基于6S模型的GF-1卫星影像大气校正及效果

高分一号(GF-1)卫星是中国高分系列卫星的首发星,自2013年4月成功发射以来,在中国农业遥感业务工作中得到了广泛应用,已成为中国大宗农作物种植面积遥感监测的主要数据源。该文基于6S(second simulation of a satellite signal in the solar spectrum)辐射传输模型原理,设计并实现了适合于GF-1卫星数据大气校正算法与程序。算法以GF-1卫星1级数据、元数据及传感器公开参数为输入数据,不需要其他外源辅助数据,经过辐射定标,计算各波段平均太阳辐射值、表观反射率,通过选择大气模式,驱动6S模型获取表观反射率转换为地表反射率的参数,逐像元计算影像地表反射率。在算法研制的基础上,应用Fortran和IDL语言编写了大气校正批处理程序,实现了大气校正过程的批处理。该文采用2014年4月3日、6月28日、11月2日,以及2015年1月19日4个时相北京地区GF1卫星WFV(wide field view)数据,分别代表春夏秋冬4个季节,通过与ENVI软件的FLAASH(fast line-of-sight atmospheric analysis of spectral hypercubes)大气校正结果对比进行评估。2种方法 4个时相各波段全年相对偏差为3.26%,蓝光波段偏差最大为11.21%,其次是红、近红和绿光波段,分别为1.19%、0.73%和0.24%。作物覆盖区平均相对误差为12.99%,冬季最高为17.40%,秋季和春季分别为15.02%和14.15%,夏季相对差异最小为8.31%。各波段地表反射率的整体校正情况并未有太大差异,但6S校正后各波段反射率普遍比FLAASH校正结果略微偏高。2种校正结果计算的NDVI也基本一致,相对偏差0.64%;除水体外,绝对值差值的平均值均在0.0548以内。从计算效率来分析,6S模块实现了商用软件FLAASH模块中未提供的批量计算,在相同硬件环境下计算效率提高了75.0%以上。研究结果表明了该文开发的大气校正程序能够稳定批量处理GF-1卫星数据,可以作为农业遥感监测业务流程的组成部分。     

水体强反光环境中无人机多光谱影像的辐射一致性校正

为了提高水体强反光干扰的遥感影像信息提取准确度,该研究以柑橘树冠营养元素水平检测而采集的无人机多光谱影像为对象,对水体强反光造成的相同地物在不同影像上辐射信息不一致现象进行校正,从而提高营养元素水平检测的精度。首先对影像进行暗角校正,然后利用直方图对比度拉伸辅助SIFT（Scale invariant feature transform,SIFT）算法匹配出同名点,根据同名点的DN（Digital number,DN）值,利用RANSAC（Random sample consensus,RANSAC）构建校正模型对影像做相对辐射校正,并进行双边滤波去除噪声,最后经过辐射定标将影像DN值转化为反射率完成辐射一致性校正。为验证校正精度,选择蓝、绿、红、红边和近红外波段反射率以及GNDVI（Green normalized difference vegetation Index,GNDVI）的平均绝对误差（Mean absolute error,MAE）作为评价指标。试验结果表明,和直方图匹配相比,采用本文方法蓝、绿、红、红边和近红外波段校正后反射率的MAE分别为0.2%、0.5%、0.6%、1.7%和1.2%,GNDVI的MAE为0.3%,有效解决了水体反光造成的光谱失真问题,提高了受水体反光影响的遥感图像利用率,可为后续柑橘树冠营养元素估测提供精确的遥感数据保障。     

基于波段比模型的地形调节植被指数组合算法构建与验证

为消除山区植被遥感监测中的地形影响,该文根据山区主要地物波谱曲线特征和波段比模型等基本原理,构建地形调节植被指数(topography-adjusted vegetation index,TAVI)组合算法。首先,提出TAVI研究思路。其次,利用山区Landsat8多光谱遥感影像分析山区主要地物波谱曲线特征,阐释TAVI光谱原理。接着,用红光波段数据构建新的阴影植被指数(shady vegetation index,SVI),并优选比值植被指数(ratio vegetation index,RVI)与SVI形成TAVI组合算法,再结合地形调节因子"极值优化"算法计算TAVI结果。最后,采用目视比较、统计分析和差值分析证明TAVI组合算法达到经大气加地形校正后遥感影像计算的NDVI的削减地形影响的效果,其与太阳入射角余弦值一元线性回归方程斜率降至0.035,相关系数降至0.075。TAVI组合算法可应用于山区植被信息和有关参数的遥感监测与估算。     

ENVI FLAASH和ERDAS ATCOR2的大气校正对比研究

研究分别用ENVI FLAASH模块和ERDAS ATCOR2模块对LANDSAT5-TM图像进行大气校正,进而对校正效果进行评价。结果表明,ENVI FLAASH和ERDAS ATCOR2均能很好地消除大部分大气的影响,满足试验要求。但从精度方面考虑,ENVI FLAASH要略胜于ERDAS ATCOR2。     

