多源遥感协同反演.ppt

地表参数多源遥感协同反演 报告人 柳钦火 2013年11月1日 一 引言二 全球综合观测共性定量遥感产品生成系统设计三 地表参数多源遥感协同反演研究进展 报告提纲 矿产 森林 水等战略资源短缺环境风险与粮食安全新时期重大外交事务国际气候变化谈判低碳经济发展国际碳贸易战略布局国际河流水事外交谈判 急需开展对境外乃至全球的有效监测 为国家决策与外交谈判提供信息支撑 国内战略资源的短缺使掌握全球同类资源状况信息迫在眉睫 星机地立体综合定量遥感系统 具有充分利用卫星 航空和地基遥感平台的优势 显著增强全球资源环境监测能力 遥感技术是跨境获取全球战略资源状况信息的重要手段 5 地球观测系统发展迅速美国 NASA不断提出以地球系统为研究对象的对地观测计划 引领遥感发展方向 EOS计划等欧盟 SPOT ENVISAT等卫星计划独具特色我国 气象卫星 资源卫星 海洋卫星 环境减灾小卫星星座逐步业务化 高分辨率对地观测专项 定量遥感的核心是从观测数据中反演地表参数 遥感辐射传输模型是遥感反演的基础 P是待反演的地表参数 邻近像元 目标像元 太阳入射光 大气散射 研究电磁波与地物的相互作用机理 建立地表与大气遥感辐射传输模型 临近效应 可见光反射建模热红外辐射建模 存在的问题 以叶面积指数产品为例 目前遥感反演LAI的方法一般大体可以分为三类 经验关系法 物理模型法和混合反演法 1 经验关系法 建立LAI实测值与植被指数经验统计关系 算法简单 易于实现且计算效率高但缺乏物理机理描述 普适性差 2 物理模型法 基于遥感辐射传输模型 如GO模型 RT模型 GORT模型等 该方法物理机理明确 但模型复杂 计算量大 3 混合反演法 基于贝叶斯理论的混合反演方法以及综合物理模型和统计方法一体的混合反演方法 以上这些反演方法 都是为了能在反演过程中融入更多的先验知识 包括对参数 模型和观测数据的先验知识库 来解决遥感反演中的 病态 问题 AVHRR forC3LAI MODIS forC4LAI VEGATATION 目前全球部分LAI产品主要特征 叶面积指数全球产品及精度分析 叶面积指数全球产品及精度分析 Morisetteetal 2006 Garriguesetal 2008 全球LAI产品直接验证框架和策略 地面点测量 ESU 站点尺度 高分辨率LAI参考图 叶面积指数全球产品及精度分析 全球LAI产品交叉验证框架和策略 Garriguesetal 2008 存在的问题 针对特定遥感传感器的产品 定量化水平低 时空不连续 精度不高 定量遥感仍存在关键技术瓶颈亟待突破不同传感器定量遥感产品不一致性问题多源遥感协同反演问题地星协同的定量遥感估算问题 Garrigues 2008 高精度无缝化定量遥感反演技术已成为遥感科学发展方向 单一遥感器的定量遥感产品精度不高 时空不连续 产品之间一致性差 尚缺乏独立于传感器的定量化遥感综合产品 发展多源遥感高精度协同反演技术 综合利用星机地综合观测数据资源 形成高精度无缝化定量遥感产品快速实时生产能力 一 引言二 全球综合观测共性定量遥感产品生成系统设计三 地表参数多源遥感协同反演研究进展 报告提纲 863重大项目 星机地定量遥感技术系统与应用 项目总体目标 面向矿产 跨境河流 粮食 森林与碳汇等战略资源的全球监测需求 研究星地协同观测与卫星组网关键技术 攻克多尺度时空遥感数据快速定量流程化处理 基于卫星组网和虚拟星座的综合定量遥感产品生成和真实性检验等关键技术 为建立星机地综合定量遥感应用系统 实现全球资源与环境遥感信息的业务运行服务提供技术支撑 为国家全球资源环境战略决策与外交谈判提供信息支撑 一期 突破关键技术 建立原型系统 2012 1 2014 12 二期 集成一期研究 建立业务化系统 2013 1 2015 12 总体 实现遥感数据服务到遥感产品服务的跨越 一 项目总体目标 批复经费 9612万元 分为11个课题 重点开展星机地综合定量遥感标准与规范研究 核心关键技术攻关 系统总体设计和原型系统开发 以及模型方法的实验验证 为二期项目开展提供技术方法支撑 项目一期 2012 2014年 项目二期 2013 2015年 集成一期关键技术 重点解决全球定量遥感信息服务 建立业务化的运行系统 批复经费 3710万元 分为3个课题 二 项目总体设计 1 框架设计 中国遥感网的组成单元及其相互关系 课题一 星机地综合观测定量遥感融合处理与共性产品生产系统 课题二 典型应用领域全球定量遥感产品生产体系 课题三 综合定量遥感产品服务规范及运营系统 一期 二期 星机地综合定量遥感产品技术服务系统 共性产品提供 应用产品提供 数据产品提供 二 项目总体设计 课题及项目对接设计 1 突破多源遥感协同高精度定量反演 特定传感器无关的多尺度定量遥感产品无缝化生产等核心技术 2 建立新的全球综合观测多尺度陆表定量遥感产品技术体系 3 设计研制新一代可定制流程的全球多尺度多源定量遥感产品生产系统 具备全球公里级 区域百米级和十米级共性定量遥感产品自动化 