航空及航天遥感器的快速发展,使得多源、多时空分辨率的遥感数据成TB级增长,对海量遥感数据的高性能计算与处理提出了更高的要求。据此,当前的遥感应用已经吸收了新型硬件架构计算、集群计算和分布式计算等高性能计算领域的最新技术。本文针对高性能计算处理海量遥感数据的效率问题,分别从分布式并行遥感文件系统和高性能遥感地学计算模式两个方面来论述该问题的研究进展;在此基础上,列举了当前具有代表性的集群和分布式遥感计算平台/系统,并结合具体实验工作,详细阐述了遥感高性能计算平台gDos-IPM(Geospatial Data Operation System-Image Processing Machine)的设计思路;最后总结了高性能遥感地学计算的发展趋势。

InSAR 相位解缠是利用干涉合成孔径雷达(InSAR)数据,提取数字高程模型,进行精确差分干涉测量的关键技术之一。然而缠绕的差分相位信息在地形陡峭或者坡度变化较大区域的解缠结果会有较大的误差传递的问题,针对此问题将干涉图中的地形坡度表示为距离向和方位向的局部相位频率,利用局部相位频率估计地形坡度和推导缠绕相位梯度概率密度函数(PG-PDF)参数模型,并将参数模型作为非线性最小二乘相位解缠模型约束条件,平滑不满足要求的缠绕相位梯度,经过迭代求解得到的解缠结果可以在消除噪声的同时减少地形因素的欠采样对相位解缠结果的影响,提高相位解缠的精度。最后,利用欧空局ENVISAT ASAR卫星获取的干涉数据进行实验,验证了算法在解缠精度和对地形的适应性方面优于直接加权的相位解缠算法,在频域下顾及地形的方法能有效克服LS对于相位坡度欠估计的缺点,具有较高的精度和稳定性,能够有效地考虑地形坡度的影响,抑制误差传递。

本文采用PARcalc算法,并以C#和ENVI/IDL二次开发语言,设计了主要以MODIS产品为驱动的光合有效辐射估算系统。鉴此,比较了IDL和ArcGIS Engine两者的技术特点,设计了IDL与ArcGIS Engine共存、多种开发环境相结合的技术方案。同时,对模型参数置备、光合有效辐射估算、模型分析等模块的功能,以及多种语言混合编程、数据分块处理、瞬时及日光合有效辐射批量计算等关键技术进行了分析。最后,以内蒙古地区作为研究区,估算了该区2007全年和四季的总光合有效辐射及日均光合有效辐射,并对其特征值作了对比分析。结果表明,对研究区域尺度光合有效辐射的定量化计算具有一定的参考价值。

运用消除趋势波动分析方法和GIMMS数据集,研究大兴安岭1982-2006年NDVI长程相关性,揭示了大兴安岭NDVI动态的时间尺度特征,为气候-植被综合模型中时间尺度特性分析提供依据。主要结论有:(1)NDVI是一个复杂的动力系统,其动态过程受到多个因素和过程影响,NDVI可能存在多种不同的时空尺度。(2)一阶消除趋势波动分析可以避免忽略较小时间尺度特征,适合应用于15d分辨率的时间序列;大兴安岭NDVI在2-15个月内有较强的长程相关性;表明NDVI动态过程不是随机序列,是一个由内在自相似机制决定的长程相关过程;(3)随着时间的推移,NDVI动态时间特征发生变化,大兴安岭各生态地理区标度指数都存在"拐点",其出现时间在6.5-8.5个月之间,北段西侧与南段"拐点"出现时间比北段和中段早1-2个月。在较小时间尺度内,NDVI呈现出接近1/f噪声特点,在较大时间尺度上,NDVI具有长程幂律相关性,不同生态地理区NDVI持续性强度有差异。

