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2022 年第 9 期

封面故事

研究进展

被动微波土壤水分遥感产品空间降尺度研究：方法、进展及挑战
赵伟,文凤平,蔡俊飞
2022, 26(9): 1699-1722. DOI: 10.11834/jrs.20210515

摘要：土壤水分不仅在地表水、能量以及碳循环中发挥着非常重要的作用，其时空变化也是影响和反映气候变化的关键因子。虽然被动微波遥感技术是目前监测大尺度范围土壤水分变化最为成熟的技术手段，但是其土壤水分产品空间分辨率往往较低（几十千米不等），不能满足区域和局地尺度的应用需求。鉴于这一问题，空间降尺度逐渐成为了提高被动微波土壤水分遥感产品空间分辨率的主要方式，也是当前遥感研究领域的热点之一。本文总结与分析了近20多年来国内外被动微波土壤水分遥感产品空间降尺度研究进展，系统归纳了经验性、半经验性和基于物理机理的3大类降尺度方法，并就各方法特征进行了详细说明，概述了各方法的优势和缺点。归纳而言，虽然被动微波土壤水分遥感产品空间降尺度方法众多，但可靠的高分辨率降尺度土壤水分产品仍较少，这与被动微波土壤水分遥感产品、降尺度关系模型方法以及降尺度辅助因子等有着直接的关联。未来相关研究应重点结合多源遥感数据建立适用性强、精度高的降尺度关系模型，进而实现时空无缝的高时空分辨率降尺度土壤水分产品的生产，为推动土壤水分遥感产品在农林业管理、自然灾害监测、水文过程分析等区域应用中提供支持。
关键词：被动微波;土壤水分;空间降尺度;经验性方法;半经验性方法;基于物理机理的方法
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发布时间：2023-04-21
遥感图像倾斜边界框目标检测研究进展与展望
张磊,张永生,于英,马永政,姜怀刚
2022, 26(9): 1723-1743. DOI: 10.11834/jrs.20210247

摘要：遥感图像目标检测是遥感图像处理中的一个基本问题，尤其是伴随着深度学习以及遥感影像获取等技术的发展与突破，基于深度学习的遥感图像目标检测得到了广泛的关注。区别于自然图像，遥感图像中的物体目标具有方向任意的特点，众多国内外学者提出一系列基于倾斜边界框的遥感图像目标检测算法，推动了遥感图像目标检测的提升。为使得相关领域研究者对基于深度学习的遥感图像倾斜框目标检测的理论、流程及其现存问题有一个比较全面的认知，本文将对其进行系统的整理和归纳。
关键词：遥感图像;深度学习;卷积神经网络;倾斜边界框目标检测
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发布时间：2023-04-21
深度学习在光学和SAR影像融合研究进展
成飞飞,付志涛,黄亮,牛宝胜,陈朋弟,王雷光,季欣然
2022, 26(9): 1744-1756. DOI: 10.11834/jrs.20211136

摘要：遥感影像融合作为影像处理领域中最具有挑战的工作，一直是学术界研究的热点。合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar）具备全天时、全天候、穿透云雾等多种特点，却因存在相干斑噪声等问题，使得影像难以解译。相比之下，光学影像可以反映地物的光谱和空间信息，易于解译，但容易受到云雾干扰，造成信息丢失，将光学与SAR影像数据融合可以实现不同类型传感器成像之间的信息互补，能够更好地为后续的影像分析与解译提供方便。本文首先对光学和SAR影像融合进行了系统性回顾，包括传统融合方法和基于深度学习方法在影像融合方面的最新工作，重点阐述了卷积神经网络CNN（Convolutional Neural Network）、生成式对抗网络GAN（Generative Adversarial Networks）等框架在光学和SAR影像融合中的进展；然后总结了光学和SAR影像融合在深度学习领域开发的数据集，并做了简单介绍和说明；最后，从数据集、时间序列影像融合、融合评价体系和算法轻量化等4个方面对光学和SAR影像融合的未来发展趋势进行了展望。
关键词：深度学习;遥感影像;光学影像;SAR影像;影像融合;数据集
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发布时间：2023-04-21
基于卫星遥感的近地面PM_2.5浓度反演进展
向娟,陶明辉,郭玲,陈良富,陶金花,桂露
2022, 26(9): 1757-1776. DOI: 10.11834/jrs.20210438