规模化快速生产能力 星机地综合定量遥感产品生产系统研发目标 针对粮食 矿产 森林 水与环境等领域应用定量遥感产品需求分析 定量遥感产品生产多源遥感数据 基础产品 星机地组网观测的多传感器标准化 归一化处理的标准产品 共性产品 具有明确地学含义的时空无缝定量遥感产品 专题产品 结合专业模型生成具有明确应用意义的遥感产品 应用产品 行业应用决策支持信息产品 定量遥感产品体系 定量遥感产品按需生产与服务流程 面临的问题与挑战 构建多维度定量遥感网 构建全球高精度定量遥感产品无缝化生产技术体系 面临的问题和挑战 卫星 航空与地面传感器组网与协同观测技术体系多维度定量遥感网产品生成技术体系 多尺度时空遥感数据的高精度定标与流程化处理 光学与微波的协同反演 光谱维 星地协同观测与同化 知识维 遥感产品的空间尺度效应与真实性检验 空间维 定量遥感产品与过程模型同化 提高模型模拟预报能力 时间维 25 总体思路 26 产品体系设计 产品种类 多源协同的产品将在性能上得到提高空间分辨率提高 7种时间分辨率提高 15种 空间覆盖范围提高 2种新产品 6种 27 产品体系设计 组网卫星数据 多源多尺度数据源 28 研究内容 拟解决的关键技术 卫星组网标准多源数据生成技术 技术基础基于虚拟星座的单日多角度观测数据集技术 提高时间分辨率LIDAR 多频段SAR与光学遥感数据协同反演技术 提高精度光学与被动微波结合的混合像元提取技术 提高空间连续性静止卫星与极轨卫星相结合的星地协同地表能量平衡参量产品生成技术 提高过程参量估算精度流程可定制的定量遥感产品生产线原型系统 形成生产能力 一 引言二 全球综合观测共性定量遥感产品生成系统设计三 地表参数多源遥感协同反演研究进展 报告提纲 1 多源多尺度遥感数据归一化技术 空间一致 光谱一致 辐射一致 多源多尺度遥感数据归一化技术 几何归一化技术 基于不同分辨率底图的技术方案 在不同尺度的数据中 选取性能较高的数据作为基础对其他数据进行归一化中高分辨率基底数据 Landsat TM ETM 中低分辨率基底数据 EOS MOIDS静止卫星基底数据 EOS MODIS 共采用1000景环境星影像进行自动几何精校正和自动评价 评价结果如下 0 1个像元的影像个数 4041 2个像元的影像个数 5123个像元以上的影像个数 84 中低分辨率数据校正精度优于2个像元 分层剔除误匹配点技术解决由于几何变形和复杂地形的影响 所有的控制点无法满足RANSAC 最小二乘等传统方法拟合模型的问题 针对HJ数据宽覆盖 大视场 畸变复杂的特点 唯一针对多源中低分辨率数据的几何校正采用海岸线和大型不变地物作为特征点 进行几何校正 多源多尺度遥感数据归一化技术 交叉辐射定标技术 形成了多尺度 从VNIR到TIR波段的交叉辐射定标技术流程 针对HJ 1 CCD的交叉辐射定标方法 发展了基于ETM 数据的方法 从而避免了简单使用分辨率相差极大的MODIS数据 中低VNIR交叉辐射定标方法中 引入了时间序列信息 同时反演了AOD与BRDF 中低分辨率 VNIR 中高分辨率 VNIR 热红外 多源多尺度遥感数据归一化技术 中高分辨率数据大气校正技术 算法流程 发展了一种基于空间扩展的大气校正方法 申请专利一项 与AERONET实测AOD相比 反演AOD相关性极高 大气校正精度得到保障 AOD反演与验证 校正细节 2 基于极轨卫星组网的单日多角度数据协同反演技术 多角度极轨数据构建BRDF集 提高时间分辨率 多角度数据构建BRDF库 1km全球5天地表反照率产品 地表反照率遥感反演 地表反照率定义为太阳短波波段在半球空间的所有地表反射辐射能量与所有入射能量之比 LiangS L 2004 地表能量平衡 中长期天气预测和全球变化研究的重要参数 DickinsonR E 1995 针对在轨运行的卫星遥感数据进行地表反照率的遥感反演模型和算法研究得到了较好的发展 反照率反演方法 地表反照率遥感反演直接依赖多角度遥感观测 与卫星传感器多角度观测不足矛盾 4 16 地表反照率遥感反演基于均一地表假设 对于山区难以进行高精度反演 传感器观测角度较小 多天覆盖无法获取广泛的角度信息 如何解决 HJ 高分数据 多天覆盖无法满足变化较快的地表覆盖的反照率 融雪 生长的植被 发展考虑地形影响的反照率估算模型 面临的主要问题 发展多传感器地表BRDF和反照综合反演方法 MCBI 和时空滤波技术 解决地表BRDF反演面临的遥感观测信息量不足和时空缺失问题 支持全国和全球地表BRDF和反照率产品生产 D Q YOU etal JSATR 2013 STF ASK MCBI 同类型多源遥感数据形成多角度多波段数据集的地表参数反演技术 DongqinYou JianguangWen QiangLiu QinhuoLiu andYongTang TheAngularandSpectralKernel DrivenModel AssessmentandApplication IEEEJ Sel