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基于sail模型的光谱解混研究

基于SAIL模型的光谱解混研究

作者：展昕华中科技大学

学位级别：硕士

由于传感器分辨率有限且地物分布复杂多样,所以很多光谱不是单一地物的光谱,而是混合多种地物光谱贡献的混合光谱。随着高光谱遥感技术的不断发展,如何对高光谱每个像元连续完整的光谱谱线进行光谱解混,把光谱解混用于地物的精确分类与... 详细信息

由于传感器分辨率有限且地物分布复杂多样,所以很多光谱不是单一地物的光谱,而是混合多种地物光谱贡献的混合光谱。随着高光谱遥感技术的不断发展,如何对高光谱每个像元连续完整的光谱谱线进行光谱解混,把光谱解混用于地物的精确分类与目标识别,已经受到了遥感界越来越多的关注。光谱解混一方面可以弥补传感器由于硬件原因而导致的分辨率不高,另一方面也可降低获取高分辨率图像的成本,这对高光谱的发展具有重要意义。一般而言,光谱解混的方法可分为两大类:线性解混方法和非线性解混方法。由于线性解混方法的简单性和科学性,目前普遍采用的是线性解混方法。但根据本文提出的光谱混合类型,线性解混方法针对的混合类型为邻接型混合,对于本文的研究对象——植被/土壤系统,它属于上下叠合型混合,分量光谱之间已不再具有线性关系,除此之外,线性解混只是一种基于统计原理的方法,并没有任何物理机理基础,故线性解混在此种情形下已不再适用。针对这里的研究对象——植被/土壤系统,本文采用辐射传输理论来解决植被/土壤上下叠合型混合光谱的解混问题。本文基于植被冠层光谱模型sail(Scattering by Arbitrarily Inclined Leaves),运用微粒群算法反演叶片反射率和透射率及土壤反射率。在此反演结果的基础上,通过去除土壤因素,再次利用sail模型正向计算,可得到冠层光谱,即达到解混目的。鉴于目前大多数工作集中在模拟数据的研究,本文不仅对无偏差模拟混合光谱数据和加噪模拟混合光谱数据做了解混,还对实测混合光谱数据做了解混,实验结果表明了基于sail模型和微粒群算法的光谱解混方法的可行性。此外,本文还提出了混合光谱分类依据,根据混合光谱的类型而选用合适的光谱解混方法。

关键词：光谱解混冠层光谱模型 sail模型微粒群反演

基于sail模型的HJ-1卫星LAI反演算法研究

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微计算机信息 2010年第10期26卷 204-206页

作者：武佳丽顾行发余涛孟庆岩武尚君遥感科学国家重点实验室中国科学院遥感应用研究所北京100101 中国科学院研究生院北京100039 国家航天局航天遥感论证中心北京100101 内蒙古建筑职业技术学院内蒙古呼和浩特市010050

基于辐射传输模型和人工神经网络算法,研究出适用于环境一号卫星CCD相机数据的叶面积指数反演算法针对环境一号卫星CCD相机的波段特征,设计出一种新的植被指数HJVI,有效的避免了数据饱和现象,提高了算法的精度。

关键词：环境一号 sail模型人工神经网络环境指数叶面积指数

辐射传输模型模拟与深度学习结合的高分一号卫星植被光合有效辐射吸收比例产品反演算法

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遥感学报 2023年第3期27卷 700-710页

作者：李丽辛晓洲唐勇柏军华杜永明孙林闻建光仲波吴善龙张海龙余珊珊柳钦火中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室北京100101 山东科技大学测绘与空间信息学院青岛266590 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

植被光合有效辐射吸收比例FPAR (Fraction of absorbed Photosynthetically Active Radiation)是碳循环光能利用率模型中的关键参数之一。高分系列卫星的发射,为反演定量遥感产品提供了高时空分辨率的卫星遥感数据,基于高分数据的植被... 详细信息

植被光合有效辐射吸收比例FPAR (Fraction of absorbed Photosynthetically Active Radiation)是碳循环光能利用率模型中的关键参数之一。高分系列卫星的发射,为反演定量遥感产品提供了高时空分辨率的卫星遥感数据,基于高分数据的植被光合有效辐射吸收比例产品能够为生态系统碳循环的分析评估提供更加精细、精度更高的输入参数产品。本文发展了一种基于深度学习的光合有效辐射吸收比例反演方法。该方法利用sail(Scattering by Arbitrarily Inclined Leaves)模型模拟多种太阳入射角度、观测角度、大气条件下的植被冠层光合有效辐射吸收比例及冠层反射率,形成海量输入—输出模拟数据集,具有鲁棒性及更好的普适性;基于深度信念网络对数据集进行训练,得到高分一号(GF-1)卫星光合有效辐射吸收比例遥感反演模型。利用中国科学院怀来遥感综合试验站及黑河流域地表过程综合观测网FPAR地面站点连续观测数据对玉米作物、芦苇草地等下垫面反演的FPAR进行了对比验证,RMSE分别为0.15和0.17。本方法以辐射传输模型模拟的多维大气及地表输入—植被冠层输出作为深度学习的训练样本库,弥补了训练样本数量不足及观测数据不全带来的深度学习训练过程中的误差,从而使得模型兼具机理性和高效性。同时,反演的输入为具有太阳角度、观测角度信息的地表反射率产品,降低了输入参数获取的难度,减少输入参数误差传递的影响,有利于实现产品的业务化生产。

