为了摸清国内外商用遥感卫星的差异,评估国产民用卫星在数据提供、信息获取和应用效果等方面的能力,对国内外遥感卫星进行了较为全面的调查与统计,采用卫星类型指数、波段覆盖指数及分辨率指数等定量化指标对其各项能力进行全面客观地量化分析与对比。研究结果表明:国产民用卫星的发射种类和波段覆盖范围较为齐全,但卫星数量偏少,波谱覆盖密度不及国外卫星;国产民用卫星获取超高空间分辨率影像的能力与国外星差距较大,缺少分米(dm)级分辨率的遥感卫星;在卫星应用方面,应用国外卫星数据进行研究的"中国知网"文献数量是应用国产卫星文献数量的5倍,且在每一研究领域中,单颗国产民用卫星的应用率与国外卫星相比均较低;国产民用卫星在某些方面(如独有波段)已经超过了国外卫星。因此认为,国产民用卫星具有较高的应用潜能,可以在未来发挥更强大的作用。
月表主要矿物含量的定量反演是月球科学领域的重要课题之一,对未来月表矿物信息解译有重要指导意义,因此提出一种对月表高光谱遥感数据线性分解获取矿物含量的方法。首先,利用Hapke辐射传输模型将Relab光谱库中的5种矿物(单斜辉石、斜方辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿)非线性混合的反射光谱转换为线性混合的单次反照率;然后,按照比例随机生成混合像元;最后基于全约束线性光谱分解方法建立上述5种矿物分解含量与真实含量的统计关系模型。利用Apollo登陆采样点实测数据对该模型进行验证的结果表明,辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿的反演结果与实测结果的相关系数分别为0.83,0.86,0.72和0.77。采用上述方法,利用印度探月卫星Chandrayaan-1搭载的月球矿物制图仪(moon mineralogy mapper,M3)高光谱数据得到月表虹湾地区矿物的含量分布图,表明利用全约束线性分解对高光谱矿物识别和含量反演是一种行之有效的方法。
为了对甘肃省金昌市金川铜镍矿床外围地区进行遥感找矿预测,首先根据ASTER数据不同波段的特性分别提取岩性信息和蚀变信息,对热红外(TIR)波段,在采用波段比值法定量提取二氧化硅含量的基础上,利用波段比值计算的岩性指数(lithological index,LI)定量提取基性-超基性岩信息;对可见光-近红外(VNIR)及短波红外(SWIR)波段,运用主成分分析法定性提取高岭土-绢云母化、绿泥石化和蛇纹石化等矿化蚀变信息;然后在ArcGIS平台上,对所提取的矿化蚀变信息进行量化定级和叠加处理,制作综合矿化蚀变异常信息图(其反映的异常范围和强度与已知矿区十分一致);最后利用综合矿化蚀变异常信息,对金川铜镍矿床外围地区进行找矿预测,共圈定出3个找矿预测区,可为寻找同类型的矿床提供参考。
为实现对土地覆盖变化的遥感监测,研究了一种基于不同年份单时相遥感数据提取差异影像、自动确定变化阈值提取变化区域的新方法。以南通市Landsat8 OLI影像为例,对2期影像分别进行主成分分析(principal component analysis, PCA);取前3个主分量进行变化向量分析(change vector analysis, CVA),构造变化检测差异影像,并与传统PCA法和CVA法构造的差异影像进行对比;对3景差异影像分别用传统全局阈值法和局部最小错分概率法自动确定阈值,分别提取变化区域,得到6景变化区域图。利用目视解译样点进行精度评价的结果表明,改进后的基于PCA的CVA法提取的变化区域总体精度可达92.78%,Kappa系数可达0.8426,证明使用该方法可有效地进行不同年份单时相遥感数据的变化检测。
