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“句芒号”激光光斑质心提取方法与稳定性分析

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光学学报 2024年第6期44卷 362-373页

作者：万科黎荆梅韩启金李功伟王宁徐兆鹏赵航马灵玲中国科学院空天信息创新研究院遥感卫星应用国家工程实验室北京100094 中国科学院大学北京100049 中国资源卫星应用中心北京100094

根据句芒号足印影像特点,提出一种针对复杂背景噪声的激光光斑质心提取方法:基于灰度转换模型去除地物背景,结合距离约束、高斯滤波和大津阈值分割去除影像噪声,并利用灰度重心法计算质心坐标。使用所提方法对多种地物类型仿真光斑和实... 详细信息

根据句芒号足印影像特点,提出一种针对复杂背景噪声的激光光斑质心提取方法:基于灰度转换模型去除地物背景,结合距离约束、高斯滤波和大津阈值分割去除影像噪声,并利用灰度重心法计算质心坐标。使用所提方法对多种地物类型仿真光斑和实测光斑进行质心提取,结果表明:所提方法的质心提取均方根误差约为0.074 pixel,最大误差约为0.482 pixel,对句芒号光斑影像的适应性较好。对句芒号足印影像光斑开展了稳定性分析,结果表明,所有激光波束的光斑质心坐标的标准差小于0.34 pixel,激光器与光轴监视相机的相对几何关系较为稳定。所提方法可用于激光光斑质心提取及稳定性监测,对句芒号激光数据处理和应用有一定参考价值。

关键词：遥感足印影像激光光斑影像噪声光斑质心提取

基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线反演算法研究

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激光与光电子学进展 2024年第5期61卷 108-118页

作者：秦荣荣姚微源王宁张贝贝马灵玲中国科学院空天信息创新研究院定量遥感信息技术重点实验室北京100094 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049

星载Mie散射激光雷达是当前应用最为广泛的获取全球尺度气溶胶剖面信息的探测设备。然而,大气气溶胶类型多样,通常假定气溶胶遵循特定模式并以此为先验,从而实现从激光雷达信号反演气溶胶消光系数廓线,但这一定程度上会影响反演精度的... 详细信息

星载Mie散射激光雷达是当前应用最为广泛的获取全球尺度气溶胶剖面信息的探测设备。然而,大气气溶胶类型多样,通常假定气溶胶遵循特定模式并以此为先验,从而实现从激光雷达信号反演气溶胶消光系数廓线,但这一定程度上会影响反演精度的进一步提升。鉴于此,提出了一种基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线的迭代反演优化算法。该方法首先在给定的先验气溶胶模式下获得初始消光-后向散射比(即激光雷达比),并基于此分别反演两个通道的气溶胶消光系数和光学厚度。同时借助构建的气溶胶光学厚度与气溶胶质量柱总量之间的关系,得到两通道独立估计的大气气溶胶质量柱总量。最后以两通道大气气溶胶质量柱总量相同为约束,实现仅依赖激光雷达数据的激光雷达比及气溶胶相关光学参数的迭代优化。由于双通道激光雷达观测的限制,该方法适用于两种类型气溶胶混合下的反演,利用内蒙古包头地区的多年气溶胶背景场,对反演模型的精度和适用性进行了评估。与采用经验估算激光雷达比的Fernald方法反演结果相比,所提算法反演的气溶胶消光系数廓线在532 nm和1064 nm通道的平均精度分别提高了21.16%和3.00%。此外,还将该方法应用在CALIOP数据中,进一步验证了该反演模型的应用潜力。

关键词： Mie散射激光雷达双通道信息气溶胶消光系数激光雷达比迭代反演

超光谱热红外数据通道选择方法在O_(3)和CH_(4)廓线反演中的应用

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遥感学报 2024年第2期28卷 385-397页

作者：姚微源张贝贝王宁马灵玲钱永刚王新鸿李传荣唐伶俐中国科学院空天信息创新研究院定量遥感信息技术重点实验室北京100094

与高光谱热红外数据相比,超光谱热红外数据中包含了臭氧(O_(3))和甲烷(CH_(4))在大气垂直剖面上更多的状态信息,为提升O_(3)和CH_(4)廓线的反演精度提供了可能。然而,超光谱热红外数据通道之间的间隔较窄,这在给数据引入一些特有可反演... 详细信息