6S辐射校正与像元分解结合提高苹果树花期冠层反射率反演精度

为了获取近似真实的苹果树冠层反射率,该文以山东省栖霞市为研究区,应用DEM数据和6S辐射传输模型,对苹果树花期TM影像进行辐射校正、混合像元分解,获取26个果园苹果树冠层反演反射率,将反演结果与相同时段地面实测冠层反射率以及表观反射率、表观—像元分解反射率进行比较,分析了反演效果及精度。结果表明,地表反演反射率有效减弱了地形和大气的影响,恢复了阴影处的地物,影像清晰度明显提高;苹果树冠层反演反射率样本平均值误差较表观、表观—像元分解、地表反演3类反射率小,与实测值的相关系数提高,而且样本间变化趋势与实测值基本一致。此反演方法具有一定可行性,对于苹果树冠层反射率和苹果园管理基础数据获取与应用具有积极意义,也可为其他农业遥感反演研究及应用提供借鉴。     

基于Landsat TM图像棉花面积提取中线状地物的扣除方法研究

在新疆棉花遥感监测中，发现各种线状地物对TM影像图中的棉花面积提取精度产生影响，直接对图像进行处理和分类这种影响难以消除。经实际调查，新疆某一农场的各种线状地物占到总耕地面积的12．8％。为提高作物面积提取精度，完善农业部全国棉花遥感监测运行系统，进行了线状地物扣除方法的试验研究。阐述了试验研究方法的理论依据、技术路线与实施过程。并经验证可消除绝大部分线状地物对作物面积提取精度产生的影响。     

改进CGAN网络的光学遥感图像云去除方法

农业生产中使用的光学遥感图像在采集过程中时常受到云层的影响,导致获取到的图像清晰度低,影响地物信息的判读和后续的使用。针对这一问题,提出一种基于改进条件生成对抗网络(ConditionalGenerativeAdversarial Net-work,CGAN)的光学遥感图像去云方法。首先,在原始CGAN的生成器中引入空间池化层,通过增加网络的多尺度特征学习能力以提高生成图像的细节信息;其次,在改进CGAN网络中加入回归损失使生成图像与真实图像更加接近,进一步提高生成效果。在光学遥感图像数据集上的试验结果表明:相比原始CGAN,改进CGAN生成的无云光学遥感图像更接近真实无云光学遥感图像,与原始CGAN相比,改进CGAN在薄云和厚云光学遥感图像上的峰值信噪比(Peak Signal-to-NoiseRatio,PSNR)分别提升了1.64和1.05dB,结构相似性(StructuralSIMilarity,SSIM)分别提升了0.03和0.04。同时,相较于传统的去云方法和深度学习的Pix2Pix方法,该方法在光学遥感图像去云和保真上均取得了更好的效果。研究结果证明了改进的CGAN方法实现光学遥感图像去云的可行性,可为农用光学遥感图像的处理提供方法借鉴。     

松辽平原盐碱土含盐量的遥感反演研究

通过对Aster遥感影像前9个波段的相关系数、标准差和诊断指数的分析,发现Aster遥感影像1,2,3波段的土壤反射率对土壤含盐量最为敏感.利用Aster遥感影像1,2,3波段作为自变量,盐碱土含盐量作为因变量进行逐步回归分析,建立土壤反射率数据与土壤含盐量数据之间的统计模型,利用决策树分类将地物分成5类,反演得到研究区盐碱土含盐量的空间分布图.研究发现,基于统计模型的遥感反演效果较好,具有一定的参考和应用价值.     

MODIS数据辅助的GF-1影像晴空光合有效辐射反演

面向农作物产量监测对中高分辨率遥感数据光合有效辐射(photosynthetically available radiation,PAR)反演的实际需求,该文选择山东省禹城市2014年1月至2014年12月共13景GF-1/WFV卫星影像作为数据源,基于中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)地表反射率产品作为辅助数据源,开发了适于业务运行的WFV数据气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)及PAR的反演算法。算法核心是采用6S(second simulation of satellite signal in the solar spectrum)大气辐射传输模型,建立包括AOD在内的大气参数与查找表(look-up table,LUT),结合大气顶层太阳入射辐照度及卫星入瞳处辐射亮度值反演地表反射率数据,通过与WFV蓝光波段地表反射率数据对比获取大气参数。通过反演的大气参数计算400~700 nm连续光谱区间的PAR值,并建立WFV数据离散红、绿、蓝光波段与连续光谱区间PAR的转换系数,实现WFV数据PAR的反演。其中,WFV蓝光波段反射率数据与MODIS地表反射率数据关系、离散到连续谱段PAR的关系可以从美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)提供的典型地物波谱库数据理论计算获取。利用中国生态系统研究网络(chinese ecosystem research network,CERN)禹城站地面观测值进行验证结果表明,该文提出的算法总体精度达到92.63%,平均绝对误差为14.56 W/m~2,平均相对误差7.37%,具有业务应用的潜力。     