通过调控成像积分时间改变曝光量,会在改变图像DN值和图像质量的同时,给地面参数定量反演带来很大的不确定性。以环境星(HJ-1)CCD数据为参照标准,以积雪为研究对象,系统分析了北京一号小卫星(BJ-1)多曝光量数据的积雪图像质量及其光谱特征变化规律;在模拟BJ-1多曝光量数据的基础上,提出了面向多曝光量数据的积雪提取方法,并评估了不同算法的积雪面积提取精度。结果表明,BJ-1 CCD数据的积雪图像质量随曝光量增加有所改善,但过分曝光也会导致图像质量下降;阴影区积雪的光谱差特征随曝光量的增加而增强,向阳面积雪的光谱差特征因"饱和"而大大削弱。基于BJ-1模拟数据,提出了面向多时相、多曝光量数据的归一化积雪提取模型,该模型的分类成功指数(classification success index,CSI)达到89.95%,优于单一曝光量的82.25%和传统监督分类的75.95%的提取精度,为研发更具目标针对性的智能传感器和高精度地表参数遥感反演算法提供了有益的借鉴。
针对GF-1影像缺少短波红外波段的问题,根据建筑用地信息在缨帽变换(Kauth-Thomas transformation,KT)前2个分量具有高对比度的特征,提出了一种比值建筑用地指数(ratio build-up index,RBI)。在不同的时空条件下,利用该指数分别提取了湖北省钟祥市和襄阳市樊城区的建筑用地信息,并将其结果与常规分类器和建筑用地指数等方法提取的结果进行了比较。结果表明,RBI方法提取的建筑用地信息总精度和Kappa系数均较高,且对裸地信息具有较好的抑制能力。
基于天绘一号(TH-1,或称MS-1)卫星多光谱数据,采用随机森林分类方法(random forests classification,RFC)对位于中亚干旱区的我国新疆维吾尔族自治区阿勒泰地区北屯市及周边区域的土地覆盖进行了分类研究。针对北屯市不透水层与裸土混杂的情况,将纹理特征与植被信息构建最优组合,建立有效的RFC分类器,提高对易混淆土地覆盖类型的分类识别精度。结果表明,采用RFC的分类精度高于最大似然法分类结果,总体分类精度提高了近10%。经过优化选择的特征组合在对干旱区中小城市土地覆盖进行分类时表现良好,能得到较高精度的分类结果,可满足新疆中小城市发展规划对土地覆盖信息的需求。
地表覆盖类别数据尺度上推方法中仍以众数选择或比例占优为原则,但这2种原则都存在一定的缺陷,比如在多个众数的情况下随机选取会使地图信息很大程度上失真。为了更好地保持尺度综合前后地物类别空间信息,将地表覆盖类别优先准则和语义邻近规则引入到尺度上推方法中,在众数聚合规则上考虑类别优先级和语义邻近度,建立一种新的地表覆盖类别数据升尺度方法。该方法通过设定类别优先级和语义邻近度,计算得到粗尺度上对应空间位置的类别,从而完成地表覆盖类别数据的尺度综合。实验结果表明,在众数聚合方法基础上,加入类别优先级和语义邻近度,能够较好地保持尺度综合前后地物空间分布的一致性,地图相似度也相对较高。
建筑物的变化信息对地图更新和相关地理要素的统计至关重要。首先,通过LiDAR数据提取建筑物信息,应用alpha-shapes算法得到建筑物的边缘信息;然后,将该信息和GIS地图矢量数据对比,应用多级变化检测策略进行自动检测,得出变化的建筑物并精确到建筑物变化的细部特征。该方法不仅能实现建筑物的定性变化检测,而且能对变化信息进行定量统计,检测结果的准确率达到95%。与以往单纯利用影像数据的方法相比,该方法自动化程度和效率均较高,且处理流程简捷。
道路交叉口是道路网络(简称路网)的重要组成元素,获取道路交叉口对提取路网信息、影像匹配和车辆导航等有重要作用。然而,基于遥感图像对道路交叉口自动提取的研究尚不多。针对高分辨率遥感图像中道路交叉口的特点,提出一种自动识别道路交叉口的方法。在图像预处理的基础上,首先对图像进行多尺度圆形均匀区检测,使用梯度变换和形态学变换提取可能存在道路交叉口的候选区;然后对候选区进行特征提取和进一步筛选,得到候选道路交叉口的位置中心;最后提取位置中心的角度纹理信息,通过波谷检测判断其连接属性,识别出道路交叉口。结果表明,该方法能有效提取出城市地区的道路交叉口,对于较复杂地区的道路交叉口提取也有一定的效果。