摘要：细颗粒物PM_2.5（Fine Particulate Matter）是影响空气质量和公共健康的关键因素之一。高时空分辨率的PM_2.5数据是公共健康风险评估和流行病学研究的基本需求。相较于地面站点，卫星遥感技术具有连续观测、宽覆盖和低成本的优势，基于卫星气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）反演PM_2.5质量浓度的方法已成为热点。本研究概述了卫星AOD产品反演PM_2.5浓度的原理，介绍了用于PM_2.5反演的主要卫星AOD产品及其反演精度；总结了现有的PM_2.5估算方法及其优缺点，指出目前PM_2.5反演研究存在的问题；提出未来PM_2.5反演方向主要集中在高时空分辨率的PM_2.5浓度重建、基于激光雷达数据的三维PM_2.5浓度反演及PM_2.5化学组分反演等方向。比例因子法、物理机理模型和统计模型这3种方法都能在不同时期不同程度地准确估算PM_2.5浓度，代表了那个时期较为前沿的研究热点，但比例因子法和物理机理模型因其自身的局限性而应用较少，而统计模型因其独特的时间或时空异质性的可描述性和强大的非线性描述能力的优势而被广泛应用并不断改进。目前PM_2.5反演研究存在的问题主要有3种：（1）卫星AOD的非随机缺失问题造成估算的PM_2.5数据缺失；（2）反演模型的精度问题；（3）PM_2.5的化学成分估算问题。基于此，本文为了准确揭示近地面PM_2.5的时空变化趋势，提高基于卫星AOD产品的近地面PM_2.5反演研究的准确性，提出了几点未来的研究方向：首先，新型的高空间（如风云四号、高分五号）、高时间分辨率（Himawari-8/9）卫星AOD产品在PM_2.5的精细化估算研究上具有很大优势，这对于高时空分辨率的PM_2.5浓度重建具有重要意义；其次，随着大气探测技术的发展，星载、机载及地基激光雷达都能够获取垂直分布信息，搭载在无人机上的颗粒物传感器可实现PM_2.5垂直方向上的监测，将其与光学遥感卫星数据及地面监测数据结合，可实现三维的PM_2.5浓度反演；最后，PM_2.5化学组分信息对于分析污染成因、暴露特征等尤其重要，其时空变化趋势研究是一个重要的发展方向，然而，地面PM_2.5组分观测站网仍不完善，如何克服卫星遥感估算中对地面站网的依赖，实现PM_2.5化学成分的高精度反演需要进一步研究。通过本研究，有助于进一步了解不同PM_2.5估算方法的原理机制及其优缺点，为基于卫星AOD产品反演近地面PM_2.5浓度的新的发展方向提供启示，提升近地面PM_2.5浓度反演的精度及时空分辨率。
关键词：PM_2.5;卫星遥感;AOD;估算方法
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发布时间：2023-04-21

城市与陆地

COVID-19疫情初期美国城市夜间灯光时空变化分析
许刚,王传立,孟庆祥,修田雨,李熙
2022, 26(9): 1777-1788. DOI: 10.11834/jrs.20221645