关键词：定量遥感反演 GF-1卫星光合有效辐射吸收比例 sail模型深度学习

热红外地表方向性辐射温度与半球辐射温度关系研究

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地球信息科学学报 2016年第1期18卷 106-116页

作者：彭硕唐伯惠李召良吴骅唐荣林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 中国科学院大学北京100049

地表温度是陆面过程的一个重要影响因素,利用地表温度的遥感反演算法只能获取卫星传感器观测角度条件下的地表温度(即某个方向上的辐射温度),但地球表面普遍存在非同温像元,反演得到的像元地表辐射温度具有方向性特征。本文利用热红外... 详细信息

地表温度是陆面过程的一个重要影响因素,利用地表温度的遥感反演算法只能获取卫星传感器观测角度条件下的地表温度(即某个方向上的辐射温度),但地球表面普遍存在非同温像元,反演得到的像元地表辐射温度具有方向性特征。本文利用热红外辐射传输模型4 sail(Scattering by Arbitrarily Inclined Leaves),以及方向性热辐射参数化模型,针对非同温均匀冠层,考虑冠层结构、太阳位置和观测角等因素的影响,模拟得到方向性辐射温度数据,与半球辐射温度数据比较,得到估算半球辐射温度的最佳观测角度。此外,开展热红外地面观测试验,对热红外地表辐射温度的角度效应,以及利用模拟数据得到的半球辐射温度最佳观测角度进行了验证。结果表明,当太阳高度角较低时,均匀草地的地表辐射温度,会随着观测天顶角的增大而增加,受观测方位角的影响较小,当观测天顶角为75°时,倾斜观测与垂直观测得到的辐射温度差值达到2.7 K,说明热辐射存在明显的方向性特征。同时,将热红外地表方向性辐射温度与同步观测的半球辐射温度进行对比分析,当叶面积指数小于1.0时,半球辐射温度的最佳替代角度为51°,与模拟结果相符。

关键词： 4 sail模型方向性热辐射参数化模型方向性辐射温度多角度观测试验半球辐射温度

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模型参数全局敏感性分析的EFAST方法

遥感技术与应用 2013年第5期28卷 836-843页

作者：何维杨华北京师范大学地理学与遥感科学学院北京100875 北京师范大学/中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室北京100875 环境遥感与数字城市北京市重点实验室北京100875

分析遥感物理模型参数的敏感性是反演的前提。EFAST全局敏感性分析方法不仅可以分析单个参数的敏感性,还考虑了参数间的耦合影响,适用于分析高维非线性模型的参数敏感性。以sail模型为例,应用EFAST方法和2001年顺义冬小麦野外实测数据,... 详细信息

分析遥感物理模型参数的敏感性是反演的前提。EFAST全局敏感性分析方法不仅可以分析单个参数的敏感性,还考虑了参数间的耦合影响,适用于分析高维非线性模型的参数敏感性。以sail模型为例,应用EFAST方法和2001年顺义冬小麦野外实测数据,对参数在整个生长季范围及不同生长阶段的敏感性进行了分析,并与USM分析方法进行比较。结果表明:EFAST和USM方法在分析sail模型的参数敏感性时都具有可行性,但是EFAST方法由于考虑了模型参数间的耦合影响,分析结果具有全局性,相对USM方法更客观全面。

关键词： EFAST 全局敏感性 USM sail模型

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基于点云的植株表型构建和反射率方向性分析

激光与红外 2018年第8期48卷 965-972页

作者：方圣辉汪琳周颖杨光王东武汉大学遥感信息工程学院湖北武汉430079

三维激光扫描可瞬时高效地采集点云信息,在获取植物表型特征上具有独特的优势。植株不规则的几何结构导致了其复杂的光辐射过程。本文使用激光扫描仪采集了四种代表性植株的稠密点云,数字化为三维模型以准确计算结构表型参数。通过将激... 详细信息

