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基于超光谱热红外数据的一氧化碳反演通道选择

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红外与毫米波学报 2021年第3期40卷 391-399页

作者：张贝贝王宁姚微源钱永刚马灵玲李传荣唐伶俐刘耀开高彩霞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

一氧化碳(CO)在热红外波段吸收强度弱且吸收区内具有较多的干扰信号,利用热红外数据反演高精度CO廓线的难度大。超光谱红外探测仪的开发和应用,为提升CO廓线的反演精度提供了可能。然而,随着超光谱热红外数据分辨率的上升、通道之间的... 详细信息

一氧化碳(CO)在热红外波段吸收强度弱且吸收区内具有较多的干扰信号,利用热红外数据反演高精度CO廓线的难度大。超光谱红外探测仪的开发和应用,为提升CO廓线的反演精度提供了可能。然而,随着超光谱热红外数据分辨率的上升、通道之间的间隔变窄,这在给数据引入特有可反演信息的同时产生大量冗余信息。为了保证反演精度和效率,有必要对通道进行选择来获取包含最大可反演信息的通道同时剔除冗余信息。提出了一种同时考虑通道灵敏度和权函数特性的峰采样通道选择方法,用于从超光谱红外数据中反演CO廓线。该方法首先通过分析通道对不同气体的灵敏度情况,去除受其他气体干扰较大的通道获得初选通道。然后,分析初选通道的权函数特性后发现,位于CO亮温变化谱线中峰顶和峰底的通道分别包含了不同大气层的CO反演信息,将这些通道选取为最终通道选择结果。以阿拉善沙漠地区、京津地区、长江三角洲及珠江三角洲的冬夏晴空大气为主要研究对象,比较峰采样法与最优灵敏度剖面法(OSP)所得的通道选择结果及相应的CO廓线反演精度。结果表明,该方法选择的通道比OSP方法选择的通道能覆盖更宽的光谱范围且包含更多的CO反演信息。而且,峰采样通道选择方法的应用可以有效提高本文所研究区域和季节的CO廓线反演精度,其中在阿拉善地区冬季大气条件下改善效果最为明显,反演结果的均方根误差(RMSE)由3.23×10^(-8)g/g降至3.07×10^(-8)g/g,平均反演精度提高了10.56%。

关键词：大气科学通道选择 CO廓线反演超光谱热红外数据灵敏度权函数特性

基于MAX-DOAS测定大气紫外波段水汽的吸收及其对DOAS反演影响的评估

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光谱学与光谱分析 2022年第10期42卷 3314-3320页

作者：任红梅李昂胡肇焜谢品华徐晋黄业园李晓梅钟鸿雁张海蓉田鑫任博郑江一王帅柴文轩中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学研究生院科学岛分院安徽合肥230026 中国科学院区域大气环境研究卓越创新中心福建厦门361021 安徽大学物质科学与信息技术研究院安徽合肥230601 中国环境监测总站国家环境保护环境监测质量控制重点实验室北京100012

大气水汽的吸收强度从微波区域到可见蓝光区域逐渐降低,然而在紫外波段的吸收却经常被人忽略。多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)技术是一种被动光学遥感技术,可以同时反演气溶胶、多种痕量气体(如NO_(2),SO_(2),HCHO,HONO等)以及水汽,常用于... 详细信息

