提升2.54百分点,为大范围采矿沉陷时空分布提取问题提供新的解决方法。
钻孔体应变仪是地震前兆观测与研究的主要仪器,该仪器优点是基于点的观测、观测精度高和直接观测浅层地壳应力应变信息; 缺点是难以获得空间连续形变信息和易受抽水等场地环境等因素干扰。PS-InSAR方法结果为空间连续形变场和时序形变量,累计形变量与地下水位变化具有一致性。为弥补钻孔体应变监测地表形变缺陷和准确分析其观测数据中的异常信息,以怀来地震台为例,基于Sentinel-1影像,使用PS-InSAR方法对研究区地表进行沉降分析并研究2020—2021年钻孔体应变观测数据拉张异常机理。结果表明: 怀来地震台附近区域的形变中心位于义合堡村东侧抽水井处; 区域沉降发生时间和钻孔体应变观测异常时间与义合堡村用于供热的抽水井供暖期抽水时间相同; 怀来地震台钻孔体应变观测数据拉张异常机理与附近用于供热的抽水井抽水引起的地表变化机制相一致。因此,怀来地震台钻孔体应变拉张异常变化是由义合堡村用于供热的抽水井抽水引起,同时诠释了在受地下水抽水较为明显地区内,PS-InSAR在地震前兆观测仪器观测异常机理研究的应用示范作用。
叶面积指数(leaf area index,LAI)是森林生态系统重要参数,如何以较小成本提升区域尺度的山地森林LAI的遥感估测精度,对于精确掌握森林LAI的情况和进一步了解森林生态系统有重要意义。本研究以星载激光雷达ICESAT-2/ATLAS为主要信息源,以西南山地香格里拉市为研究区,基于随机森林回归(random forest,RF)遥感估测模型,结合地面51块LAI实测样地数据,在前期进行RF超参数优化基础上,采用决定系数、均方根误差、绝对平均误差和中位数绝对误差作为模型精度评价指标,对估测效果进行分析。结果表明: 使用随机表面查找算法进行RF回归模型的超参数优化,能明显提升模型估测LAI精度。提取出的地面光斑特征参数在山地森林LAI估测中有较高的贡献度和极佳的效果,可用于区域尺度的山地森林物理结构参数LAI的估测。同时,利用随机表面查找算法优化后的RF回归模型,估测精度更高,估测结果与研究区森林分布现状吻合,具有一定普适性。最后,研究确定了使用ICESat-2/ATLAS数据产品估测LAI是可行的,能为星载激光雷达估测中大范围的LAI提供一定的参考。
为快速无损地获取托克托县土壤全氮含量,满足当今精准农业的要求,文章以研究区内120个采样点的土壤全氮含量与高光谱数据为数据源,利用分数阶微分(1~2阶)间隔0.1对光谱数据进行处理,筛选敏感波段,利用支持向量机(support vector machine,SVM)与BP神经网络模型共建立24个土壤全氮反演模型,结果表明: ①经过分数阶微分处理后,光谱的波峰、波谷处信息被放大,随分解尺度的增加,其余波段的反射率逐渐趋于0; ②原始光谱与土壤全氮的皮尔森相关系数r=0.61,经分数阶微分处理后,在1.1阶处达到最大值r=-0.67,绝对值较之前提升了0.06; ③BP神经网络预测模型结果优于SVM预测模型结果,本研究最佳土壤全氮预测模型为1.1阶微分处理后建立的BP神经网络模型,建模集R2为0.75,均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.16,验证集R2为0.71,RMSE为0.16,相对分析误差(relative percent deviation,RPD)为2.06,可有效反演当地土壤全氮含量,相对于原始光谱建立的BP神经网络模型精度有较高提升。因此,利用1.1阶微分处理后的高光谱数据建立BP神经网络模型可实现对研究区土壤全氮含量的反演预测,可为当地精准农业的发展提供理论参考与技术支撑。