TopicsAppl EarthObserv inpress doi 10 1109 JSTARS 2013 2271502 MCBI系列算法 多传感器联合的BRDF反照率反演算法引入净信息指数 帅选对反演有利的数据 STF算法 基于统计知识的时空滤波算法 Statistics basedTemporalFiltering STF滤波前后的反照率产品时间序列 滤波结果 先验知识 根据前后时段有效产品做出的预测 同类型多源遥感数据形成多角度多波段数据集的地表参数反演技术 地表BRDF 反照率反演 AVHRR MODIS 8天合成 联合反演与MCD反照率产品对比 精度验证 2011黑河反照率测量试验及验证 Black skyalbedoofChina 在引入多源数据形成的多角度多波段数据后反照率精度有5 10 左右提高时间分辨率从16天提高到了8天甚至4天 同类型多源遥感数据形成多角度多波段数据集的地表参数反演技术 地表BRDF 反照率反演 植被参数总体技术流程图 3 多星协同的植被结构与生长状态参量反演 全球及区域植被精细分类算法研发 植被精细分类区域及全球算法研发技术流程图 全球及区域LAI及全球算法研发 LAI区域及全球算法研发技术流程图 多源多尺度遥感数据归一化技术 基于时间序列HJ 1 CCD数据的精细分类技术 在归一化处理技术的支持下 实现了基于HJ 1 CCD数据的精细分类技术的快速分类将时间维信息引入 进行分类 极大的提高了分类精度 在90 以上利用30m分辨率数据实现了高精度的作物精细分类 ZhongB P Ma etalLandCoverMappingUsingTimeSeriesHJ 1 CCDData SciChinaSerD EarthSci 2013 Accepted 多光谱多空间分辨率协同反演高精度植被参数技术 FVC产品及初步验证 30mFVC 250mFVC FVC精度提高到85 以上 4 极轨与静止卫星组网的地表辐射星地协同反演 静止卫星与极轨卫星相结合的星地协同地表能量平衡参量产品生成技术 提高过程参量估算精度地表发射率 温度下行短波和长波辐射地表净辐射地表通量 全球静止卫星组网示意图 全球5km 1小时地表温度产品技术路线图 全球5km 3小时下行辐射产品技术路线图 静止与极轨卫星组网的全球下行长短波辐射 光合有效辐射PAR产品估算技术 下行短波辐射 48 常规气象观测数据 能见度 DEM 静止卫星组网数据 MODIS产品 输入数据 关键技术的解决方案 云检测 针对不同下垫面 在区分冰雪的基础上 结合云的时空动态及光谱特性实现晴阴天像元区分气溶胶光学厚度 云光学厚度反演 针对晴天 阴天 结合晴空背景反射率底图 分别晴阴天AOD COT的反演时间尺度扩展 梯形积分法实现瞬时辐射到小时 日总辐射累积针对有云情况改进了算法 增强了算法的适应性 静止与极轨卫星组网的全球下行长短波辐射 光合有效辐射PAR产品估算技术 下行短波辐射 云检测算法原理 CDFS模型 d Entremontetal 2003 MTSAT 1R可见光影像 时间差分法检测结果 动态阈值法检测结果 光谱识别法检测结果 时间差分法 针对短时间内改变位置或强度的云 V BV vis BT T IR动态阈值法 针对大面积块状云团Tcld Tmax Tmax Tmin Vcld Vmax Vmax Vmin 光谱识别法 针对静止云 高反射 低亮温特征Vt BVt vis BTt Tt IR 静止与极轨卫星组网的全球下行长短波辐射 光合有效辐射PAR产品估算技术 下行短波辐射 云光学厚度 COT 反演结果空间分布与MODIS产品趋于一致0 5 MODIS MTSAT5 10 MODIS MTSAT 10 MODIS MTSAT MTSAT 1R可见光影像 云光学厚度反演结果 静止与极轨卫星组网的全球下行长短波辐射 光合有效辐射PAR产品估算技术 下行短波辐射 MTSAT可见光影像 COT反演结果 产品生产产品 PAR DSR区域范围 中国陆地空间分辨率 5km时间分辨率 瞬时 小时 日总时间段 2007 6 2007 12 2009 8 12 2010 1 2010 6 静止与极轨卫星组网的全球下行长短波辐射 光合有效辐射PAR产品估算技术 下行短波辐射 全国站点实测值对比散点图 城市型气溶胶估算结果 日总辐射整体高估 RMSE 35 83w m2 20 72 模型误差主要受气溶胶光学厚度及类型影响 受地表反照率影响较小HailongZhang XiaozhouXin LiLi QinhuoLiu Animprovedparametricmodelforsimulatingcloudyskydailydirectsolarradiation IEEEjournalofselectedtopicsinappliedearthobservationsandremotesensing 2013 6 1 180 187 静止与极轨卫星组网的全球下行长短波辐射 光合有效辐射PAR产品估算技术 