大气水汽的吸收强度从微波区域到可见蓝光区域逐渐降低,然而在紫外波段的吸收却经常被人忽略。多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)技术是一种被动光学遥感技术,可以同时反演气溶胶、多种痕量气体(如NO_(2),SO_(2),HCHO,HONO等)以及水汽,常用于区域大气立体分布及输送监测,具有成本低、时间分辨率高、稳定、可实时监测等特点。水汽是一种重要的温室气体,在紫外波段反演一些痕量气体时水汽的吸收经常不被考虑,可能对紫外波段痕量气体的反演造成影响,从而产生系统误差。介绍了基于MAX-DOAS对紫外波段大气水汽的反演,于2020年6月1日—9月24日在西安乾县进行观测,通过选取最优反演波段,并将反演结果与可见蓝光波段的水汽进行对比,证实了紫外波段存在水汽吸收,评估了紫外水汽的吸收对同波段痕量气体反演的影响。首先,根据不同拟合波段反演的水汽均方根误差(RMS)以及水汽和O_(4)的吸收截面情况,选取紫外和可见蓝光波段水汽的最优反演波段分别为351~370和434~455 nm。其次,通过DOAS拟合得到紫外和可见蓝光波段O_(4)和H_(2)O的对流层差分斜柱浓度(DSCD),分别将紫外和可见波段的O_(4)DSCD和H_(2)O DSCD做相关性分析,两个波段O_(4)DSCD的相关系数r=0.85,H_(2)O DSCD的相关系数r=0.80。为消除不同波段的辐射传输差异,将同波段的H_(2)O DSCD和O_(4) DSCD作比值,两个波段H_(2)O DSCD/ODSCD的相关系数r=0.89。紫外和可见蓝光波段H_(2)O DSCD/O_(4) DSCD的高相关系数表明,即使在相对沿海城市水汽浓度较低的西安市,在363 nm附近的紫外波段同样存在水汽吸收,这将会对采用DOAS技术在紫外波段反演其他痕量气体造成影响。最后,分别对可能受紫外波段水汽吸收影响的气体(O_(4),HONO和HCHO)进行DOAS反演误差评估,紫外波段水汽的吸收将使O_(4) DSCD,HONO DSCD以及HCHO DSCD在DOAS拟合过程中增加,分别对应于+1.16%,+8.55%和+9.04%的变化。

关键词：多轴差分吸收光谱紫外波段水汽误差评估

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信息地理学学科体系与发展战略要点

地理学报 2021年第9期76卷 2094-2103页

作者：李新袁林旺裴韬黄昕刘广郑东海中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049 南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室南京210023 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 武汉大学遥感信息工程学院武汉430079 中国科学院空天信息创新研究院数字地球重点实验室北京100094

信息时代的到来极大地促进了地理科学的发展,地理科学的研究已从传统的自然地理空间、人文地理空间拓展到了信息地理空间,催生了信息地理学的发展,并逐渐形成了地理遥感科学、地理信息科学和地理数据科学3个分支学科。在《中国学科及前... 详细信息

信息时代的到来极大地促进了地理科学的发展,地理科学的研究已从传统的自然地理空间、人文地理空间拓展到了信息地理空间,催生了信息地理学的发展,并逐渐形成了地理遥感科学、地理信息科学和地理数据科学3个分支学科。在《中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)》地理科学的学科规划背景下,本文梳理了信息地理学的形成、定义和学科体系,重点阐述了信息地理学的学科发展战略布局、优先领域发展目标和重点方向。以期本文有助于促进遥感、地理信息科学与技术的发展和应用回归地理科学,进一步强化地理科学研究,使其更加系统化、科学化和现代化,促进地理科学的整体发展。

关键词：信息地理学地理遥感科学地理信息科学地理数据科学学科体系

基于空洞卷积神经网络的红壤有机质含量预测研究

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光谱学与光谱分析 2024年第10期44卷 2941-2952页

作者：邓昀吴蔚石媛媛陈守学广西嵌入式技术与智能系统重点实验室广西桂林541006 桂林理工大学信息科学与工程学院广西桂林541006 广西壮族自治区林业科学研究院广西南宁530002

土壤有机质(SOM)含量是衡量土壤肥力的重要指标之一,从高光谱遥感图像中有效预测SOM含量具有重要意义。传统的机器学习方法需要复杂的特征工程且精度不高,而以卷积神经网络(CNN)为代表的深度学习方法在土壤高光谱领域研究较少,且对小样... 详细信息