摘要：为应对COVID-19疫情而采取的非药物干预措施显著改变了城市社会经济活动，但其变化特征和时空模式仍不明确。本研究以美国20个大城市为例，获取NPP-VIIRS月度合成数据分析2020年2—4月COVID-19疫情初期城市夜光亮度变化的空间格局、衰减特征和用地类型差异。结果表明，疫情防控措施导致美国城市夜光亮度普遍变暗，平均降低5%—8%。夜光变化呈现明显“中心—边缘”空间结构特征，夜光降低幅度随到城市中心距离增加而减小。不同用地类型夜光变化幅度存在差异，纽约居住用地和航空设施用地夜光亮度降低幅度最明显，分别下降12%和11%。芝加哥各类用地夜光亮度普遍下降20%左右，除体育设施用地外，其他各类用地夜光亮度一个月后有所恢复。夜光遥感有效反映了城市社会经济活动变化，在监测评估突发事件社会影响方面具有重要应用。
关键词：夜光遥感;新冠疫情;NPP-VIIRS;时空变化;美国
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发布时间：2023-04-21
多空间尺度下城市热环境与不透水面聚集密度响应关系
孟庆岩,王子安,张琳琳,孙震辉,胡蝶,杨天梁
2022, 26(9): 1789-1801. DOI: 10.11834/jrs.20210263

摘要：针对以往城市热环境与不透水面聚集密度响应规律研究不足的问题，本文以北京市为例，基于MODIS 数据计算城建区与边缘区平均温度差值为热岛强度，结合热岛强度等级特征，选取热岛强度等级期望值较高的6个典型区域（Ⅰ西二旗、西三旗、回龙观，Ⅱ东四、地安门、新街口，Ⅲ丰台区中部，Ⅳ四惠、定福庄、东坝，Ⅴ石景山区，Ⅵ北四环四季青桥附近），研究热岛强度等级与不透水面聚集密度的响应关系；进而利用Landsat数据反演地表温度，研究城建区与精细尺度下地表温度对不透水面聚集密度响应临界点与最优尺度。结果表明：（1）不同热岛强度等级的出现频率、其在白天与夜间的变化程度与不透水面聚集密度有一定相关性，且相近的不透水面聚集密度下所表现出热岛强度的变化特征相似。（2）主要城建区内地表平均温度与不透水面聚集密度的分布特征存在较显著的一致性，随着尺度半径r的增大其响应越明显。且地表温度对不透水面聚集密度的响应存在一个临界点，随着尺度半径r减小，响应临界点逐渐增大：尺度半径r=1000 m时，不透水面聚集密度达到60%后其影响趋于减弱；r=500 m、r=300 m时临界点分别为69%与83%。（3）不同典型区域的最优尺度存在差异，西二旗、西三旗、回龙观最优尺度为150 m，东四、地安门、新街口与四环四季青桥附近为60 m，而季节变化对最优尺度的影响较小。该最优尺度可在一定程度上衡量不同区域不透水面分布的破碎程度及地表类型的单一程度。本研究可为城市规划与管理、城市热岛治理提供参考依据。
关键词：热岛效应;不透水面聚集密度;城建区;临界点;响应规律
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发布时间：2023-04-21
耦合GF-2遥感影像与街景影像的广州市城中村识别
崔成,赵璐,任红艳,逯伟利,黄耀欢
2022, 26(9): 1802-1813. DOI: 10.11834/jrs.20210202

摘要：及时准确地获取城中村的空间分布及其环境质量信息对于优化城市空间、改善人居环境具有重要意义。本文以广州市越秀区为例，提出了耦合GF-2高分遥感影像和百度街景影像的城中村识别方法。首先，从街景影像中提取越秀区的街道空间品质特征；其次，在对高分遥感影像预处理并进行多尺度分割的基础上计算光谱、形状、纹理、场景特征和建筑结构5类共计23个特征；最后，融合两种影像的特征用于构建随机森林分类器进行城中村识别。结果表明，基于高分影像和基于街景影像的城中村识别整体精度分别为94.5%和85.7%，Kappa系数分别为0.58和0.31，而两者融合后的分类精度和Kappa系数为96.1%和0.67；其中基于街景影像获取的度量街道空间品质的5个指标贡献了31.6%的特征重要性。鸟瞰视野高分影像和人本视角街景影像提供的信息综合互补，构建了更有区分度的特征空间，减少了城中村的错分现象。本文证实了高分影像和街景影像在特征尺度的融合提升了城中村识别精度。街景影像中的信息可以融入到高分遥感影像等数据源中，辅助进行城中村等非正规居住空间的识别。
关键词：GF-2高分遥感影像;街景影像;城中村;街道空间品质;随机森林;影像融合;多尺度分割
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发布时间：2023-04-21