下行短波辐射 云天下行短波辐射的参数化模型改进 5 流程可定制的全球陆表综合观测共性定量遥感产品生产系统 形成全球定量遥感产品生产与发布能力生产发布全球1km 区域30 300m尺度产品17种 气溶胶光学厚度 下行短波辐射 下行长波辐射 PAR 反照率 地表温度 发射率 净辐射 植被精细分类 植被指数 植被覆盖度 叶面积指数 物候期 光合有效辐射吸收比例 植被的净初级生产力 蒸散 雪盖面积 生产发布全球25km尺度产品2种 雪水当量和土壤含水量 试生产研究型产品6种 冠层温度 空气动力学粗糙度 感热通量 潜热通量 叶绿素含量 降水 原型系统总体架构 完成共性定量遥感产品生产原型系统设计 初步搭建了原型系统软硬件环境 小结 已经取得的进展中高分辨率数据归一化处理技术 多波段多角度数据协同反演BRDF 反照率技术 多尺度数据协同的植被指数反演技术 光学与微波协同的土壤水分与冰雪参数反演技术 静止与极轨卫星协同的辐射参数估算技术 多源共性定量遥感产品支撑的地表通量估算技术 继续攻关的关键技术中低分辨率数据归一化处理技术 多源数据支持的全球多时相AOD反演技术 全球时间序列地表温度多源遥感协同反演技术 云天下行长波辐射多源遥感协同估算技术 多源遥感协同的全球LAI反演技术 多源多尺度共性定量产品生产体系的设计与实现 相关参考论文 仲波 马鹏 聂爱华 杨爱霞 姚延娟 张航 吕文博 柳钦火 基于时间序列HJ 1 CCD数据的土地利用制图技术 中国科学D辑 Huang Huaguo Qin Wenhan Liu Qinhuo RAPID ARadiosityApplicabletoPorousIndiviDualObjectsfordirectionalreflectanceovercomplexvegetatedscenes REMOTESENSINGOFENVIRONMENT卷 132页 221 237 MAY152013YuShanShan XinXiaoZhou LiuQinHuo Estimationofclear skylongwavedownwardradiationfromHJ 1Bthermaldata SCIENCECHINA EARTHSCIENCES卷 56期 5页 829 842 MAY2013Zhang Hailong Xin Xiaozhou Li Li AnImprovedParametricModelforSimulatingCloudySkyDailyDirectSolarRadiationonTiltedSurfaces IEEEJOURNALOFSELECTEDTOPICSINAPPLIEDEARTHOBSERVATIONSANDREMOTESENSING卷 6期 1特刊 SI页 180 187 FEB2013HuaLi QinhuoLiu YongmingDu JinxiongJiang HeshunWang EvaluationoftheNCEPandMODISAtmosphericProductsforSingleChannelLandSurfaceTemperatureRetrievalWithGroundMeasurements ACaseStudyofHJ 1BIRSData IEEEjournalofselectedtopicsinappliedearthobservationsandremotesensing 2013 6 3 1399 1408 DongqinYou JianguangWen QiangLiu QinhuoLiu YongTang TheAngularandSpectralKernel drivenModel assessmentandapplication IEEEjournalofselectedtopicsinappliedearthobservationsandremotesensing DOI 10 1109 JSTARS 2013 2271502 2013 Huang Huaguo Liu Qiang Liu Qinhuo Qin WenhanValidatingtheoreticalsimulationsofthermalemissionhotspoteffectsonmaizecanopies InternationalJournalofRemoteSensing v33 n3 p746 761 February2012Yao Yanjuan Liu Qiang Liu Qinhuo Optimisingviewanglesfortheestimationofleafareaindexviaentropy differenceanalysis JOURNALOFEARTHSYSTEMSCIENCE卷 121期 3页 687 695DOI 10 1007 s12040 012 0178 6出版年 JUN2012HuangHG LiuQH QinWH etal