土壤有机质(SOM)含量是衡量土壤肥力的重要指标之一,从高光谱遥感图像中有效预测SOM含量具有重要意义。传统的机器学习方法需要复杂的特征工程且精度不高,而以卷积神经网络(CNN)为代表的深度学习方法在土壤高光谱领域研究较少,且对小样本数据建模精度较差,光谱数据的空间特征提取不足。因此,提出了一种使用通道注意力机制的一维空洞卷积网络模型(SE-DCNN)。以广西国有黄冕林场和国有雅长林场采集的207个土壤样本为研究对象,对比分析了3种机器学习方法和4种深度学习方法在不同光谱预处理下的建模效果。结果表明,SE-DCNN模型因为使用了空洞卷积和通道注意力机制,扩大感受野并提取多尺度特征,有较好的建模精确度和泛化拟合能力。最佳预测模型是基于S-G降噪(SGD)和一阶微分(DR)的光谱预处理方式建立的SE-DCNN模型,验证集的决定系数(R^(2))为0.971,均方根误差(RMSE)为2.042 g·kg^(-1),相对分析误差(RPD)为5.273。因此,使用SE-DCNN能够对广西林地红壤有机质含量进行准确预测。

关键词：土壤高光谱有机质通道注意力机制空洞卷积神经网络

叶表面偏振反射测量对冬小麦氮含量高光谱估算的提升

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光谱学与光谱分析 2020年第6期40卷 1956-1964页

作者：林沂刘思远晏磊冯海宽赵帅阳赵红颖北京大学地球与空间科学学院空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室北京100871 北京农业信息技术研究中心北京100097

高光谱遥感为冬小麦氮含量的实时估测提供了技术途径,然而在实际探测过程中,接收的信号不仅包含植株叶、茎等器官内部发生多次散射后的光辐射,也包含在叶片表面发生镜面反射而没有进入器官内部的光辐射,原理上只有前者可反映植株的生化... 详细信息

高光谱遥感为冬小麦氮含量的实时估测提供了技术途径,然而在实际探测过程中,接收的信号不仅包含植株叶、茎等器官内部发生多次散射后的光辐射,也包含在叶片表面发生镜面反射而没有进入器官内部的光辐射,原理上只有前者可反映植株的生化组分信息,因此目前常用的反演算法存在较大不确定性。拟采用增加偏振测量的方式,区分与上述两种情形对应的非偏振光和部分偏振光,通过构建相应的反射率表征因子,以评估剔除部分偏振反射分量对植株氮含量估算的影响。实验获取了冬小麦拔节、挑旗、开花、灌浆四个典型生长期共计48组偏振高光谱与氮含量测量样本,分析后表明,剔除偏振反射后,反射率光谱与氮含量的相关性在可见光波段有较明显的提升,而常用的多个植被指数对氮含量的估算精度有小幅提升,且不同生长期对应的最优植被指数不同。上述结果证明了通过测量叶表偏振反射而提升冬小麦氮含量高光谱估算方法的有效性与稳定性,为提升植被生化组分遥感反演的精度提供了参考。

关键词：氮含量偏振遥感高光谱遥感冬小麦叶面反射植被指数

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滇中三类典型地表植被的机载高光谱特征分析

光谱学与光谱分析 2021年第10期41卷 3208-3213页

作者：胡琳甘淑袁希平李雁吕杰杨明龙昆明理工大学国土资源工程学院云南昆明650093 云南省高校高原山区空间信息测绘技术应用工程研究中心云南昆明650093 滇西应用技术大学云南大理671000 云南省国防科技工业局综合研究所云南昆明650118

高光谱遥感技术因为具有图谱合一的优势,并且相较于传统多光谱遥感技术,可以实现对目标的精确识别,逐渐运用于地表植被的探测。选择以滇中地区的竹林、华山松、杂木林这三类典型地表植被为研究对象,基于机载高光谱影像数据,通过对原始... 详细信息