与高光谱热红外数据相比,超光谱热红外数据中包含了臭氧(O_(3))和甲烷(CH_(4))在大气垂直剖面上更多的状态信息,为提升O_(3)和CH_(4)廓线的反演精度提供了可能。然而,超光谱热红外数据通道之间的间隔较窄,这在给数据引入一些特有可反演信息的同时还引入了大量的相似信息,这些特征均无法被现有的基于高光谱热红外数据的通道选择方法识别。为了保证超光谱热红外数据反演O_(3)和CH_(4)廓线的效率和精度,我们提出了一种基于大气灵敏度和雅可比剖面的通道优选方法(OWSP法)。该方法首先通过分析通道对不同气体的灵敏度情况,优选出受其他气体干扰较小的通道为初选通道;其次,深度分析通道雅可比特征后提出了优化雅可比矩阵的策略,具体为将通道雅可比量化为表征通道信息容量的因素,并采用迭代的方法获取最终的通道选择结果。本文将OWSP方法应用在阿拉善、北京—天津、长江三角洲和珠江三角洲4个典型地区的冬夏季大气条件下,与常用的最佳灵敏度法(OSP法)相比,OWSP方法所选的通道集合中冗余信息少,同时也可以识别一些具有特殊有效信息但灵敏度相对较低且受其他干扰因素干扰较大的通道。反演结果进一步表明,在多数情况下,OWSP方法可以有效提升廓线的反演精度,O_(3)廓线的平均反演精度提高了9.30%,CH_(4)廓线的平均反演精度提高了4.90%。本文能为中国超光谱热红外载荷开发以及数据应用提供必要的技术支撑,具有重要的理论和应用价值。

关键词：遥感热红外数据超光谱通道选择雅可比气体敏感性 O_(3)和CH_(4)廓线反演

稳定场TOA反射率模型光谱拓展方法及不确定性分析

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光学学报 2024年

作者：鲁鑫赵永光马灵玲王宁韩启金陶醉赵江洪李婉王任飞张栩源中国科学院大学电子电气与通信工程学院中国资源卫星应用中心中国科学院空天信息创新研究院遥感卫星应用国家工程实验室北京建筑大学测绘与城市空间信息学院

基于伪不变定标场(PICS)的辐射定标利用高精度遥感载荷建立的大气层顶(TOA)反射率模型直接计算入瞳辐亮度而无需地面同步测量，能够实现光学遥感载荷的高精度高频次辐射定标。然而，目前针对国内陆表稳定目标的研究，多是直接使用长时... 详细信息

基于伪不变定标场(PICS)的辐射定标利用高精度遥感载荷建立的大气层顶(TOA)反射率模型直接计算入瞳辐亮度而无需地面同步测量，能够实现光学遥感载荷的高精度高频次辐射定标。然而，目前针对国内陆表稳定目标的研究，多是直接使用长时间序列的高精度卫星历史数据，构建出通道式TOA反射率模型，在进行其他卫星绝对辐射定标时往往使用交叉定标的方式。本文提出一种针对稳定场TOA通道式反射率模型的光谱拓展方法，引入GF5B/AHSI高光谱数据提取参考光谱，与稳定场TOA通道式反射率联合求解光谱缩放因子，实现通道式TOA反射率模型在光谱维上的拓展，所构建的稳定场TOA反射率光谱模型适用于光谱响应各异的不同卫星光学载荷绝对辐射定标。进一步地，本文还利用Sentinel2/MS I数据和Landsat8/OLI数据对稳定场TOA反射率光谱模型进行了验证，并基于GF6/WFV的定标过程给出绝对辐射定标结果的不确定度分析。结果表明，模型预测值和Sentinel2/MSI,Landsat8/OLI观测值的平均相对差异在±5%以内，GF6/WFV的8个波段定标不确定度小于5.4%，充分证明了构建光谱拓展模型的有效性。