目前,图像获取设备及方式呈现多样化趋势,获取的图像数量、重叠度等不完全具备传统摄影测量方法应用的需求。若要获取图像中包含的丰富场景几何信息,就需要发展依赖图像刻画内容的相机自标定方法,建立起图像与现实场景之间的桥梁。故此,本文提出了利用单幅图像中几何约束条件的相机自标定方法,并顾及多个几何特征约束,根据方差合理地为其设定不同的权重,以提高相机的标定精度。本文总结了现有现实场景中几何特征及可由其求解而得的相应不变量,以及几何特征对相机内参的约束关系。在对图像刻画场景中多个平面及几何特征进行编码的基础上,利用不同组合的几何约束条件求解相机内参,根据多次提取每一种几何特征组合求解内参的方差确定本次计算内参所占权重,综合每一组几何特征所确定的内参及其权重综合计算最终的相机内参值,从而实现多几何约束相机自标定方法。通过室内外场景验证测试,结果证明,本方法具有可用性、便捷性和较好的鲁棒性。

土壤水分是一个重要生态参量,以被动微波反演土壤水分,不受天气影响,且其算法成熟。但是星载被动微波数据的空间分辨率较低,可适合大区域尺度研究。本文将1km分辨率光学数据MODIS和25km分辨率被动微波数据AMSR-E2级土壤湿度产品结合,利用NDVI-Ts特征空间,去除植被影响,结合前人提出的裸土蒸散模型,将研究区被动微波土壤湿度数据分解,得到1km分辨率土壤体积含水量。将其反演结果与1km温度植被干旱指数(TVDI)进 行趋势和数值比较,其相关性达到0.569。同时,利用实测样点的土壤重量含水量,与得到的1km分辨率土壤体积含水量数据进行比较,其增减趋势一致,结果具有可信度。但对定量结果尚需进一步验证和提高。

为了获取城市尺度组分温度,实现城市水热平衡的高精度反演,探索了一种多波段热红外遥感影像的城市尺度组分温度反演算法。算法选取了植被、土壤和不透水表面等3种组分,并且针对ASTER数据,利用线性混合像元分解方法获取像元平均比辐射率,以MODIS近红外数据估算大气水汽含量和大气透过率,采用牛顿迭代法获取大气平均温度,并用最小二乘原理获取地表组分温度。最后,应用长沙市区的实验影像进行了实验研究,通过纯净像元上组分温度反演结果与分裂窗算法反演结果的对比分析,以及组分温度反演结果与实测数据的对比分析,对算法的精度进行了验证,结果表明:(1)纯净像元上,组分温度反演结果与分裂窗算法反演结果具有较好的相关性,植被组分相关性最高,达0.9796,2种结果平均绝对偏差值为0.36℃;(2)组分温度反演结果与实测组分温度绝对偏差范围为0.2~1.4℃,植被组分温度与实测值偏差相对较小,不透水表面组分温度与实测值偏差相对最大。

本文以地震极重灾区2006、2008和2011年3期Landsat TM遥感影像为数据源,利用GIS提取灾区土地利用信息,结合坡度和高程等地形因子对灾区主要生态系统面积的变化进行综合分析。结果表明:2008年地震对灾区生态环境造成严重破坏,使研究区农田、森林和草地生态系统分别减少了124.6km²、461.6km²和92.3km²,其中,农田在北川、青川和平武的面积减少量最大,汶川森林面积减少了285.5km²;各生态系统在不同的高程和坡度下受地震影响程度存在很大差异;至2011年,灾区受损生态环境受自然演替和人工修复干扰影响,农田、森林和草地生态系统有所恢复,面积分别增加了82.8km²、58.3km²和174.9km²,其中,草地面积增加量超过受地震破坏损失量,但灾区生态系统整体恢复效果不理想,还需要采取进一步的生态恢复措施。