基于现有生态系统服务理论与方法,通过引入文教科研指标、优化气体调节指标,提出了湖南省本土自然资源生态系统生产总值(gross ecosystem product,GEP)核算指标体系,集成构建了GEP格网化评估模型,在30 m×30 m格网尺度评估分析了全省2000年、2010年和2020年GEP时空演化特征。研究结果表明: ①时间维度,近20 a间湖南省GEP上升3.34×105亿元,增幅达40.28%; 各生态系统类型对GEP贡献的排序为: 森林>农田>草地>湿地>城市。②空间维度,湖南省GEP总体呈现出西部和东南部高、中部和北部低的空间分布格局; 西部武陵山片区增长率高,北部洞庭湖区增长率低。③与已有10 km×10 km研究结果相比,本研究高空间分辨率GEP结果在水域及城市生态系统呈现的空间分布细节信息更多。④各单项生态系统功能价值量对湖南省GEP的贡献度排序随时间呈现规律性变化,土壤保持功能价值量的贡献对武陵山片区和洞庭湖区GEP变化占据主导作用。研究结果可为湖南省自然资源监管及生态环境保护提供科学决策依据。
经济发展过程中,常伴随出现生态环境质量下降和服务能力失调等问题。理清生态与经济两者之间的关系、明确两者的空间差异,是实现区域可持续发展的前提。该文以2000年、2010年和2020年洞庭湖区3期遥感影像及社会经济数据为基础,采用价值当量法计算生态系统服务价值,并测算湖区内24个区县单元生态系统服务与经济的协调性、一致性指数,综合探讨生态服务与经济的变化关系及空间聚集特征,进而为区域生态服务与经济发展协调平衡提出针对性的优化措施。结果表明: ①湖区生态系统服务价值总量上由2000年的2 615.41亿元下降至2020年的2 556.46亿元,空间分布上呈中部高、外围山体次之、交界丘陵平原最低的圈层式格局; ②单项生态服务价值中,水文调节的贡献率最高,维持养分循环的贡献率较低,研究期内,除生物多样性和美学景观外其他类型生态服务价值均出现不同程度的减少,其中水文调节的减少量最高,占总减少量的70%以上; ③从生态服务与经济发展的时空变化情况来看,湖区内部生态差距较为平稳,经济差距持续拉大,各区县生态经济协调度良好,但生态经济一致性水平较低,生态与经济空间聚集存在明显差异,生态聚集大于经济聚集的区域主要位于洞庭湖及沿岸; ④探究生态服务价值空间差异,发现人为扰动、高程、坡度、温度和降水等是重要驱动因子。因此,为促进洞庭湖区生态与经济和谐发展,削弱生态与经济差距,应在严格保护自然基底、加强人为引导利用、促进生态资源向经济产品转化等方面提出可操作性的措施。
城市作为人类生活和生产的核心区域,其生态环境质量越来越受到人们关注,特别是生态环境脆弱的干旱区城市。在新疆的南疆和北疆2个典型绿洲城市(乌鲁木齐市和喀什市)分别选取研究区,基于Google Earth Engine(GEE)构建2个城市遥感生态指数(remote sensing ecological index, RSEI),比较2000年、2010年和2020年2个研究区生态环境质量的时空变化特征,并利用随机森林模型定量分析2个研究区RSEI的影响因素。结果表明: ①近20 a间研究区1生态环境质量变差,研究区2生态环境质量变好,研究区1生态环境改善的区域集中在城市中心的老城区,而城区外围的新建区生态环境变差,研究区2东北部生态环境明显改善,而城市中心周围的新建区生态环境质量变差; ②植被覆盖度是影响2个研究区RSEI最重要的因子,气温和降水量是影响2个研究区RSEI次重要的因子,影响因子对2个研究区RSEI的影响范围有所差异; ③近20 a间研究区1城市规模的扩大、不透水面的增加和植被覆盖度的减小是生态环境变差的主要原因,而研究区2城市化与绿色健康城市发展模式共同推进的举措对生态环境质量的改善发挥了重要作用。研究结果可以为研究区城市健康发展提供科学依据。
川西高原是青藏高原与四川盆地间重要的生态屏障,生态坏境脆弱敏感,研究其植被归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)动态变化及其驱动因子,对监测生态环境质量具有重要现实意义。以2001—2021年MODIS NDVI 数据为基础,结合气象数据、地表因子数据以及人类活动数据,利用趋势分析、Hurst指数以及地理探测器分析时空尺度下川西高原植被NDVI的分布特征,探索影响NDVI变化的主要驱动因子。结果表明,2001—2021年川西高原67.19%的区域植被NDVI表现为波动上升趋势; 高程是影响植被NDVI的最主要因子,其解释力为0.529,其次为≥0 ℃积温与气温; 影响因子间交互作用为非线性增强与双因子增强,其中相对湿度∩高程的q值最高,为0.623; 84%的因子组合对川西高原植被 NDVI 空间分布的影响存在显著差异。研究结果有助于研究植被生长的驱动机制,可为川西高原植被保护提供参考。