三维激光扫描可瞬时高效地采集点云信息,在获取植物表型特征上具有独特的优势。植株不规则的几何结构导致了其复杂的光辐射过程。本文使用激光扫描仪采集了四种代表性植株的稠密点云,数字化为三维模型以准确计算结构表型参数。通过将激光点云计算的准确的叶倾角分布和叶面积指数替代传统的sail模型中的经验参数,减少了其中间参数,提高了模拟精度。并对模拟反射率和实测反射率进行多角度分析,发现模拟结果在主平面方向有较大提高,垂直主平面方向提高程度相对较弱;植被光谱吸收谷,如450 nm、670 nm,具有较强的光谱异性的同时,结构参数的影响也较为突出,改进后的效果明显,而在近红外反射峰如860nm则无明显改进。通过本文的研究,证明了利用激光快速获取植物表型参数的可行性,并成功利用准确结构参数解决辐射传输中的难点问题。

关键词：植物表型激光点云叶倾角分布 sail模型

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冠层模型的光谱超分辨率方法研究

冠层模型的光谱超分辨率方法研究

作者：朱思敏华中科技大学

学位级别：硕士

超分辨率的概念最早是在信号处理技术中提出的,后来发展到以提高图像空间分辨率为目的的空间超分辨率图像重建技术。目前,人们对空间分辨率已经做了大量的研究,也提出了大量的方法。但是,对于光谱超分辨率,给予的关注程度相对较少。然而... 详细信息

超分辨率的概念最早是在信号处理技术中提出的,后来发展到以提高图像空间分辨率为目的的空间超分辨率图像重建技术。目前,人们对空间分辨率已经做了大量的研究,也提出了大量的方法。但是,对于光谱超分辨率,给予的关注程度相对较少。然而,光谱分辨率同空间分辨率一样也是光谱数据质量的一个重要指标。如果能够提供足够高的光谱分辨率数据,人们就能够更加充分、有效的研究各种典型地物的光谱特性,能够更好的促进光谱遥感的应用,更加有利于研究各种农作物物化特性与光谱特性的关系,便于生态,农业的管理,给生产生活带来极大的帮助。所以,光谱超分辨率的研究有着十分重要的现实意义。目前的光谱超分辨率多采用插值的方式,这样就完全放弃了目标的光谱特性和物理意义等先验信息。本文将遵循光谱形成的物理机理,提出一种基于光谱模型的光谱超分辨率的思想,考虑到问题的复杂性,这里主要针对冠层光谱进行光谱超分辨率。本文首先系统介绍了国内外关于光谱超分辨率的发展及研究现状;其次在对植被光谱特性、分析方法、光谱模型以及优化算法进行介绍后,对sail模型和PROSPECT模型进行了深入探讨;在此基础上,提出了一种基于光谱模型的光谱超分辨率方法,该方法能够弥补传统插值方式的不足,充分考虑了目标的光谱特性和物理意义;然后,在具体阐述本文光谱超分辨研究思路后,提出了两种相应的反演策略——单角度光谱数据和多角度光谱数据分阶段反演策略。两种反演策略有较大的差异,前者应用单角度下不同波长下的光谱值,直接完成反演,而后者,则运用分阶段反演策略结合不同角度下的光谱数据,对每个波长逐一完成反演。针对两种反演策略,本文进行了大量无偏数据和加噪数据的试验,并从理论上分析两种反演策略的优劣性。最后,应用本文提出的光谱超分辨率方法对实测数据进行实验。文章最后对全文进行了总结,并指出了将来的后续研究工作。

关键词： sail模型 PROSPECT模型超分辨率反演方法光谱重建

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冠层叶方向分布获取方法及光谱分析

冠层叶方向分布获取方法及光谱分析

作者：汪琳武汉大学

学位级别：硕士

植被冠层的辐射散射特性研究是多角度植被定量遥感的基础,这些特征中蕴含了丰富的植物生理信息,通过构建植被冠层辐射散射模型,可以实现叶绿素和植物结构等生物物理参数的遥感定量反演。然而,植株不规则的几何特性导致了其复杂的光辐射... 详细信息

