最新刊期
      2018 年 第 22 卷 6 期

        偏振遥感

      • 晏磊,顾行发,褚君浩,尤政,刘世元,Hugh Motimor,V. Chandrasekar
        2018, 22(6): 901-916. DOI: 10.11834/jrs.20187380
        摘要：随着航空航天高分辨率观测手段的逐步成熟，定量遥感在有效解决了光学地表多尺度效应后，更高分辨率的光学偏振效应在地表、大气、仪器3大要素方面逐步全面凸显出来，并直接决定或影响高分辨率观测系统的定量遥感效能实现和质量保障。例如，植被冠层极其微弱的多次散射反射偏振效应，如果不加扣除其模型误差达到136%；大气衰减本质是大气偏振效应，是遥感反演的最大误差源，误差达到5%—30%，偏振手段扣除大气误差目前已可以降低一半以上的误差；观测仪器扣除多次散射透射偏振光后，可以实现5 nm分辨率下0.1—0.3 nm高光谱定标能力，并借助偏振强化光噪声分离出中心波长偏移和带宽退化的误差根源。借助偏振“强光弱化，弱光强化”，能够实现稳定度达10−8月球辐亮度基准观测，为遥感辐亮度定标不确定度由7%到1%—2%跨越提供可能。  
        关键词：高分辨率定量遥感;偏振光效应;地表偏振效应;大气偏振效应;仪器偏振效应;偏振遥感   
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        发布时间：2021-06-07
      • 尤政,赵开春
        2018, 22(6): 917-925. DOI: 10.11834/jrs.20187379
        仿生偏振特征感知与导航信息融合的空间态势感知系统
        摘要：偏振成像技术已经成为有效提升空间遥感信息应用能力的有力工具。通过模拟自然界的昆虫、鸟类及鱼类偏振视觉系统的信息感知与高精度导航机制，探索基于仿生偏振视觉环境信息感知与位置姿态测量中的科学问题。构建基于偏振成像目标特征与导航信息融合的仿生态势感知系统，建立了仿生信息感知与导航解算模型，提出基于生物偏振视觉的仿生信息感知与导航的信息融合与误差分析关键算法，设计实现一种空间环境特征感知及导航信息融合的态势感知系统原理样机，数据更新率高于25 Hz，角度测量重复精度优于0.05°。  
        关键词：偏振探测;态势感知;仿生视觉;信息感知;位姿测量   
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        发布时间：2021-06-07
      • 褚君浩,胡志高
        2018, 22(6): 926-934. DOI: 10.11834/jrs.20187384
        摘要：光的偏振信息在当前快速发展的光电子学和光学研究中是缺失的，利用偏振特征不仅可以提取探测物和研究对象的额外信息，而且延伸了探测的维度和提高了灵敏度。本文主要从基础研究和应用研究两个方面分析讨论红外偏振效应测量技术及红外遥感的若干进展，期望从不同的角度来考察偏振效应所带来的潜在应用。在上述背景下，本文介绍了红外椭圆偏振光谱技术及其在探测无机和有机薄膜体系光学性质的应用，并且归纳了红外偏振光学仪器理论及相关进展，特别是在空间遥感上的应用潜力。  
        关键词：红外;偏振;椭圆偏振光谱;遥感   
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        发布时间：2021-06-07
      • 杨彬,晏磊,Yuri Knyazikhin,刘思远
        2018, 22(6): 935-946. DOI: 10.11834/jrs.20187377
        植被冠层立体结构与叶片倾角的偏振光效应
        摘要：植被偏振特性研究对于植被监测与组分定量反演具有极其重要的作用。植被冠层的反射辐射具有偏振特性，这种特性与入射辐射和植被冠层结构相关。本文分析了偏振对光子—叶片—冠层之间细微相互作用及其变化的有效探测能力，并利用研究型扫描式偏振辐射仪RSP(Research Scanning Polarimeter)数据系统对比分析了偏振对不同叶倾角分布的估测。通过上述研究得出以下结论：(1)偏振观测能够对光线在冠层立体结构中的透射反射再出射过程给出精细刻画，若不用偏振手段对这一过程进行甄别并去除，则直接测算的植被散射系数会产生高达140%的误差；(2)利用偏振手段可以为高精度大倾角、多时相遥感观测提供可能，以此可改变目前光学遥感小角度、垂直观测的较严格约束；(3)偏振辐射呈现出随波长的稳定特性(相关系数>0.96)，使得利用偏振手段可以更好地研究冠层结构；(4)不同叶倾角分布对入射辐射存在不同的偏振反射，为利用多角度偏振信息进行遥感植被精细分类提供了新的途径。本文详细描述冠层结构和植被偏振特性的相互作用，通过对冠层立体结构与叶倾角的研究，刻画了植被定量遥感的方向性信息与高精度实现，为高分辨率遥感定量化的有效信息挖掘提供了新手段。  