生态与环境

基于遥感数据的多年平均物候不确定性研究
金佳鑫,季盈盈,郭丰生,于涵,肖园园
2022, 26(9): 1814-1823. DOI: 10.11834/jrs.20221043

摘要：多年平均物候能够反映植被生长发育节律的均衡状态，是植被物候模拟与预测的关键参数之一。遥感已广泛用于地表物候监测，是空间多年平均物候信息的重要来源。然而，基于遥感的多年平均物候存在不同计算方法，如先确定每年时序曲线的物候点再求平均值（平均法），以及先求多年平均时序曲线再确定物候点（参考曲线法）。上述方法的结果可能存在差异，但目前尚缺乏对这一不确定性及其影响的认识。针对该问题，本研究利用2001年—2016年遥感植被指数数据，分别在平均法和参考曲线法下提取中国森林生长季起始时间的多年平均值（ $\bar{S O S}$ ），比较 $\bar{S O S}$ 的差异（△ $\bar{S O S}$ ）及其空间异质性；进一步选取物候研究中常用指标，即以 $\bar{S O S}$ 为基础的温度“季前时长PD（Preseason Duration）”，分析 $\bar{S O S}$ 不同计算方法对物候—气候关系的潜在影响。结果表明，（1）不同方法下的 $\bar{S O S}$ 差异显著，总体上平均法小于参考曲线法（-2.6±2.2 d，占88%），其中存在8.0%和6.0%的有效像元其动态平均法和固定平均法小于参考曲线法超过7 d，主要分布在东南丘陵地区。（2）△ $\bar{S O S}$ 具有显著的空间异质性，主要表现为随年均温的升高而减小（Slope=0.07 d/℃，P<0.01），随年均降水的增加而增大（Slope=-0.0005 d/mm，P<0.01）。（3）不同方法下的PD存在差异，约40%有效像元的差异（△PD）超过5 d（其中近50%的像元△PD超过15 d），主要分布在东南丘陵和西南山区。研究结果将为遥感地表物候的模型空间参数化应用提供有益参考。
关键词：多年平均物候;物候季前时长;遥感地表物候;时序数据;森林
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发布时间：2023-04-21
DMSP/OLS夜光数据的珠三角碳排放时空差异性分析
王艳军,王孟杰,柳林,李少春,林云浩
2022, 26(9): 1824-1837. DOI: 10.11834/jrs.20210556

摘要：碳排放时空分布及其异质性是生态环境保护和气候变化监测研究的重要课题。本文针对珠三角城市群碳排放空间分布的精细分析，基于DMSP/OLS夜间灯光影像与土地利用数据，研究了2000年—2013年珠三角城市群碳排放时空差异性，揭示了不同地市不同用地类型的碳排放时空分布特征、碳排放增长趋势和强度趋势。结果表明：（1）2000年—2013年珠三角城市群碳排放总量一直处于增长阶段，但受2008年金融危机影响由高速增长转为缓慢增长阶段；（2）人均碳排放强度在2008年金融危机后增长速度减缓；（3）单位GDP碳排放强度在经历了2005年—2008年小幅增长阶段之后，整体呈现降低趋势；（4）地均碳排放强度方面，工矿用地的地均碳排放强度由2008年金融危机前的增长阶段过渡到危机后的降低阶段，而城镇用地的地均碳排放强度一直处于持续增长阶段。研究发现，珠三角城市群碳排放在2008年金融危机前后具有明显的时空差异性，城镇用地碳排放持续增长将成为碳减排的关键问题，本研究可为碳排放估算预测、节能减排及生态环境保护提供科学参考。
关键词：碳排放;时空分布;DMSP/OLS夜间灯光影像;土地利用数据;精细化
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发布时间：2023-04-21
基于多样性特征协同技术的飓风前后森林破坏遥感监测
钟娴,冯伟,张亚丽,全英汇,黄文江,邢孟道
2022, 26(9): 1838-1848. DOI: 10.11834/jrs.20210230