关键词：辐射定标稳定场模型 TOA反射率光谱拓展不确定性分析

陆地观测卫星遥感产品真实性检验场网建设的思考与实践

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遥感学报 2024年第4期28卷 805-824页

作者：马灵玲周翔王宁陶醉赵永光朱小华高彩霞杨健高海亮杨宏肖青李强子吕婷婷张风丽臧文乾中国科学院空天信息创新研究院北京100094

遥感产品真实性检验作为衔接遥感数据产品与应用服务的重要过程,是遥感数据产品高质量应用的必要保证。多年来,国内外建设了不少面向陆地遥感产品的真实性检验站点,但由于陆表过程和观测目标的高度复杂性、遥感卫星载荷产品的多样性、... 详细信息

遥感产品真实性检验作为衔接遥感数据产品与应用服务的重要过程,是遥感数据产品高质量应用的必要保证。多年来,国内外建设了不少面向陆地遥感产品的真实性检验站点,但由于陆表过程和观测目标的高度复杂性、遥感卫星载荷产品的多样性、陆地遥感产品演变的动态性,在典型特性表征—要素测量—样本优化—弹性服务全过程中的理论运用与技术实现仍显不足,规模化基础设施有待进一步发挥可持续运行的服务价值。本文分析了真实性检验地面观测场网、地面参考真值获取技术、遥感产品综合检验服务的国内外现状与发展趋势,进而从理论方法体系化着手,提出在地统计学的空间变异理论、计量学的不确定性理论、运筹学的最优化理论等基础之上,研究真实性检验场网空间代表性表征、测量基准不确定性度量及传递、多途径检验结果综合定权合成、样本集与待检产品的最优匹配等方法,发展形成陆地观测卫星真实性检验场网方法体系框架。对标国家空间基础设施重大工程建设和关键共性产品的应用需求,综合考虑整体布局、产品覆盖完备性、时空基准一致性和可追溯性等因素,统筹建设完善真实性检验站网、航空协同真实性检验系统、基准参考构建及传递系统以及高精度检验服务系统,形成符合中国实际的陆地观测卫星遥感产品真实性检验技术方案。文章对于完善真实性检验场网理论方法体系,“用足”、“用好”国产陆地观测卫星遥感数据,提升定量化应用水平具有重要意义。

关键词：陆地观测卫星遥感产品真实性检验基准参考测量服务系统理论方法体系

基于CLM5.0的内蒙古呼伦贝尔草地生产力模拟参数优化

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农业工程学报 2023年第6期39卷 139-148页

作者：杨倩朱小华欧阳光洲马灵玲刘伟王昆中国科学院空天信息创新研究院北京100094 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049 中国科学院数字地球重点实验室北京100049 中国科学院植物研究所北京100094 中国科学院定量遥感信息技术重点实验室北京100094

草地净初级生产力(net primary productivity,NPP)作为评估生态系统结构和功能以及植被质量的重要指标,其精准估算对于草地生态系统保护有着重要作用。陆面过程模型可对大范围NPP进行时序模拟,但受限于对植被生理生化特性的认知,应用于... 详细信息