细粒子气溶胶物理和光学参数定量卫星遥感反演一直是环境和气候领域研究人员关注的重要课题。气溶胶参数卫星业务遥感产品主要是反演气溶胶光学厚度,它体现大气中气溶胶总含量的信息,而获取气溶胶谱分布函数有助于进一步了解气溶胶物理特性,并提高气溶胶其他参数的遥感探测精度。目前,陆地气溶胶卫星反演面临两个关键问题:一是气溶胶模式;二是地表反射贡献的去除,偏振遥感在这两方面有其独有的优势。本文以多角度偏振方法,采用RT3辐射传输模型建立矢量查找表,利用法国PARASOL探测器一级数据反演了京津唐地区的细粒子气溶胶光学厚度和谱分布参数,并使用AERONET地基观测数据对反演结果进行验证,结果表明:偏振方法能较高精度地实现细粒子气溶胶光学厚度反演,而谱分布的反演还需进一步改进。

尺度效应往往会制约着定量遥感反演的精度,对地学信息进行空间尺度转换是生产实践的必然要求,而常用的尺度转换模型多利用光谱数据进行差值计算,不适合升尺度和降尺度转换。由于土壤含水量数据具有区域变化量的随机性和结构性特点,本文以15m分辨率的ASTER图像像元为基本单元,采用点克里格法完成ASTER 15m至7.5m分辨率的土壤含水量数据降尺度转换,从分维数的相似程度上来看,转换结果是合理的;并利用块状克里格法对地面实测样点数据进行点到7.5m分辨率的面数据升尺度转换,将升尺度和降尺度转换结果与实测样点均值相比较,结果表明:7.5m分辨率的实测样点土壤水均值误差在1.5782-5.019之间,块状克里格法获取的升尺度土壤含水量数据与点克里格法获取的降尺度土壤含水量数据之间误差则为1.2825-5.0481,可见克里格法考虑了点与周边的关系,所获得的土壤含水量值要优于未考虑空间异质性的土壤含水量平均值。

本文利用2008-2011年HJ-1B/CCD可见光-近红外数据,以及HJ-1B/IRS热红外数据,采用遥感算法反演北京市地表温度,并用MODIS地表温度产品对反演结果进行了初步验证。同时分析了北京市热岛效应的年际、年内变化趋势。另利用热场变异指数分析其空间分布特征,以及NDVI、NDBI与城市下垫面对热岛效应的影响。结果表明:(1)2008-2010年北京市热岛强度总体呈上升趋势,2011年有所缓解,4年热岛强度分别为:5.2℃、5.2℃、9.2℃、8.2℃;(2)北京市2010年四季存在明显热岛现象,夏季最强,春、秋次之,冬季最弱,四季热岛强度分别为8.2℃、9.4℃、9.2℃、4.3℃;(3)2008-2011年北京市热岛空间分布特征表明,房山区和大兴区的南部热岛效应逐年缓解,2011年昌平区热岛效应比前3年明显,植被和水体形成城市冷岛;(4)地表温度与NDVI呈明显负相关,与NDBI呈正相关,城市热岛效应与下垫面类型存在明显相关性。

本研究以遥感分析北京城市绿地对地表温度的影响,研究包括绿地提取、绿量估算、地表温度反演,地表温度和绿量相关分析。并以高精度Rapid Eye遥感影像,提取了五环内的绿地面积(197.3km²,占城区总面积的29.6%),且估算绿量总值为2450.7km²。同时用2009年7月20日的Landsat5 TM 6波段数据进行地表温度反演,低温区、中温区、次热岛和热岛区域所占的五环内城区面积的比例分别为12.3%,34.7%,40.4%和12.6%。绿量和地表温度呈负相关关系:y=-1278.7x+60650,城市绿地可以使城区平均温度降低2.6℃。