土壤水分对于全球水循环十分重要,大面积、快速获取土壤水分信息具有重要意义。微波遥感数据可以用于反演土壤水分。以Matlab为平台建立BP神经网络,通过改进BP神经网络的权值、阈值和网络结构,对该算法进行了优化;在研究区范围,分别利用积分方程模型(integral equation model,IEM)、Oh模型、Shi模型生成模拟数据,训练改进的BP神经网络,构建裸露地表土壤水分反演模型,并用野外实测土壤水分数据对模型进行了验证。结果表明,改进后的BP神经网络算法反演精度明显提高,且Shi模型训练网络反演精度较其他2种模型更高,绝对误差为2.47 g/cm3,相对误差仅为7.78%。
植被信息在农业监测、生态环境保护等方面具有重要作用。利用无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)获取的高分辨率图像识别植被信息具有成本低廉、方式灵活等优势。目前UAV遥感使用的可见光图像主要依靠各种颜色指数提取植被。以山东省微山县为研究区,选用NGRDI,ExG,ExG-ExR和GLI等4种基于RGB色域的颜色指数,对覆盖研究区的UAV图像进行灰度化处理,用最大类间方差自动阈值检测方法将植被区域与非植被区域识别出来,并分析各种颜色指数的适用性及影响因素。研究结果表明:4种颜色指数均能快速准确地识别植被覆盖区域,识别精度在90%以上。其中ExG-ExR指数优于其他指数,识别精度最高,识别效果较稳定; ExG与GLI指数的识别精度在研究区9景图像中变化不大,相对稳定,也可作为有效的植被识别方法。4种颜色指数对植被与背景的RGB特征差别较大图像的植被识别精度均较高。植被识别精度与研究区图像中冬小麦所占比例成正比,与阔叶林、建筑物/道路所占比例成反比。
在充分考虑无人机倾斜影像特点的前提下,提出了一套基于POS的无人机倾斜影像匹配策略。在现有匹配方法的基础上,以全球SRTM(shuttle Radar topography mission)数据为辅助,实现了影像重叠区域预测,建立了影像间近似核线关系,剔除了匹配中的粗差点。为了解决SIFT(scale invariant feature transform)特征匹配算法计算量大,耗时长的问题,采用基于GPU(graphic processing unit)的SIFT方法,提高了SIFT的匹配效率。另外,考虑到无人机原始POS数据精度不高,因此在匹配策略中加入了逐步精化POS数据的思想。通过对多幅倾斜影像的匹配试验表明:该方法能够提供足够数量、分布均匀且点位正确的同名点。
随着无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)平台技术的发展,越来越多的应用行业和研究领域开始使用UAV影像数据。不同于现有的摄影测量结合像控点的UAV影像匹配方法,提出一种新的UAV影像匹配方法。该方法采用彩色尺度不变特征转换(color scale-invariant feature transform,CSIFT)算法,利用彩色信息的空间不变特性提取基准影像与待匹配影像的特征匹配点对;并采用单应性矩阵与随机抽样一致性(random sample consensus,RANSAC)算法对匹配结果进行提纯,得到最终匹配结果。仿真实验表明,该方法可在保证实验过程鲁棒性的同时,与传统的尺度不变特征转换(color scale-invariant feature transform,SIFT)方法相比,将匹配准确率从70%提高到了88%,而且大大减少了特征点对的数量,缩短了处理时间,提高了UAV影像匹配效率。
利用1971年和1981年2版次地形图数据以及1981年、1990年、2001年和2011年4期遥感影像数据对近40 a来椒江-台州湾的滩涂围垦土地利用变化进行了调查。依据上述资料,利用GIS空间分析功能,获得了5期滩涂围垦土地利用现状及各期次之间的滩涂围垦土地利用变化转移矩阵。调查结果表明,近40 a来,椒江-台州湾滩涂围垦总体上呈增加趋势,土地利用变化的类型逐渐增多。1971-1990年间滩涂围垦土地利用类型多为耕地、养殖场和围垦用地; 1990年以后,滩涂处于围垦开发利用热潮,光滩及围垦用地等多向耕地、居住用地、港口码头及养殖场等类型转化,而原本耕地及养殖场用地则多转化为居住用地。2001-2011年间,有80.77%的滩涂转化为围垦用地,光滩面积减少程度大,椒江-台州湾滩涂围垦扩张速度达到各时期最大值。