草地净初级生产力(net primary productivity,NPP)作为评估生态系统结构和功能以及植被质量的重要指标,其精准估算对于草地生态系统保护有着重要作用。陆面过程模型可对大范围NPP进行时序模拟,但受限于对植被生理生化特性的认知,应用于目标区域时,模型参数的默认设定会引起模拟偏差。为了使模型适用于呼伦贝尔草地生产力模拟,该研究基于CESM(community earth system model)框架下的最新陆面过程模型CLM5.0(the community land model 5.0)开展模型参数敏感性分析,并采用DREAM(differential evolution adaptive metropolis)算法对最敏感的10个参数进行优化调整,最后将参数优化后的模型应用于呼伦贝尔草地NPP模拟。结果表明:1)对草地NPP模拟最敏感的是呼吸作用类参数,如冠层叶顶维持呼吸基率的截距参数、凋落池到土壤有机质池转移的呼吸分数,其次是碳循环类参数,如叶片碳氮比、细根碳氮比。2)叶片碳氮比与气孔导度参数优化后的后验概率分布为高斯分布,表明该优化为良性约束,反映了碳氮关联参数与呼吸作用参数对于优化模型模拟的有效性。3)参数针对性优化有效提升了CLM5.0对呼伦贝尔草地生产力的模拟性能,NPP年总量相对误差由33.82%降低至10.97%,且应用于在不同类型草地NPP模拟时,其相对误差分别降低了5.62%、8.06%、9.03%。该研究结果可为CLM5.0应用于呼伦贝尔地区的草地生产力模拟提供参考,对合理评估草地生态系统碳循环研究具有积极作用。

关键词：模型参数优化草地NPP 敏感性分析呼伦贝尔草地

基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线反演算法研究

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激光与光电子学进展 2023年

作者：秦荣荣姚微源王宁张贝贝马灵玲中国科学院空天信息创新研究院中国科学院定量遥感信息技术重点实验室中国科学院大学电子电气与通信工程学院

星载米散射激光雷达是当前应用最为广泛的获取全球尺度气溶胶剖面信息的探测设备。然而，大气气溶胶类型多样，通常假定气溶胶遵循特定模式并以此为先验，从而实现从激光雷达信号反演气溶胶消光系数廓线，一定程度上影响结果精度的进一... 详细信息

星载米散射激光雷达是当前应用最为广泛的获取全球尺度气溶胶剖面信息的探测设备。然而，大气气溶胶类型多样，通常假定气溶胶遵循特定模式并以此为先验，从而实现从激光雷达信号反演气溶胶消光系数廓线，一定程度上影响结果精度的进一步提升。鉴于此，本文提出了一种基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线的迭代反演优化算法。该方法首先在给定的先验气溶胶模式下获得初始消光-后向散射比（即激光雷达比），并基于此分别反演两个通道的气溶胶消光系数和光学厚度。同时借助本研究构建的气溶胶光学厚度与气溶胶质量柱总量之间的关系，得到两通道独立估计的大气气溶胶质量柱总量。最后以两通道大气气溶胶质量柱总量应相同为约束，实现仅依赖激光雷达数据的激光雷达比及气溶胶相关光学参数的迭代优化。由于双通道激光雷达观测的限制，该方法适用于两种类型气溶胶混合下的反演，文章利用了内蒙古包头地区的多年气溶胶背景场，对反演模型的精度和适用性进行了评估。与采用经验估算激光雷达比的Fernald方法的反演结果相比，本文算法反演的气溶胶消光系数廓线在532nm和1064nm通道的平均精度分别提高了21.16%和3.00%。本文还将该方法应用在CALIOP数据中，进一步验证了该反演模型的应用潜力。

关键词：米散射激光雷达双通道信息气溶胶消光系数激光雷达比迭代反演

典型陆表稳定目标热红外辐射特性分析及适用性评估

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遥感学报 2023年第5期27卷 1133-1149页

作者：杨治纬高彩霞邱实马灵玲钱永刚赵永光中国科学院空天信息创新研究院中国科学院定量遥感信息技术重点实验室北京100094 中国科学院大学光电学院北京100049

以地面稳定目标为参考的网络化定标技术已经成为国际定标领域的研究热点。它利用多次观测的方式减小独立测量不确定性,不仅可极大提升定标校验频次,还可有效提高总体定标精度。基于此,本文利用长时间序列Aqua/MODIS和Landsat 8/TIRS热... 详细信息