高光谱遥感技术因为具有图谱合一的优势,并且相较于传统多光谱遥感技术,可以实现对目标的精确识别,逐渐运用于地表植被的探测。选择以滇中地区的竹林、华山松、杂木林这三类典型地表植被为研究对象,基于机载高光谱影像数据,通过对原始高光谱、一阶微分处理光谱、连续统去除处理光谱进行处理与对比分析,获得滇中三类典型地表植被类型高光谱特征的初步探测认识。主要结果包括:(1)基于对原始光谱特征分析得出,三类典型地表植被的原始高光谱的最佳波段窗口出现在690~946 nm,且在该波段范围内光谱反射率特征为竹林>华山松>杂木林;(2)运用一阶微分处理光谱特征分析得出,利用光谱微分变换处理能够增强植被的光谱差异。经过一阶微分处理后光谱的最佳波段窗口出现在670~774 nm,在该波段范围内的一阶微分系数为竹林>华山松>杂木林。且发现718 nm为三类植被的敏感波段,即可用718 nm敏感特征波段区分开三类植被类型;并且综合运用一阶微分光谱特征参数中的红边位置,蓝边幅值、黄边幅值、红边幅值、蓝边面积、黄边面积和红边面积可以将三类植被类型进行区分;(3)最后基于连续统去除处理光谱特征分析得出,连续统去除方法能够有效地增强植被光谱曲线反射和吸收的特征。经过连续统去除处理后的光谱,三类典型植被的最佳波段窗口在458~554和570~690 nm,这两个波段范围内的连续统去除系数均为竹林>华山松>杂木林,且发现502和674 nm为三类典型植被的敏感波段,即可用此特征综合区分三类植被类型。该研究结果有助于对滇中森林植被精细判别提供技术方法,同时,为今后发展天-地-空的高光谱影像数据一体化遥感植被精细分类提供技术支撑。

关键词：高光谱植被一阶微分连续统去除最佳波段窗口

利用无人机搭载的多光谱相机直接测定地表反射率的新方法

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光谱学与光谱分析 2022年第5期42卷 1581-1587页

作者：孙华生张远史云飞赵敏临沂大学资源环境学院(山东省水土保持与环境保育研究所) 山东临沂276000 华东师范大学地理科学学院崇明生态研究院地理信息科学教育部重点实验室上海200241

目前,无人机获取的多光谱遥感数据已被广泛应用于农业、林业、环境等领域的定量监测中。然而,现有的将多光谱遥感数据转换为地表反射率的方法,仍然存在一定的缺陷,如需要依赖地面参考板、无法适应光照条件变化、得到的结果不准确等,从... 详细信息

目前,无人机获取的多光谱遥感数据已被广泛应用于农业、林业、环境等领域的定量监测中。然而,现有的将多光谱遥感数据转换为地表反射率的方法,仍然存在一定的缺陷,如需要依赖地面参考板、无法适应光照条件变化、得到的结果不准确等,从而影响了多光谱遥感数据定量化应用的效果。为了解决该问题,提出了一种可以利用无人机搭载的多光谱相机,直接对地表反射率进行测量的新方法。该方法具有非常强的适应能力,即使在环境光照强度变化的条件下,仍然能够得到准确的地表反射率。其中,如何利用倾斜状态下的光强传感器获取准确的太阳辐照度,是需要解决的关键问题。对此,提出了一种利用两个或者更多朝向不同方向的光强传感器,实现太阳直射和散射辐照度测量的新方法。利用此方法即可将相机记录的数字量化(DN)值直接转换为地表反射率。为了验证本方法的实际效果,设计了具体的实验验证方案,对不同日期不同光照条件下获取的无人机遥感数据进行验证。实际测试结果表明:利用该方法,得到黑、灰、白三张参考板的反射率在5个多光谱(蓝、绿、红、红边和近红外)波段中最大的平均绝对误差为3.34%,其对应的标准差为2.11%;三张参考板在所有波段中最大的平均绝对误差为2.94%,其对应的标准差为1.84%。由此可见,在光照强度变化的条件下,利用该方法实现地表反射率的准确测量是可行性的。该方法极大地简化了无人机遥感数据转换为地表反射率的过程。对多光谱无人机的设计,以及无人机遥感数据的定量化应用,都具有重要的参考价值。

关键词：无人机遥感多光谱相机地表反射率辐射校正太阳辐照度

A FIR flter assisted with the predictive model and ELM integrated for UWB-based quadrotor aircraft localization

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Satellite Navigation 2023年第1期4卷 128-139,I0004页

作者： yuan Xu Dong Wan Shuhui Bi Hang Guo yuan Zhuang school of Electrical engineering University of JinanJinanChina Institute of Space Science and Technology Nanchang UniversityNanchangChina. State Key Laboratory of information engineering in Surveying Mapping and Remote SensingWuhan UniversityWuhanChina. Shandong Honest Credibility Electric Science and Tehcnology Co. Ltd.DezhouChina.