        关键词：入射观测几何;冠层立体结构;叶倾角;偏振光效应;RSP;高分辨率遥感   
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        发布时间：2021-06-07
      • 孙仲秋,赵云升,卢珊,吕云峰
        2018, 22(6): 947-956. DOI: 10.11834/jrs.20188173
        摘要：本文基于菲涅尔反射公式，结合现有的偏振反射模型对单叶与植被多角度偏振测量结果与理论结合进行分析；通过研究发现，偏振反射在前向散射方向可以通过菲涅尔反射公式进行解释，但是，在后向散射方向则需要考虑其他物理机理。此外，传感器获取的植被偏振信息既可以作为一种“噪声”来剔除，剔除后在可见光波段将相对误差从原来的30%降低到20%以内，又可以作为额外有效的信息源表征植被的结构特征：通过模型参数的大小判断冠层形态的平整程度。本文可以作为植被偏振探测的系统化方法，并且给出植被固有的偏振反射效应规律，即植被越平展光滑，产生的偏振信息越多；同时也将偏振光遥感在植被监测中的有效性凸显出来，即偏振信息的剥离有助于提升双向反射模型的计算精度。  
        关键词：偏振遥感;多角度遥感;植被;双向反射模型;镜面反射   
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        发布时间：2021-06-07
      • 赵海盟,刘思远,李俊生,吴太夏,Jouni Peltoniemi,黄文韬,晏磊
        2018, 22(6): 957-968. DOI: 10.11834/jrs.20187376
        摘要：在光学遥感中，水的强烈镜面反射性和角度选择性使探测器饱和或反射率过低而难以提取有效信息，雪的强反射性和表面敏感性使传感器难以直接探测，植被指数在不同反射强度下的敏感性对经典植被监测方法的精度和有效性提出挑战。偏振手段可大大提高水、雪和植被的遥感识别能力。本文利用地物遥感偏振光效应的高信息—背景反差比滤波特性，解决光学遥感中水、雪的不可测量问题，以及破除植被强光反射条件下无法精细监测的瓶颈。本文从偏振高信息—背景反差比滤波特性理论出发，通过实验证明偏振手段可有效提升水的信息—背景反差比、剥离70%以上的太阳耀光，为强反射特性下的积雪遥感提供必要方法，并最高降低78%的植被监测误差。本文首次推导证明了偏振探测高信息—背景反差比滤波特性机理，在理论指导和实验深化引导下解决了光学遥感中水、雪因探测器饱和而无法测量的问题，并破除了强反射条件下植被无法精细监测的瓶颈。  
        关键词：偏振;信息—背景反差比;滤波特性;水;雪;植被   
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        发布时间：2021-06-07
      • 褚金奎,关乐,李世奇,张然,金仁成,崔岩,王立鼎
        2018, 22(6): 969-979. DOI: 10.11834/jrs.20187367
        大气偏振模式图分布及仿生偏振导航技术
        摘要：大气偏振效应不仅可应用于高分辨率定量遥感，其偏振场模式图还可作为偏振导航的信息源。大气偏振场模式图在不同时空与天气条件下对偏振传感器的导航精度有重要影响，天空偏振场图的精确获取与建模、测量精度与误差分析是研究的重要内容。本文从大气偏振模式图的分布和偏振导航传感器两方面介绍仿生偏振导航技术的研究进展。首先介绍瑞利散射理论、米氏散射理论和基于矢量传输方程的偏振模式图光场分布理论，总结了不同方法的适用范围；其次分别介绍日光和月光、陆地和海洋等不同时间、空间环境以及不同天气条件下的偏振模式图分布测试结果，并对比分析了理论仿真与测试结果的异同，同时又介绍了基于云解算的偏振模式图精度测试误差分析；最后通过介绍偏振导航传感器装置的发展历史和研究成果，指出偏振导航应用于组合导航中的广阔前景。目前，本课题组已研制的偏振光导航传感器室内精度可达0.1°，验证了天空偏振光场模式图的客观有效性，为高分辨率偏振遥感技术提供了技术证明。  