Temporalpatternsofthermalemissiondirectionalityofcropcanopies JOURNALOFGEOPHYSICALRESEARCH ATMOSPHERES Vol 116 No D06114 MAR292011HuangHuaguo LiuQinhuo QinWenhan ThermalEmissionHot SpotEffectofCropCanopies PartI Simulation IEEEJOURNALOFSELECTEDTOPICSINAPPLIEDEARTHOBSERVATIONSANDREMOTESENSING VOL 3 NO 3 SEPTEMBER2010SihanLiu QiangLiu QinhuoLiu JianguangWen andXiaowenLi TheAngularandSpectralKernelModelforBRDFandAlbedoRetrieval IEEEJOURNALOFSELECTEDTOPICSINAPPLIEDEARTHOBSERVATIONSANDREMOTESENSING VOL 3 NO 3 SEPTEMBER2010XinXiaozhou LiuQinhuo 2010 TheTwo layerSurfaceEnergyBalanceParameterizationScheme TSEBPS forestimationoflandsurfaceheatfluxes HYDROLOGYANDEARTHSYSTEMSCIENCES No 14 No 3 P 491 504 相关参考论文 LiLi XinXiaozhou SuGaoli LiuQinhuo 2010 PhotosyntheticallyactiveradiationretrievalbasedonHJ1A Bsatellitedata ScienceinChina EarthSciencesVol 53 Suppl 1 P 81 91SUNlin SUNchangkui LIUQinhuo ZHONGBo 2010 AerosolopticaldepthretrievalbyHJ 1 CCDsupportedbyMODISsurfacereflectancedata ScienceinChina EarthSciencesVol 53 Suppl 1 P 74 80YangGuijun LiuQinhuo LiuQiang XiaoQing HuangWenJiang 2010 DIRECTIONALSIMULATIONOFTHERMALINFRAREDRADIATIONAND3DRADIATIVETRANSFERMODELOFCANOPY JOURNALOFINFRAREDANDMILLIMETERWAVES Vol 29 No 1 P 38 44GuijunYang QinhuoLiu QiangLiu WenjiangHuang JihuaWang Simulationofhigh resolutionmid infrared 3 5 m imagesusinganatmosphereradiativetransferanalyticmodel InternationalJournalofRemoteSensing 2009Vol 30 No 22P 6003 6022HUAGUOHUANG MINCHEN QINHUOLIU QIANGLIU YANGZHANG LIQIONGZHAOandWENHANQIN 2009 Arealisticstructuremodelforlarge scalesurfaceleavingradiancesimulationofforestcanopyandaccuracyassessment InternationalJournalofRemoteSensing Vol 30 No 20 20October2009 5421 5439Wen JG Liu QH Liu Q etal 2009 ParametrizedBRDFforatmosphericandtopographiccorrectionandalbedoestimationinJiangxiruggedterrain China INTERNATIONALJOURNALOFREMOTESENSING Vol 30 No 11 P2875 2896JIANGUANGWEN QIANGLIU QINHUOLIU QINGXIAO andXIAOWENLI 2009 Scaleeffectandscalecorrectionofland surfacealbedoinruggedterrain InternationalJournalofRemoteSensing Vol 30 No 20 20October2009 5397 5420JingLi QiangLiu QinhuoLiu Yon