棉花生长初期灌溉信息遥感提取与校正

为提高生长初期低覆盖度作物长势的遥感监测精度,需要消除灌溉引起的土壤水分背景变化对归一化差值植被指数(NDVI)的影响。为了实现棉花生长初期灌溉信息提取与校正,提高棉花作物长势监测与产量预判精度,本文以美国加利福尼亚州San Joaquin Valley的2个棉花地块为研究区,选取棉花生长初期灌溉过程中的遥感影像,构建两种灌溉信息提取方法(分阶段阈值法和灌溉线提取法),确定最优灌溉像元提取方法;比较分析灌溉与未灌溉情况下棉花的NDVI与归一化差值水分指数(NDWI)以及土壤调节植被指数的关系,提取含有灌溉信息的像元,并对NDVI进行校正,消除灌溉对NDVI的影响。研究结果表明:在棉花生长初期,灌溉与未灌溉像元NDVI变化率达12%,差异较显著;灌溉与否的棉花NDVI与NDWI间均存在极显著的线性关系,决定系数在0.80以上;利用灌溉线方法提取灌溉信息与分阶段阈值相比精度更高,精度达88%以上;校正后线性回归模型精度达0.95,灌溉校正效果明显,灌溉与未灌溉像元的NDVI差异减小至2%。本研究通过对含有灌溉信息像元NDVI值的校正,去除灌溉对NDVI造成的影响,反映了真实的植被信息,可实现对作物生长初期长势的准确遥感监测,为遥感定量监测提供便利。     

HJ-1A高光谱影像的表层土壤游离氧化铁含量反演

实时监测土壤游离氧化铁含量对于获取区域土壤理化特征数据、监测区域土壤环境具有重要意义。该试验基于HJ-1A 高光谱遥感影像，结合研究区土壤采样的游离氧化铁含量化验数据，分析遥感影像的反射率与土壤游离氧化铁含量的相关性，建立土壤游离氧化铁含量的多元线性反演模型，反演研究区表层土壤游离氧化铁含量。研究结果表明，HJ-1A高光谱遥感影像的反射率与研究区土壤游离氧化铁含量呈负相关性，且在第104波段达到峰值，相关系数为-0.455；利用反射率指数变换建立的反演模型Y=34.11-0.079X23+0.151X72-0.072X79-0.017X90，模型的决定系数为0.837，均方根误差为1.59 g/kg；土壤中有机质对游离氧化铁含量反演精度影响的检验结果显示，研究区土壤的有机质对游离氧化铁含量的反演精度无显著影响。该试验为土壤游离氧化铁的光谱分析提供借鉴，为区域土壤生态环境监测提供数据支持。     

基于波段权重的多尺度Retinex遥感图像渐晕校正方法

针对传统函数逼近法存在的校正质量不稳定、耗时长以及Retinex算法存在的光晕、泛灰和光谱数据失真的问题,该文提出了一种带光谱恢复的多尺度Retinex渐晕校正方法。通过对无人机遥感图像全局亮度的估计以及光谱恢复因子的引入,实现无人机遥感光谱图像的渐晕校正。利用该文方法对遥感图像进行处理,并与基于高斯曲面的函数逼近法和多尺度Retinex算法结果进行对比,依据灰度分布情况、标准差、平均梯度、清晰度、光谱相关系数以及光谱角指标进行评价分析。试验结果表明,该文提出的方法可以取得较好的渐晕校正效果,结果不存在光晕、泛灰现象,结果的平均梯度和清晰度均值分别为0.077 4和49.33,相较原始图像和函数逼近法以及多尺度Retinex算法处理结果,平均梯度分别提高了5.94%、5.56%和4.78%,清晰度分别提高了8.94%、6.79%和6.63%,该文方法校正图像的对比度和清晰度更优,方法具有较好的渐晕校正效果。     

基于HJ-1A/1B CCD数据的雹灾监测与评价

由于雹灾的突发性、灾后影响的显著空间异质性,雹灾监测与灾后评价的研究相对较少。以黑龙江甘南县典型雹灾为研究对象,利用HJ-1A/1B CCD等遥感影像与地面实测高光谱数据,进行雹灾遥感监测与评价研究。基于实测光谱数据分析了不同灾害程度农作物的反射光谱特征及植被指数变化;利用2个时相的遥感影像数据,结合地面调查,通过对植被指数分级进行雹灾监测与评价,并结合另一个时相的数据做了验证。结果表明：不同灾害程度作物的反射光谱特征差异显著;运用植被指数分级进行雹灾监测是可行的,基于归一化差分植被指数差值图分级得到的不同雹灾程度范围与实际情况相符,而基于比值植被指数差值图的分级结果则与实际结果差距较大;根据雹灾遥感分级结果分析了雹灾空间分布特征。研究结果可对雹灾监测与评价提供理论与技术支持。     