        关键词：大气光学;偏振光场;仿生导航;偏振导航;组合导航   
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        发布时间：2021-06-07
      • 吴太夏,童庆禧,Petri Pellikka,张淳民,晏磊
        2018, 22(6): 980-988. DOI: 10.11834/jrs.20187365
        摘要：随着中国多颗偏振遥感器搭载发射，偏振遥感成为对地观测领域一个新的增长点以及研究热点。由于大气散射具有较强的偏振效应，大气与地表偏振信号的分离是偏振对地进行有效观测和应用的一个现实问题与难点问题。本文利用晴空中有规律的偏振分布以及大气偏振中性点的性质，对利用大气中性点的偏振效应进行地表—大气偏振信息分离的可行性进行了论证。通过对大气中性点在辐射传输过程性质的计算，得出Babinet大气中性点区域的偏振效应以及基于Babinet中性点区域进行偏振对地观测的基本方法，研究重点阐述了从航空遥感和航天遥感两个层面对如何将大气中性点应用于遥感观测进行了讨论。结果表明：(1)Babinet中性点相比于其他两个中性点，更适合于偏振遥感对地观测中地—气偏振参量分离；(2)航空遥感搭载偏振传感器在Babinet中性点区域进行地表探测可以消除大气偏振，突出地物偏振信息，有效进行地—气偏振参量分离；(3)在太阳同步轨道的卫星遥感影像上能够有效识别偏振中性点区域；研究成果有效分离高分辨率偏振遥感地物反演中的大气偏振耦合效应，实现地表偏振反射信息最大化，对于偏振遥感的大气校正以及定量化水平的提升具有实践意义。  
        关键词：偏振;遥感;大气中性点;机理;对地观测   
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        发布时间：2021-06-07
      • 陈伟,李延飞,吴太夏,关桂霞
        2018, 22(6): 989-995. DOI: 10.11834/jrs.20187378
        摘要：太阳光入射与地表、大气相互作用，会在天空中出现较为稳定的天空偏振模式图，即以太阳为中心，天空中的偏振信号呈现一定的规律分布。影响天空偏振模式图的强度及形态主要由地表反射性质、空气分子散射性质及气溶胶光学性质共同影响。本研究利用矢量辐射传输模型，以海洋下垫面为例，在获取沙尘非球形与煤烟非球型气溶胶单次散射性质的基础上，模拟了不同气溶胶光学厚度情况下的全天空偏振模式图。结果表明，天空以太阳入射方向为中心呈现一个较为稳定的天空偏振模式图。沙尘型散射气溶胶光学厚度的增大会减弱该模式图的强度，而煤烟型吸收气溶胶光学厚度的增大会增大该模式图的强度。利用双模态(沙尘型与煤烟型混合)气溶胶模型，系统分析不同气溶胶比例情况下的天空偏振模式图，结果表明全天空偏振模式图的基本模态依旧存在，但是其强度受气溶胶模型与光学厚度双重影响。因此在利用全天空偏振模式图进行气溶胶光学性质反演时需要注意气溶胶模态信息的选择。  
        关键词：偏振;偏振场;气溶胶;偏振模式图   
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        发布时间：2021-06-07
      • 陈震霆,孙晓兵,乔延利
        2018, 22(6): 996-1004. DOI: 10.11834/jrs.20187366
        PARASOL/POLDER3卫星数据的海洋上空云检测
        摘要：在卫星海洋遥感中，云作为海气耦合系统最重要的调节器之一，其检测结果对海洋上空云微物理特性的反演精度有较大影响。因此，快速而准确识别海洋上空的云像元是卫星遥感数据处理过程中首要解决的关键问题。以PARASOL (Polarization and Anisotropy of Reflectances for Atmospheric Sciences coupled with Observations from a Lidar)卫星搭载的POLDER3载荷遥感数据为研究对象，提出一种改进的海洋上空云检测方法。首先剔除海洋耀光；接着利用有云与晴空区近红外反射率差异检验识别有云像元，并利用偏振反射率检验进一步识别低反射率的云像元；然后利用近红外与可见光反射率比值检验识别晴空像元；最后建立多角度云检测结果空间融合规则，重新标记有云、晴空和未定像元。以印度洋海区为例进行实验分析，将云检测结果与Buriez方法进行对比，发现检测精度基本相当，而有云像元的识别速度却平均提高约3倍。结果表明：该方法能有效的检测出海洋上空的云像元，满足业务化数据处理的高精度及时效性要求，为后续云微物理特性反演提供可靠的数据源。  