河流水位是了解水循环和水资源变化状况的重要参数。新型雷达高度计技术是提取河流水位变化的有利工具。为了验证新型雷达高度计Sentinel-3A/SRAL数据监测河流水位的能力,提高其提取河流水位变化的精度,以长江中下游干流为研究对象,利用重心偏移法、阈值主波峰重跟踪算法(阈值取50%和80%)、重心主波形重跟踪算法和多回波波峰一致重跟踪算法对Sentinel-3A/SRAL L2级数据进行波形重跟踪,提取了长江中下游干流各区域2016—2021年间河流水位,并对比不同算法获取水位的精度,得到最优重跟踪算法,从而提取了12条轨道过境区域的水位变化信息,分析了水位变化规律。结果表明,重心偏移法算法是提取河流水位精度最好的重跟踪算法,各区域虚拟水位与实测水位相比具有最大相关系数(达0.968)、最小均方根误差(达0.680 m); 2016—2021年间长江中下游干流水位总体呈上升趋势,年内水位变化呈现明显的季节性。
为了研究郴州市郴江河流域水质与土地利用关联的空间异质性特征,采集了2021年9月流域水质与高分遥感数据; 通过不同类型、不同尺度的流域缓冲区划分,计算土地利用组分及各地类斑块形状、尺寸及分布等景观配置; 利用单因子、多因子相关性分析,进行区域土地利用对水质的空间异质性影响分析。结果表明: ①在水质与土地利用单因子空间异质性关联分析中,圆形缓冲区的普适性优于河岸缓冲区,而河岸缓冲区在分析建筑用地占比对各水质参数的影响方面起补充作用。在多因子空间异质性关联分析中,河岸缓冲区土地利用对水质参数的解释率普遍高于圆形缓冲区,圆形缓冲区土地利用对水质参数的总解释率最大值出现在半径700 m尺度。②不同土地利用组分对水质的影响不同,耕草地、林地、水域面积占比与水质呈正相关关系,建筑物、裸地呈负相关关系,其中耕草地与建筑用地对水质影响最大; 在进行土地利用规划时,要考虑到土地利用组分的影响,合理分配人工地物和自然地物面积占比。③不同土地利用景观配置对水质影响不同。其中反映斑块形状与尺寸的景观形状指数(landscape shape index,LSI)、最大斑块指数(largest patch index,LPI)对水质存在负面影响,反映斑块分布的散布与并列指数(interspersion and juxtaposition index,IJI)和水体氨氮(ammonia nitrogen,NH3-N)含量在小尺度内呈负相关。在进行土地利用规划时更要考虑到景观配置的合理性,例如要控制缓冲区内优势地类斑块大小。研究结论找出了最能影响水质的缓冲区大小,揭示了最能解释郴江河水质的土地利用组分及其景观配置,为郴江河水质恶化的科学治理措施提供选择依据,对水环境保护有一定意义。
本研究联合1948—2014年GLDAS_2.0数据和2000—2021年GLDAS_2.1数据,构建河南省1948—2021年逐月土壤含水量数据集。利用M-K趋势分析和突变检验、小波分析、互相关分析,揭示河南省土壤含水量的时空分布特征及主要影响因素。结果表明: 重构的2000—2014年逐月土壤含水量与GLDAS_2.1提供的月度土壤含水量的平均偏差为2.09 mm,平均绝对误差为13.01 mm,均方根误差为18.26 mm,数据是可信的。基于该构建的土壤含水量数据,1948—2021年土壤含水量则以0.301 0 mm/a的速度减少,其中,春季河南省土壤含水量的变化率为-0.236 8 mm/a,夏季土壤含水量的变化率为-0.085 5 mm/a,秋季土壤含水量的变化率为-0.380 5 mm/a,冬季土壤含水量的变化率为-0.240 3 mm/a。空间上,土壤含水量变化整体上由南向北递减,与降水和蒸散发具有明显的一致性。垂向上,单位深度土壤含水量为2.63 mm/cm。小波分析与互相关分析表明降水是影响土壤含水量的主要因素。本研究不仅揭示了河南省长时间序列的土壤含水量及其时空分布特征,还可为河南省地表水资源科学管理提供依据。