为了加强高精度遥感图像数据在新疆西昆仑等自然地理条件极其恶劣的高海拔、艰险地区数字填图中的应用,提高填图的精度及质量,以麻扎构造混杂岩带填图为例,运用遥感图像预处理(大气校正、几何纠正、影像镶嵌、影像融合、影像裁剪、正射纠正等)、遥感图像增强处理(比值法、主成分分析法等)和地质信息综合分析等方法提取岩石、地层、构造等地质信息,并指导区域地质调查野外工作的开展;总结了SPOT5高精度图像数据在数字填图中的应用方法和效果,认为遥感技术在区域地质调查中起着事半功倍的作用。利用高精度遥感图像数据不仅提高了地质体(特别是构造混杂岩块)边界范围的勾绘精度,对部分非正式填图单位的勾绘也取得一定的成效。
为了研究采矿沉陷危害,选择山东省济宁市东部煤矿矿集区为研究区,采用多期光学遥感数据与历史资料相结合的方法,辅以必要的现场调查和走访,进行采矿沉陷调查与危害性研究。结果表明:1研究区内采矿沉陷危害严重,截止到2013年,至少破坏了25.095 km2的土地,并造成24个村庄被迫搬迁; 2总体来说,研究区内采矿沉陷灾害发展迅速,从2009-2013年,采矿沉陷积水面积共增加4.747 km2,2013年相对于2009年的增长率为23.33%; 3就单个采矿沉陷来说,开始阶段来势猛、发展快、危害大;但快速发展之后,扩展的速度将逐步变缓,并逐渐过渡到自然平衡; 4光学遥感技术完全可以用于采矿沉陷调查和危害性研究,并且其宏观、廉价等特点较好地弥补了地面调查的不足。
热带降雨测量卫星(tropical rainfall measuring mission,TRMM)的降雨数据覆盖范围广,时间分辨率高,是区域干旱监测的一种有效数据源。将0.25°空间分辨率的TRMM 3B43数据降尺度处理成0.05°空间分辨率数据,用以构建降水量距平百分率(Pa指数)和Z指数,对黄淮海地区2010年冬季到2011年春季的干旱时空演化特征进行监测与分析,并计算同期的标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)对监测结果进行验证。研究结果表明,降尺度数据具有较高的可靠性,与实测数据的拟合结果R2>0.76; Pa指数突出降水盈亏程度,能够有效监测区域尺度干旱,但缺乏空间分布规律; Z指数以Person-Ⅲ型分布拟合降水量,能够很好地监测干旱的时空演化特征,但干旱等级划分相对困难;利用Pa指数对Z指数干旱等级划分进行修正,其结果与SPI相关程度R2>0.75,表明Pa和Z指数用于干旱监测的有效性,为区域尺度干旱监测提供了一种切实可行的方法。
农村居民地遥感信息获取对于监测农村居民地时空变化、服务"三农"和国土资源管理具有重要意义。以RapidEye卫星影像数据为数据源,江西省泰和县为研究区,利用最大似然法进行居民地等土地覆盖类别的分类提取与精度评价及分析。结果表明:分类总体精度达到84.33%,其中农村居民地的制图精度和用户精度分别为76.01%和82.28%,与第二次全国土地调查中的居民地数据对比,其一致性达到71.0%。结合实地验证,对本分类精度的误差原因进行分析。本研究表明利用5 m分辨率的RapidEye影像进行县级农村居民地监测是可行的,可为后续同类研究提供技术参考。
作为一种新型的主动式对地观测手段,机载激光雷达(light detection and ranging,LiDAR)技术可获取高精度的地表三维数据,精细刻画真实的地貌特征,为地质领域中的地貌分析提供直接观测数据。围绕机载激光雷达技术的优势,结合其在地表塌陷、滑坡和断裂构造信息探测3个方面的应用示例,论述了机载LiDAR技术在地质调查领域中的实际应用情况。分析表明:机载LiDAR技术可在大尺度区域微地貌形态调查中发挥优势,能有效识别植被覆盖区的地表塌陷、滑坡边界和细微错断地貌,而且有利于进行地表塌陷填方量计算、滑坡稳定性评价、地貌参数和裂隙的几何定量信息提取等,在地质调查领域中具有广阔的应用前景。