本文以1990、1995、2000、2005年的上海市土地利用遥感监测数据为基本数据源,分析了1990-2005年上海市城市空间扩展 的时空特征。同时利用SLEUTH模型对城市空间扩展进行了模拟和精度验证,并对未来30年上海市城市空间扩展进行了预测。结果显示:1990-2005年,上海市城市空间扩展明显,城市面积净增加81 278hm²,净增长10.14%;在扩展的时间过程上呈现先减缓后加剧的趋势,2000-2005年城市用地扩展最为剧烈,城市面积净增加40 668hm²,净增长5.08%,填海造陆是该时期城市扩展的典型特征。SLEUTH模型可以较好地模拟预测上海市城市空间扩展的时空过程,不同时期模拟与遥感监测结果的Kappa系数最高达到了0.8476;未来30年,上海市城市用地将以年平均增长率1.63%的速度扩展,2040年城市用地面积将达到152 685hm²。城市扩展将占用耕地41 824hm²,年平均占用耕地1200hm²。城市扩展的方式主要是边缘增长,东部的浦东新区沿五洲大道向海方向、南部的徐汇区沿沪闵高架路向南,以及西部的嘉定区和青浦区沿京沪高速两侧向西的地区 均是未来城市扩展的主要方向。

全球及区域尺度的土地覆盖数据是陆地表层过程研究的重要基础。土地覆盖遥感制图是全球变化和区域可持续发展研究重要的支撑数据,制图精度评价对于数据生产者和数据用户都具有非常重要的意义。2011年在鄱阳湖地区的野外考察共采集包括定点验证、GPS以及解译标志3种类型的土地覆盖样点321个,本文利用剔除了时间差异影响后的287个土地覆盖样点,将样点的实际土地覆盖类型与遥感制图中相应位置的土地覆盖类型进行对比,并利用分层次评估法,即分别在土地覆盖一级类和二级类两个尺度上,采用正确得1分,错误得0分的计分方法,对2005年中国1:25万土地覆盖遥感制图在鄱阳湖地区的精度进行实地验证。结果表明:(1)在土地覆盖一级类型尺度上总体的制图精度为61.67%。其中,湿地/水体的制图精度为100%,农田的制图精度为98.4%,森林的制图精度为80.0%,聚落和草地的精度均低于20%。(2)在二级类型尺度上总体的制图精度为44.25%。其中,2个草地和3个森林及1个农田的二级类型的分类精度为0,旱地、城镇建设用地和农村聚落的分类精度也很低,分别为21.1%、29.0%和1.7%。实地调查发现,2005年左右的全国1:25万土地覆盖遥感制图基本上反映了鄱阳湖地区的土地覆盖状况。但是,对于一些具有过渡性质的土地覆盖类型,如森林和草地等,仅依靠遥感技术准确识别区分仍有一定的难度。

将地学知识与影像标定相结合,一直是目视解译或计算机自动分类制图的主要手段。传统的目视解译方法能够充分利用地学知识,但需要大量的人力、物力,效率较低;计算机分类中尚未出现比较成熟的高效运用地学知识的分类方法。已有研究表明,分类样本可以作为地学知识的载体,将地学知识融入分类过程中;此外,无监督聚类可以显著提高样本选取的效率,有助于提供足够的样本,为将地学知识高效地融入计算机分类提供了一定的基础。本文提出一种以前期土地利用数据辅助与影像聚类相结合的样本自动选取方法。利用自动选取的样本,通过最大似然分类器对TM影像进行分类,并与手动选取样本分类的方法进行了对比分析。研究结果表明,在分类效果上,本文提出的前期土地覆被辅助下的分类样本自动选取方法,优于手动选取样本的方法,提高了分类效率。在水体、林地、园地、城镇建设用地等7种类型上的分类整体精度达到84.18%,kappa系数为0.8066;手动选取样本进行分类的整体精度为77.04%,kappa系数为0.7196。

森林植被信息提取是遥感影像分类中的难点,仅利用光谱信息难以提取森林植被的类型,本文以门头沟区森林植被占主要土地覆被类型为研究对象,选择HJ-1影像面向对象提取不同地物信息。由于研究区地形复杂,采用多尺度分割方法,对不同地物设置不同分割参数,实现不同地物分层提取。根据光谱、纹理及几何等特征选择合适的特征参数,构建隶属度函数,逐级提取研究区的土地覆被类型,并与传统的最大似然法进行对比。结果表明:面向对象的分类方法在门头沟区森林植被二级信息提取的精度为83%,与传统方法相比有了较大的提高。