植被冠层的辐射散射特性研究是多角度植被定量遥感的基础,这些特征中蕴含了丰富的植物生理信息,通过构建植被冠层辐射散射模型,可以实现叶绿素和植物结构等生物物理参数的遥感定量反演。然而,植株不规则的几何特性导致了其复杂的光辐射过程。目前在结构参数的获取方法上过于依赖人工测量和判断,而三维激光扫描可瞬时高效地采集点云信息,因此在获取植株表型特征上具有独特的优势。本文使用手持式激光扫描仪采集了四种代表性植株的稠密点云,提出了一种快速计算叶方向分布的方法。通过将激光点云计算的准确的叶倾角分布代入到辐射传输模型的中间函数中,在一定程度上提高了模拟的精度。本文主要的研究工作总结为以下几点:(1)提出了一种基于点云快速计算叶方向分布的方法。通过将点云数据在球面空间中建立采样网格,然后根据观测角和叶倾角来定义坐标,查找并构建三角形,根据三角面片计算得到叶向分布的概率密度函数。对四种形态各异的植株进行激光扫描,并采用了三种方法计算叶倾角分布,以验证本方法的准确性,发现基于点云自动计算方法与实际建模相似度可达0.9以上。(2)基于点云建模准确计算的结构参数代入到解算的中间函数中,以减少模拟的误差,提出了一种新的简化计算方法。并且与经典的sail模型进行对比,减少了消光系数和散射系数的解算过程中产生的误差。通过局部和全局敏感性分析两种方法,分析了 sail模型和本文简化模型的各个参数在模型计算时的敏感程度,证明了本文改进方法的意义和价值。(3)将四种实验对象的实测光谱数据与sail模型模拟的光谱、本文改进方法所模拟的光谱数据进行了多角度观测的对比分析,验证了本文所提出的方法在实际应用中的改进程度。从整体相似度来看,改进后的相似度略有所提升,说明准确估计方法相对于传统椭球估计方法能有效提高反演时的精度;从多角度对比来看:结构参数对于光谱的影响在主方向上最为显著,垂直于主平面最弱,其它平面介于前两者之间,植被叶绿素吸收波段,如蓝450nm、红670nm,具有较强的光谱异性,结构参数的影响尤为突出,而近红外860nm由于高透射和多次散射特性,削弱了光谱的各向异性,改进程度并不明显。通过本文的研究,证明了利用激光快速获取植株表型参数的可行性,并成功利用准确结构参数解决辐射传输中的难点问题。

关键词：叶方向分布激光点云 sail模型辐射传输模型

呼伦贝尔温带草地PAR分量变化规律及FPAR/LAI模型的验证

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呼伦贝尔温带草地PAR分量变化规律及FPAR/LAI模型的验证

作者：李瑾甘肃农业大学

学位级别：硕士

本文以呼伦贝尔草原羊草(Leymus chinensis)为对象,研究了羊草草甸草原PAR分量变化规律,并对温性草原类草地FPAR/LAI模型进行验证,结论如下:1)在生长季6月初-9月下旬,PAR和APAR季节变化均呈减小趋势。PAR波动较大,在25-58 mol/m2;APAR则... 详细信息

本文以呼伦贝尔草原羊草(Leymus chinensis)为对象,研究了羊草草甸草原PAR分量变化规律,并对温性草原类草地FPAR/LAI模型进行验证,结论如下:1)在生长季6月初-9月下旬,PAR和APAR季节变化均呈减小趋势。PAR波动较大,在25-58 mol/m2;APAR则在17-34 mol/m2波动。FPAR随季节推移呈增大趋势,波动范围在0.46-0.77,最大值出现在8月下旬,可达0.77。2)晴天冠层反射率在中午12点前后最低而早晚值较高。土壤反射率日变化6月波动较大,在层入射PAR、反射PAR、透射PAR和土壤反射PAR日变化均呈较标准正弦曲线。APAR日变化趋势和入射PAR基本一致。6月、7月至8月中旬,晴天FPAR日变化呈较标准的余弦曲线,变动幅度为0.60,9月变动幅度仅为0.13,几乎趋于常数。3)在400-700nm波段的反射率和透射率都很低,在450nm(蓝光)和660nm(红光)附近形成两个吸收谷,在约550nm黄绿波段附近形成比较小的反射峰,即“蓝边”、“红谷”和“绿峰”;以680nm为中心的反射率极小值过渡到从800nm开始的反射峰,其间存在的拐点所对应的波长为“红边”;光谱特性主要受叶片水分的影响,由于水分在1 450nm和1 940nm的强吸收特征,在这个波段形成2个主要反射峰,位于1 650nm和2 200nm附近。4)羊草冠层光谱曲线特征类似于叶片光谱曲线;当LAI很小时,冠层光谱曲线类似于土壤光谱曲线。随着LAI的增大,冠层光谱曲线特征越来越明显;对于同一时间、不同地区测量的羊草,因为土壤类型的差异,LAI大的冠层反射率不一定高。5)通过模型模拟FPAR/LAI和实测FPAR/LAI值的对比分析,对温性草原类草地FPAR/LAI模型进行了验证,R2分别为0.8634、0.8418和0.6408,说明该模型是适用的。

关键词：羊草光合有效辐射吸收性光合有效辐射光合有效辐射吸收比例叶面积指数 PROSPECT模型 sail模型呼伦贝尔