        关键词：云检测;POLDER3载荷;偏振反射率;多角度空间融合;近红外   
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        发布时间：2021-06-07

        综述

      • 沈文娟,李明诗,黄成全
        2018, 22(6): 1005-1022. DOI: 10.11834/jrs.20187089
        摘要：时空意义明确的森林干扰和恢复信息是评价森林生态系统碳动态的关键因素之一。然而由于诸多的现实困难，多尺度的森林干扰定量化时空信息相对缺乏。Landsat数据具备光谱、时间和空间分辨率上的优势，以及可以免费获取的特点，使其成为主要的长时间序列动态监测的遥感数据源之一，为长时间周期内提供具有合适的空间细节和时间频率的森林干扰信息成为可能。特别是基于Landsat时间序列堆栈(LTSS)的森林干扰自动分析算法的出现，更为森林生态系统的近实时监测提供强有力的工具。本文全面评述了长时间序列遥感数据准备和预处理技术以及国内外基于遥感数据源的多时相森林干扰监测方法，重点分析了基于Landsat的多种指数监测和自动化方法的优缺点，并总结了其与多源数据结合的扩展应用，最后就现有方法与国内外新的数据、技术手段的关联进行了展望，以期为推广中国本土卫星影像应用于森林干扰监测提供理论借鉴。  
        关键词：森林干扰;Landsat;长时间序列;多源数据;变化监测算法   
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        发布时间：2021-06-07

        遥感应用

      • 郭文茜,任建强,刘杏认,陈仲新,吴尚蓉,潘海珠
        2018, 22(6): 1023-1041. DOI: 10.11834/jrs.20187468
        统计数据总量约束下全局优化阈值的冬小麦分布制图
        摘要：大范围、长时间和高精度农作物空间分布基础农业科学数据的准确获取对资源、环境、生态、气候变化和国家粮食安全等问题研究具有重要现实意义和科学意义。本文针对传统阈值法农作物识别过程中阈值设置存在灵巧性差和自动化程度低等弱点，以中国粮食主产区黄淮海平原内河北省衡水市景县为典型实验区，首次将全局优化算法应用于阈值模型中阈值优化选取，开展了利用全局优化算法改进基于阈值检测的农作物分布制图方法创新研究。以冬小麦为研究对象，国产高分一号(GF-1)为主要遥感数据源，在作物面积统计数据为总量控制参考标准和全局参数优化的复合型混合演化算法SCE-UA (Shuffled Complex Evolution-University of Arizona)支持下，提出利用时序NDVI数据开展阈值模型阈值参数自动优化的冬小麦空间分布制图方法。最终，获得实验区冬小麦阈值模型最优参数，并利用优化后的阈值参数对冬小麦空间分布进行提取。通过地面验证表明，利用本研究所提方法获取的冬小麦识别结果分类精度均达到较高水平。其中冬小麦识别结果总量精度达到了99.99%，证明本研究所提阈值模型参数优化方法冬小麦提取分类结果总量控制效果良好；同时，与传统的阈值法、最大似然和支持向量机等分类方法相比，本研究所提阈值模型参数优化法区域冬小麦作物分类总体精度和Kappa系数分别都有所提高，其中，总体精度分别提高4.55%、2.43%和0.15%，Kappa系数分别提高0.12、0.06和0.01，这体现出SCE-UA全局优化算法对提高阈值模型冬小麦空间分布识别精度具有一定优势。以上研究结果证明了利用本研究所提基于作物面积统计数据总量控制以及SCE-UA全局优化算法支持下阈值模型参数优化作物分布制图方法的有效性和可行性，可获得高精度冬小麦作物空间分布制图结果，这对提高中国冬小麦空间分布制图精度和自动化水平具有一定意义，也可为农作物面积农业统计数据降尺度恢复重建和大范围区域作物空间分布制图研究提供一定技术参考。  
        关键词：遥感;作物分布制图;阈值法;总量控制;全局优化算法;冬小麦   
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      • 黄星旻,孙圆,刘慧倩,刘方舟
        2018, 22(6): 1042-1050. DOI: 10.11834/jrs.20187404