深度学习自编码结合混合蛙跳算法提取农田高光谱影像端元

针对农田高光谱遥感影像端元提取和混合像元分解精度不高的问题,该文提出了利用深度学习自编码结合混合蛙跳算法的农田高光谱影像端元提取方法。首先,利用深度学习的栈式自编码模型对高光谱影像进行光谱特征提取,优选出备选端元集合;然后将影像端元提取问题转化为组合优化问题,设计了待优化的目标函数,通过混合蛙跳算法对目标函数进行优化从而实现对最佳端元组合的搜索;最后利用人工合成的不同信噪比农田高光谱数据和真实的农田高光谱影像,将该算法与3种现有的主要端元提取方法进行对比。试验结果表明,本文提出的端元提取算法对20、30和40 dB信噪比影像提取结果的平均光谱角分别达到0.106 88、0.030 32、0.009 94。对20、30和40 dB信噪比影像和真实影像提取结果的均方根误差分别达到0.050 8、0.015 9、0.005 1、0.006 7。与现有的主要端元提取方法相比,该方法具有端元提取精度高、对不同等级噪声鲁棒性好等优势,在农田高光谱遥感监测中具有广阔的应用前景。     

基于高光谱的春玉米大斑病害遥感监测指数选择

玉米大斑病是春玉米主要病害之一,采用地面光谱观测的方式构建遥感监测指数,是实施区域遥感监测的基础,也是卫星传感器谱段设计的主要依据。该文在陕西省眉县设计了人工控制小区试验,针对高抗、抗、感和高感4个品种,通过人工接种不同浓度大斑病分生孢子的方法,获得了正常、轻微、中度以及严重等4个病害感染梯度小区,并在春玉米抽雄、吐丝、乳熟以及成熟4个生长期进行了地面高光谱观测。为了实现对春玉米大斑病的遥感监测,该项研究在春玉米冠层光谱数据基础上,分析了不同种植区不同生长期春玉米冠层光谱反射率和光谱一阶微分特征,并以此确定了大斑病敏感波段位置以及病害适宜监测期,同时根据敏感波段位置的光谱特征构建了专门的春玉米大斑病的遥感监测指数,最后结合180个光谱观测样本,对比了所提指数以及其他病害指数与病害严重度之间的相关性,并通过聚类分析了所建遥感指数的稳定性。研究结果表明,乳熟期的春玉米大斑病在红边波谱内的响应较为敏感,尤其红边核心区(725~740 nm)的光谱一阶微分与病害严重程度间存在明显地单调变化关系,具有非常显著的负相关性;同时,该文所提病害监测指数与病情指数具有较高的相关性,其相关系数达到了0.995 0,最后结果表明利用红边一阶微分指数的对病害程度的聚类总体精度达到100.0%,指数值分布稳定性也更高,具有在遥感监测业务中应用的潜力。     

倒伏水稻特征分析及其多光谱遥感提取方法研究

倒伏水稻的识别对灾后农业生产管理、灾害保险、补贴等工作有重要意义。为应用高分辨率遥感影像准确提取倒伏水稻面积,本文利用2019年9月27日获取的哨兵2号多光谱遥感影像,研究黑龙江省同江市倒伏水稻的光谱、纹理特征,并基于光谱与纹理特征建立倒伏水稻的遥感提取模型。研究结果表明水稻倒伏后可见光-近红外-短波红外等8个波段的反射率均升高,其中短波红外、红光和红边1等3个波段的反射率上升大于0.06。倒伏水稻的典型植被指数中,归一化植被指数、比值植被指数、增强植被指数和红边位置指数均降低,但差值植被指数升高。倒伏与正常水稻在红光、红边1和短波红外等3个波段的均值纹理数值差距明显,红光波段的纹理均值差异最大。利用归一化植被指数、地表水分指数、比值植被指数和差值植被指数以及红光波段的纹理均值构建决策树分类模型,监测结果表明农场内倒伏水稻分布较散,其西部和南部水稻受灾面积较大,北部受灾面积较小,中部偏北和东部基本未倒伏。将本文模型所提取的结果与实测面积对比,正常与倒伏水稻的面积识别误差分别为3.33%和2.23%。利用随机验证样本与模型验证结果进行混淆矩阵分析,倒伏水稻的用户精度和制图精度均为92.0%,Kappa系数为0.93。该方法能够适用于大区域倒伏水稻提取,可为高分辨率多光谱遥感数据调查水稻倒伏面积提供相关依据。