以地面稳定目标为参考的网络化定标技术已经成为国际定标领域的研究热点。它利用多次观测的方式减小独立测量不确定性,不仅可极大提升定标校验频次,还可有效提高总体定标精度。基于此,本文利用长时间序列Aqua/MODIS和Landsat 8/TIRS热红外数据,对国际卫星对地观测委员会定标与真实性检验组6个伪不变定标场、敦煌定标场以及格尔木大灶火地区的地表热辐射及大气特性进行了系统性分析,建立了热红外陆表稳定目标甄选标准,即空间亮温标准差低于0.3 K,发射率时间变异系数低于2%,旨在甄选适用于热红外载荷网络化定标的陆表参考目标,以支持热红外载荷在轨辐射定标精度的提升。结果表明:在1 km空间尺度下满足甄选标准的区域分别为:Libya1_1 km、Libya4_1 km、Algeria3_1 km、Algeria5_1 km、Mauritania1_1 km、Mauritania2_1 km、敦煌_1 km及格尔木_1 km,其中,Libya4_1 km面积最大,为75 km×75 km;格尔木_1 km面积最小,为3 km×3 km;对于100 m空间尺度,在Libya1_1km、Mauritania1_1km、Mauritania2_1km以及敦煌_1km共甄选出7个满足阈值的区域,最大面积为30 km×30 km,最小面积为5 km×5 km;Libya1_1 km、 Mauritania1_1 km、Mauritania2_1 km以及敦煌_1 km目标区域的空间均一性受空间尺度影响较小,适用于多种空间分辨率热红外载荷定标与真实性检验。

关键词：热红外空间异质性时间稳定性 MODIS Landsat 8 ECMWF

基于ERA5海洋再分析资料的卫星热红外辐射定标方法精度评估

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遥感学报 2023年第5期27卷 1150-1165页

作者：薛亚楠马灵玲王宁李坤王新鸿韩启金钱永刚李大成中国科学院空天信息创新研究院中国科学院定量遥感信息技术重点实验室北京100094 中国科学院大学光电学院北京100049 中国资源卫星应用中心北京100094 太原理工大学太原030024

卫星红外载荷辐射定标是定量化应用的重要前提,选择合适的辐射定标参考是实现卫星传感器高频次、高精度定标,进而维持全生命周期观测稳定性的保障。再分析资料能够提供全球覆盖、一定空间和时间分辨率的地表及大气数据,已在气候应用中... 详细信息

卫星红外载荷辐射定标是定量化应用的重要前提,选择合适的辐射定标参考是实现卫星传感器高频次、高精度定标,进而维持全生命周期观测稳定性的保障。再分析资料能够提供全球覆盖、一定空间和时间分辨率的地表及大气数据,已在气候应用中展现了重要价值,其作为辐射定标参考的适用性值得研究。本文以欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料为研究对象,首先利用Argo浮标观测海表温度(SST)和Terra-MODIS L2级SST日产品,对ERA5数据集的海洋表皮温度参数(SSTskin)进行验证;其次利用MODIS观测星上亮温值,对使用ERA5 SSTskin和大气廓线数据模拟得到星上亮温值进行验证。结果表明,ERA5 SSTskin与Argo SST的平均偏差在-0.31 K以内,与MODIS SST产品的平均偏差在-0.38 K以内,且与Argo SST的偏差在时间和空间上更为稳定;辐射传输计算结果显示,与星上观测亮温的平均偏差也在-0.38 K以内,且偏差随时间和纬度变化波动较小。最后,本文还探究了风速、大气水汽柱总量、海浪平均高度等气象影响因素与海表温度偏差和星上亮温偏差的相关性,整体看来,在6—16 m/s中等风速,低于7.0 g/cm2水汽柱总量以及0.6—3 m海浪平均高度的条件下,海表温度偏差以及星上亮温偏差较低。研究结果可为再分析资料用于不依赖实测数据的卫星红外载荷绝对辐射定标提供有效支撑。

关键词：再分析资料海表面温度星上亮温辐射定标参考