        多回波点云数据解算单株木叶面积指数
        摘要：以行道树无患子为研究目标，采用地面激光扫描(TLS)技术提取单木分回波点云数据。获取全波形数据、单目标数据、首次回波数据、其余次回波数据，建立基于多回波点云的算法，利用消光系数法提取不同投影分辨率0.01 m、0.02 m和0.03 m的的单株树叶面积指数(LAI)。利用2维影像数据数字半球影像(DHP)和LAI2200提取对应单株树的叶面积指数，进行比较分析，以检验其精度。结果表明：点云投影的分辨率与激光回波都对LAI有极显著影响，其中分辨率为0.02 m和0.03 m的估算结果与LAI2200所得估算结果相近，且差异不显著；单目标回波数据用于LAI的解算，可以同LAI2200的2维影像数据结果进行相互验证。使用单目标回波数据，0.02 m投影分辨率可以最大程度的保证单株LAI的精度，其与LAI2200测定的数据进行截距为0的线性回归，斜率达到0.827。本研究所做多回波地面激光数据计算叶面积指数的算法拓展了地面激光扫描的应用领域，为立木生长量信息准确提取和树木精确建模提供了重要的技术参考。  
        关键词：多回波;地面激光扫描(TLS);叶面积指数(LAI);差异性分析   
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      • 张亦汉,乔纪纲,刘婉华,蔡思锐,丁倩欣,陈小微
        2018, 22(6): 1051-1059. DOI: 10.11834/jrs.20187145
        摘要：以广州市番禺区为研究区，构建了相应的城市扩张CA模型，从采样、邻域结构和微观元胞尺度等方面研究了CA模型的敏感性。首先通过改变模型采样比例、样本各个类别的比例等研究样本对模型参数的影响。然后分析不同的邻域结构与模型模拟精度的关系，并从微观尺度分析邻域元胞对中心元胞的影响。最后从空间尺度上分析CA模型在各种不同分辨率下的模拟结果，用景观指数剖析模拟结果的形态，同时在元胞摩尔邻域内分析其3×3邻域的城市发展密度变化情况。实验表明：(1)适当提高采样比例，会得到精度较高的权重，但训练样本中城市用地的比例应该与城市用地的转变量在全区的占比相匹配。(2)不论是采用摩尔邻域还是冯诺依曼邻域，模拟精度均随着空间尺度的增加而降低。在同一空间尺度下，采用摩尔邻域的模拟结果略好。相比冯诺依曼4个邻域元胞，摩尔邻域中的角点对中心元胞具有更大的影响。(3)随着空间分辨的降低，模拟结果的斑块数、斑块密度、聚集度和分形维度值在减少，结构变得简单，而且在微观的摩尔邻域中城市发展密度正在减少，即由高密度向低密度转换。  
        关键词：元胞自动机;城市扩张;敏感性;景观指数;邻域结构   
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      • 李大冲,许盼盼,牛振国,张海英
        2018, 22(6): 1060-1075. DOI: 10.11834/jrs.20187458
        历史专题图的大空间范围湿地专题图自动更新
        摘要：湿地专题图的更新无论是对湿地研究还是湿地管理和保护都具有重要价值。但是由于湿地本身具有显著的时空动态性和空间异质性特征，使得大空间范围湿地专题图的更新面临着周期长、时效性差的挑战。为应对这一挑战，实现大空间范围湿地地图的快速更新，本文提出一种通过提取历史湿地专题图中的信息，对新遥感影像进行自动化的湿地分类制图方法——“迭代解译再组织” IIR (Iterative Interpretation and Reorganization)。针对湿地空间异质性强、稳定样本获取困难等特点，IIR方法通过分别获取不同湿地类型的空间信息和类别属性两个步骤完成湿地的自动更新。为验证该方法在大空间范围湿地图更新中的应用效果，随机选取了位于高海拔地区、高纬度地区、低纬度地区和滨海地区等不同自然地理环境的4个湿地保护区(若尔盖湿地保护区、莫莫格湿地保护区、鄱阳湖湿地保护区和黄河三角洲湿地保护区)进行验证。结果表明IIR方法的湿地制图的总体精度在70%—90%，总体上优于传统监督分类方法。IIR方法对于大的时空尺度背景下湿地专题图更新面临的高时空动态特征具有较好的解决能力。  
        关键词：自动更新;湿地;专题图;大空间范围   
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        发布时间：2021-06-07
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