基于遥感和地理信息系统技术,利用MODIS全球地表反射数据,结合浮游藻类指数(floating algae index,FAI)方法,以山东省日照市近海为研究对象,进行浒苔信息识别与提取,分析2012年和2013年浒苔的时空分布特征与发展趋势,并结合海水表面温度(sea surface temperature,SST)和热带测雨卫星(tropical rainfall measuring mission satellite,TRMM)提供的逐月降水资料,揭示气象因子与浒苔之间的关联机制,为控制和治理浒苔提供信息支持。结果表明:运用FAI指数方法能够较好地反演出日照市近海2012年及2013年5-7月海面浒苔分布面积及时空特征;提取的浒苔信息表明,2013年浒苔强度与面积总体上均大于2012年;海水表面温度与月降水量对浒苔的生长爆发有重要影响,浒苔在20℃~21℃之间最易繁殖,降水量的增加为浒苔生长提供了更加有利的条件,2013年5-7月的水文气象条件相对2012年更加有利于浒苔的生长。
突发冰川终碛湖(简称"冰湖")溃决泥石流/洪水是西藏高山冰湖分布区的一种山地灾害,极易给下游地区的居民及公路、桥梁、水利水电等基础设施带来毁灭性灾害。多年来,对冰湖溃决泥石流/洪水的研究受到了高度重视;但高山高寒和艰险的地形及交通条件,给冰湖溃决泥石流灾害的实地调查带来不便,大部分冰湖溃决缺乏实时的文献记载资料,而灾后访问资料经常会与实际情况有出入。遥感图像可真实记录冰湖溃决泥石流的形态、位置和发生时间等相关痕迹。因此,利用高空间分辨率RapidEye和多时相Landsat MSS,TM图像,对吕儒仁、程尊兰等学者报导的"1982年发生在定结县的冰湖溃决泥石流事件"进行了验证。通过对覆盖金错和印达普错的高分辨率遥感图像解译和灾害发生前后的遥感动态变化分析,认为有关文献记载的"金错冰湖溃决泥石流事件"实际上是印达普错溃决泥石流事件。野外调查发现金错的终碛垄较为完整,其下游部位没有发现大型U型溃口和冲沟,终碛垄下游也未见新泥石流堆积体。研究结果表明,对高分辨率、多时相遥感图像的解译能够有效地提高艰险地区地质灾害调查的准确性。
抚仙湖是我国水质较好的大型淡水湖泊之一,其总体水质为Ⅰ类。近年来由于流域内开发强度增加,水体水质呈现下降的趋势。为探究流域土地利用变化可能对湖泊水质产生的影响,利用1992-2010年的Landsat TM和ETM+数据,结合GIS技术和统计学方法,分析了流域内土地利用及景观格局变化与湖泊水质的响应关系。研究结果显示:抚仙湖水体面积缩小,流域内林地和耕地面积总体呈减小趋势,与水质污染指数变化呈显著负相关;交通运输用地和建设用地增长迅速,与水质污染指数响应呈显著正相关;景观斑块数目、形状指数等景观格局指数增加,流域景观格局破碎化加重,与水质污染指数变化呈显著正相关;土地利用及景观格局指数可以作为研究抚仙湖水质变化的重要指标。
传统光学及雷达遥感技术在地震灾害损失评估中无法获取建筑物立面破坏信息,对结构已遭破坏,但顶面基本完好的建筑物识别能力较差。三维激光扫描技术(terrestrial laser scanning,TLS)可以获取建筑物结构破坏状况的高精度三维信息。利用2013年10月23日RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪采集到的汶川地震震后彭州市白鹿中学的精细点云数据,通过不规则三角网建模和纹理贴图等处理进行三维建模分析,在此基础上对建筑物的典型破坏特征及地表破裂情况进行了详细建模研究,真实再现了白鹿中学破坏场景,实现了震害信息的永久保存。研究结果表明:位于断层上盘的勤学楼整体无明显破损;位于下盘的求知楼损毁相对严重,普遍出现"X"形的共轭剪切裂缝、构造柱断裂及露筋等现象;地震陡坎沉降量不大,高程剖面显示现今该陡坎最低高度为205 cm,最高为231 cm,与GPS测量结果大致吻合。