城镇化水平时空演变研究对城市空间结构优化有重要意义。通过对DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜间灯光遥感数据的饱和校正和一致性校正,构建了2000—2019年黄土高原夜间灯光遥感数据集,计算了黄土高原不同空间尺度的综合夜间灯光指数(compound night light index,CNLI),并利用二分模型提取了黄土高原建成区面积,在此基础上,利用标准差椭圆等方法分析了其空间演变格局。结果表明: ①基于夜间灯光指数构建的黄土高原CNLI与统计数据构建的城镇化综合发展水平指数(urbanization development index,UDI)及各分指标的相关系数均较高; ②2000—2019年整个黄土高原及5个城市群CNLI值均呈现显著上升趋势,空间上呈从东南向西北递减的趋势; ③基于二分模型提取的黄土高原建成区绝对误差和相对误差的均值分别为2.45 km2和3.72%; ④黄土高原建成区重心在2000—2019年期间呈现向东南方向移动的趋势,标准差椭圆的覆盖面积表现为显著下降的趋势(slope=0.010 7 km2/a,p<0.01),方位角的值由北偏东83.33°变为88.37°。研究结果可为黄土高原及生态脆弱区城镇化时空格局研究提供数据支持和方法借鉴。
水体作为城市生态系统的重要组成部分,对改善城市热岛效应和人居热环境具有重要的生态学意义。文章以多时相Landsat和SPOT为实验数据,提出了一种针对混合像元的支持向量机最优端元子集构建原理的地表比辐射率确定方法,采用单窗算法,以灞河及周临用地为研究对象,剖析了河道水体、周临用地与地表温度间的耦合关系。结果表明: ①支持向量机的混合像元最优端元子集构建方法提取地表比反射率结果与MODIS LSE产品误差小于0.005(R = 0.832),表明该方法精度较高,可用于地表比辐射率的提取; ②1992—2019年27 a间灞河两岸用地类型与局地地表温度格局变化显著,建设用地急剧增加,变热趋势明显; 不同时期河道周临用地类型对地表温度影响的幅度不同,建设用地、草地、水体及林地为影响灞河两岸热环境的主要用地类型,水体、林地、草地和耕地均表现为不同程度的降温效应,降温幅度依次为: 水体>林地>草地>耕地; ③同一时期灞河两岸用地类型对局地温度的影响存在空间差异。灞河以东水体、林地、草地和耕地降温效果显著,而灞河以西则为水体、林地及草地。该研究有助于正确认知城市河道对局地热环境的影响特征,能够为城市河道及其周临局地热环境改善提供科学参考。
目前不同中空间分辨率遥感卫星在利用混合像元分解方法提取石漠化信息上存在效果差异,比较不同遥感卫星在提取石漠化信息上的差异,有助于进一步提高石漠化信息提取精度。本研究以贵州省普定县为例,采用GF-6与Landsat8卫星数据,利用顶点成分分析(vertex component analysis,VCA)和完全约束最小二乘法(fully constrained least squares,FCLS)相结合的混合像元分解方法进行石漠化信息提取,探究GF-6与Landsat8在石漠化信息提取的端元特征和等级差异,以此探索GF-6在提取石漠化信息的可行性与有效性。研究结果表明: ①红边波段范围上,GF-6植被端元波谱曲线明显区别于基岩与土壤端元,更易识别出植被端元; ②石漠化信息端元提取精度上,GF-6和Landsat8提取植被端元OA分别为0.63和0.45,Kappa系数分别为0.50和0.29,RMSE分别为1.19和1.71,GF-6和Landsat8提取基岩端元OA分别为0.79和0.61,Kappa系数分别为0.63和0.42,RMSE分别为0.54和0.88; ③石漠化等级评价上,GF-6和Landsat8提取石漠化等级OA分别为0.76和0.59,Kappa系数分别为0.56和0.38,RMSE分别为0.64和1.27。因此,GF-6在混合像元分解提取石漠化信息精度要优于Landsat8,且GF-6的红边波段能更好地识别石漠化区域植被信息,基于GF-6的混合像元分解方法可作为一种石漠化监测手段应用于实际工作中。