海面溢油对海洋生态的影响具有频率高、范围广和危害大的特点。卫星遥感已成为海面溢油监测的重要手段。本文从海面油膜光谱特性出发,与常用的光学卫星传感器建立对应关系,根据对不同光学遥感卫星的空间分辨率、时间分辨率、幅宽和波段数等主要物理参数的对比分析认为,MODIS传感器和HJ-1卫星有较强的海面溢油监测能力。故此,采用MODIS、BJ-1、HJ-1和FY-3光学卫星影像,对2006年3月和2011年6月渤海海面溢油污染事故进行了遥感监测。MODIS遥感图像可以清晰反映出2006年和2011年这2次溢油污染事故中海面油膜信息,HJ-1卫星遥感影像则能反映出2011年溢油污染事故中海面油膜信息,而BJ-1和FY-3卫星遥感影像不能反映出海面油膜信息。HJ-1、BJ-1和FY-3卫星在波段设置上相似,但是,BJ-1和FY-3卫星不能反映出油膜信息,所以,本文进一步对这2次溢油事件中的MODIS遥感影像的油水光谱反差和海水光谱方差进行计算,并对结果进行比较分析,实验结果表明,当MODIS某一波段的海水光谱方差小于油水光谱反差时,则该波段可以显示出油膜信息;而当油水光谱反差小于或接近海水方差时,则不能反映出海面油膜信息。从波谱响应、空间分辨率和时间分辨率,以及监测实例中说明MODIS传感器有较强的海面溢油监测能力。

海面溢油对生态环境造成了严重危害,故及早发现和尽快处理对降低事故影响和经济损失起着至关重要的作用。合成孔径雷达(SAR)是观测海面溢油、快速检测和事故态势分析判断的有效技术途径。本文针对SAR图像的海面溢油检测,提出了一种特征概率函数的双阈值分割方法。首先,通过高低阈值分割提取不同层次的灰度信息,再利用密度估计提取灰度的空间分布信息,然后,通过构建概率函数对油膜和类油膜区域进行形态学分类,最后,结合辅助信息,获得最终的海面溢油检测结果。本文利用香港中文大学卫星地面站接收的ENVISAT ASAR图像开展实验,结果表明,本文提出的方法能够准确地排除由风场或者水流场导致的低散射区域,有效地检测和识别生成不久的中型油膜,从而有助于溢油事故的早期预警与处置。

海岸工程对海岸带经济发展和生态环境影响很大。随着海岸工程建设迅猛的发展,采用遥感的方法对海岸工程变化进行遥感监测显得尤为重要。本文以北京一号小卫星(BJ-1)资料为数据源,利用多种变化监测的方法对天津港和曹妃甸港区2006年和2010年的海岸工程变化进行监测。结果显示,波段替换法与SVM分类相结合的方法在2个重点研究区域精度最高,其总体精度和Kappa系数分别为92.35%和0.7902;面向对象的方法精度和稳定性其次,其总体精度和Kappa系数分别为91.77%和0.7732。

传统的图像分辨率降低主要是通过图像重采样实现的。多进制小波是近年来发展的小波分析理论的一个新的分支,它在正交性、紧支性、光滑性方面都优于二进制小波。本文首先介绍图像分辨率定量降低的需求与传统的图像分辨率降低方法;然后,以多进制小波的时频多分辨率特性,把多进制小波变换应用于定量降低图像分辨率,并用三进制小波变换进行了图像分辨率降低实验,提取三进制小波的低频分量作为降低分辨率后的图像;最后,通过与常用的图像重采样方法,如最临近法、双线性插值法及其衍生的邻域平均法的结果进行定性与定量评价,结果表明多进制小波在图像分辨率定量降低方面具有明显的优势。