To improve the accuracy of the Ultra-Wide Band(UWB)based quadrotor aircraft localization,a Finite Impulse Response(FIR)flter aided with an integration of the predictive model and Extreme Learning Machine(ELM)is proposed in this *** FIR flter estimates the quad-rotor aircraft’s position by fusing the positions measured with the UWB and Inertial Navigation System *** the UWB dada are unavailable,both the ELM and the predictive model are used to provide the measurements,replacing those unavailable UWB data,for the FIR *** ELM estimates the measurement via the mapping between the one step prediction of state vector and the measurement built when the UWB data are *** the predictive model,we mathematically describe the missing UWB ***,both the measurements estimated with the ELM and predictive model are employed to estimate the observations via Mahalanobis *** test results show that the FIR flter aided by the predictive model/ELM integrated can reduce the Cumulative Distribution Function and position Root Mean Square Error efectively when the UWB is *** with the ELM assisted FIR flter,the proposed FIR flter can reduce the localization error by about 48.59%,meanwhile,the integrated method is close to the method with a better solution.

关键词： Ultra-Wide Band(UWB) Quadrotor aircraft localization FIR flter ELM

海面溢油油包水乳化液多种探测参数的BRRDF仿真研究

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光谱学与光谱分析 2021年第12期41卷 3797-3801页

作者：张晓丹孔德明袁丽孔德瀚孔令富燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛066004 燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004 河北环境工程学院信息工程系河北秦皇岛066000

海面溢油污染是最常见的污染之一,通常以不同风化状态存在于海面上,如未乳化阶段油膜,乳化阶段水包油、油包水等。因此,快速准确的监测海面溢油信息,识别、分类及定量评估不同阶段的溢油污染,对海洋污染快速治理和生态环境恢复具有重要... 详细信息

海面溢油污染是最常见的污染之一,通常以不同风化状态存在于海面上,如未乳化阶段油膜,乳化阶段水包油、油包水等。因此,快速准确的监测海面溢油信息,识别、分类及定量评估不同阶段的溢油污染,对海洋污染快速治理和生态环境恢复具有重要意义。激光诱导荧光(LIF)是目前最有效的海面遥感探测技术之一。双向反射再辐射分布函数(BRRDF)通过描述目标受激发射的荧光分布来表征目标的荧光性质。目前基于LIF探测技术除对海面溢油未乳化阶段油膜和乳化阶段水包油有所研究外,尚未对乳化阶段中油包水乳化液荧光特性方面开展相关研究。鉴于此,利用米氏散射理论得到油包水乳化液的光学参数,对油包水乳化液建立蒙特卡罗光子传输模型以开展BRRDF研究,探讨与分析油包水乳化液在含油率、入射接收角度、厚度参数下f BRRDF cosθrcosθi(荧光出射角θr,激光入射角θi)的变化,并利用实验测量的荧光光谱数据与仿真进行对比验证。结果表明,f BRRDF cosθrcosθi值随乳化液含油率(海水表层乳化液的含油率)的升高呈下降趋势,并与实验采集到的荧光光谱数据具有一致性趋势,为基于LIF技术对海面溢油油包水乳化液含油率的推断提供依据;f BRRDF cosθrcosθi值随θi的增大开始变化比较缓慢,当θi>65°时迅速减小,并随θr继续增大而持续减小,与实验采集到的光谱数据趋势相吻合,此趋势说明利用LIF技术对海面油包水乳化液进行探测时,激光入射角度不宜超过65°且垂直海面可接收到最大光信号;f BRRDF cosθrcosθi值随乳化液厚度的升高先上升后变得平稳,说明f BRRDF cosθrcosθi可评估海面溢油油包水乳化液的最小厚度。该研究内容为基于LIF技术探测海面溢油提供理论和技术支持。

关键词：激光诱导荧光油包水乳化液双向反射再辐射分布函数蒙特卡罗