围填海是一把双刃剑,一方面可以缓解土地资源紧缺的问题,另一方面也会给沿海生态环境带来负面影响。如何合理地监测和管理围填海,以便政府掌控和决策分析,首先迫切需要制定围填海的分类体系。围填海是一个海域向陆地转变的中间态过程,将海域使用分类体系和土地利用现状分类体系相衔接,基于年度提取的多源高分辨率遥感影像围填海图斑的可解译程度、围填海的定义、用途属性和形成机理等因素,制定了应用于围填海年度遥感监测的分类体系。此外,根据该分类体系,建立了基于多源高分辨率遥感影像的围填海遥感监测解译标志。
为了研究洞庭湖的演化变迁规律,利用不同历史时期的洞庭湖水域分布图及近几十年的遥感图像及地形图资料,采用GIS图形图像处理和人机交互式解译信息提取方法,获得了近3000 a以来22个时期的洞庭湖水域面积变化信息。根据数据分布规律,运用数理统计分析方法建立了洞庭湖演化变迁遥感监测数学模型,并对洞庭湖未来发展变化趋势及其对洞庭湖区未来生态环境的影响进行了分析预测。研究结果表明,按照该数学模型计算,再过250 a洞庭湖将消亡。
为了给地质灾害调查中无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)遥感影像处理软件的选择提供参考,对国内外使用较多的DPGrid,PixelGrid,DPMatrix和Inpho等4款软件进行了评价。以固定翼无人机搭载的Cannon 5D MARK Ⅱ相机获取的江西省龙南县丘陵地区1个架次644张无人机影像作为实验数据,由同一操作者在同一实验环境下分别使用上述4款软件进行了影像预处理、空三平差、数字高程模型(digital elevation model,DEM)生产及数字正射影像图(digital orthophoto map,DOM)生产等实验,从软件功能、效率、成果质量及操作流程等方面进行了对比分析。研究结果表明:4款软件都具有完整的无人机遥感影像处理功能。在利用原始数据生成正射影像的处理效率方面,从高到低依次是Inpho,DPMatrix,DPGrid和PixelGrid;在地质灾害应急调查方面,比较适宜使用DPGrid和DPMatrix进行快速拼图,而对于地质灾害详查,4款软件都能满足需要,其中DPGrid和PixelGrid更方便进行精度控制;在数据处理方面,影像匀光匀色适宜使用Inpho和DPGrid,DEM和DOM成果编辑适宜使用DPGrid。
为解决高分辨率遥感应用中的断层在线解译及产状测量问题,利用主流网络地图服务提供的高分辨率卫星遥感影像及应用程序接口,开发断层在线解译及产状测量平台。通过该平台在线分析地质构造、解译断层,提取断裂地理信息;数据以可扩展标识语言(extensible markup language,XML)格式存储,可转换为主流GIS软件数据格式;对已有断裂的GIS数据通过格式转换进行查看、校准;使用Google Earth Plug-in嵌入三维地图服务,结合数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据同步采用多点法解算断层产状要素,以提高精度。结果表明:基于网络地图服务的断层在线解译和产状测量方法,发挥了高分辨率遥感影像在断裂构造解译中的优势,同时突破了遥感影像和DEM数据源的限制,可快速、准确地提取断裂构造地理信息和产状要素;平台矢量化数据具有可共享性,程序具有可移植性。
为了实现对地质图中地层时空拓扑关系的计算机自动检查,以湖北省宜昌市地质建造构造图为例,应用地层学知识剖析了研究区地层的时空特性,建立了地层时空拓扑关系检查规则集,采用VC++语言对MapGIS6.7进行二次开发,实现了地层时空拓扑关系的计算机自动检查功能,并将该功能模块嵌入到"全国矿产资源潜力评价项目"数据模型使用软件GEOMAG中,对地质建造构造图进行了空间数据库质量检查。结果表明,应用该模块可以准确地判定地质图中地层的时空拓扑关系,有效地提高了地质图件空间数据库的质量。