合理快速评价矿山重金属污染修复的效果对于矿山生态恢复与重建治理工作具有重要意义。以德兴铜矿为例,根据野外实测植被光谱,分析矿区内主要植被的典型光谱特征; 根据实验室化验的植被叶片内重金属含量,分析其重金属含量与光谱特征参数红边位置的关系; 利用 2003年和2009年2景Hyperion高光谱卫星数据计算矿区植被的红边位置,推断矿区植被富集重金属的情况,进而评价矿山重金属污染修复的效果。研究结果表明,在典型复垦区1号、2号尾矿库四周重金属污染修复取得了较好的效果; 与2003年相比,2009年重金属污染修复整体上取得了一定的成效,大部分区域被修复,但仍有部分新增污染区,需采取修复措施。该方法可快速、合理、大范围地评价矿区重金属污染修复的效果。
针对珠三角地区广泛分布的地表水、植被易造成合成孔径雷达干涉(interferometry synthetic aperture Radar, InSAR)技术失相干和多云多雾多雨高湿的气候易造成严重的InSAR大气延迟“噪声”的问题,以珠三角东南部的深圳市龙岗区为研究区,采用干涉相干性最优原则生成小基线集技术(small baseline subset InSAR,SBAS InSAR)干涉像对连接图,使用35景Sentinel-1A影像获取了2019年9月—2020年11月龙岗区的地表形变信息,而后与永久散射体InSAR技术(persistent scatterer InSAR,PS InSAR)反演结果进行对比,最后分析、推断了地表形变成因。结果表明: ①SBAS InSAR和PS InSAR反演的地表形变场基本一致,SBAS InSAR在大形变量区域的相干点密度远大于PS InSAR,说明干涉相干性最优原则的SBAS InSAR反演结果准确、可靠,反演完整形变场更具优势; ②龙岗区及周边的地表形变成因主要有持续强降雨触发的岩溶塌陷或斜坡失稳,工业采排水导致的地下水文地质环境变化,地下施工引发的采空沉降,新建高层建筑施加的地基静荷载等。研究技术路线可为珠三角地区地质灾害隐患InSAR早期识别的自动化、工程化应用提供借鉴。
为研究高分遥感技术在洞庭湖区河湖采砂监管中的应用,基于近20 a来航天航空高分遥感影像,采取人机交互解译与实地调查验证相结合的方法,总结河湖砂石开采的地表要素类型与涵义,建立河湖采砂遥感解译标志,剖析具有代表性的典型案例。研究表明: 河湖砂石开采遥感解译标志不同于前人总结的陆域矿山开采的解译标志,其采矿设备为采砂船,“挖洲”开采面致使水涯线呈锯齿状,运矿设备为运砂船,中转场地有堆沙场和砂石码头,采场附近出现水体浑浊、洲滩萎缩等地表覆盖变化。通过华龙堆砂场的变迁、城陵矶砂石码头治理和东洞庭湖飘尾洲非法采砂等3个典型案例分析,表明高分遥感技术可为河湖砂石监管提供技术支持。
我国西南地区是地质灾害高发区,在矿产资源开发过程中极易引发地质灾害和相关次生灾害。为研究采煤塌陷区遥感动态监测技术,以贵州省六盘水市煤矿开采集中区为研究区,利用高空间分辨率遥感影像,通过建立黔西南山原地区采煤塌陷遥感地质解译标志,对六盘水地区2009—2018年地质灾害情况进行了动态监测,并分析了研究区的地质灾害现状。根据遥感解译成果,发现该地区地质灾害情况多年来明显加剧,相较于2009年,2018年地质灾害面积扩大167%,且新增地质灾害区域面积占40%、变差区域面积增加34%。根据研究区地质灾害程度划分出4个地质灾害集中区,发现地质灾害集中区和该地区采矿密集区域高度重合。根据遥感数据剖析了矿山地质灾害损毁地类类型,判断研究区矿山地质灾害可能对广大人民和生态环境产生的危害情况,其中对土地严重损毁的灾害类型中,毁损面积最大的为林地和耕地(共193处),面积总计约为333.55 hm2。研究区内共有潜在隐患威胁区域360处,面积为506.36 hm2,其中对道路威胁数量最多(共有126处),面积为110.04 hm2。研究结果可为当地生态环境修复和矿山地质灾害治理提供可靠参考数据和重要研究思路,并针对研究区的特点,深入分析该地区矿山地质灾害成因,探讨治理方案,提出对策建议。