摘要：对被飓风破坏的森林进行变化监测与灾害评估是遥感技术的一个重要应用，遥感影像的特征信息提取对森林遥感监测的效果至关重要。多样性特征结合可以有效提高对森林变化的监测精度。然而，当前的空间信息如纹理特征的获取算法依旧保留着传统的固定式计算模式，一直面临着特征数量和邻域参考范围之间难以均衡的问题。为了解决以上问题，本文提出了基于多样性特征协同技术的飓风前后森林破坏遥感监测方法，首先计算出森林遥感影像变化前后的归一化植被指数差值和增强植被指数差值，并提出了基于复合窗口技术的来提取纹理特征，然后建立了多样性特性结合模型；其次提出了一种基于特征分离的旋转森林改进算法，最终，实现了内泽尔森林在暴风前后的高精度变化监测；另外，还测试了新模型在不同训练样本数量下的分类性能。实验结果表明，相对传统的基于光谱特征和单纯的纹理特征的变化监测方法，本文所提出的方法的整体精度、对变化区域和未变化区域的检测精度至多分别提高了3.68%、6.53%和3.46%。本文的研究方法可以有效提高森林变化监测的性能，为森林灾害评估与森林资源保护提供参考依据。
关键词：多样性特征;分类;旋转森林;森林监测;植被指数;Formosat-2卫星
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发布时间：2023-04-21

遥感智能解译

基于子区域多标签学习的露天煤矿区场景识别
赵银娣,卫虹宇,董霁红,董畅
2022, 26(9): 1849-1858. DOI: 10.11834/jrs.20210001

摘要：露天煤矿开采易对区域生态环境产生不利影响，对其进行高效监管有利于矿区环境保护和可持续发展。随着遥感技术和人工智能的发展，基于高分辨率遥感影像的露天煤矿区场景自动识别成为可能。本文针对单标签学习算法在场景子区域识别中识别率较低的问题，将多标签学习策略和地理学第一定律相结合，提出一种基于子区域多标签学习的露天煤矿区场景识别方法。为了区分露天煤矿区场景与其周边场景，设置了6类矿区标签和7类非矿区标签，对9768张场景子区域图像进行标注，构建多标签数据集，利用该数据集训练基于多标签学习的Inception-v3模型。场景识别时，首先将一幅覆盖研究区的遥感影像划分为相同大小的子区域并进行多标签分类；然后对含有矿区标签的子区域，利用地理学第一定律对其矿区标签的相关性和完整性进行判定，识别出属于露天煤矿区场景的子区域。胜利西露天煤矿区识别实验结果表明：该方法提取的结果最接近真值，显著高于单标签学习的识别精度；其子区域多标签分类F1分数达到0.857，与单标签学习中性能最好的ResNet50模型相比，提高了8个百分点。本文提出的方法能够自动提取子区域内多类标签的有效特征，提高露天煤矿区场景识别的精度，其识别结果可为露天矿区开采管理提供数据支撑。
关键词：高分辨率遥感影像;露天煤矿区场景识别;多标签学习;场景子区域识别
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发布时间：2023-04-21
Dense RFB和LSTM遥感图像舰船目标检测
张涛,杨小冈,卢孝强,卢瑞涛,张胜修
2022, 26(9): 1859-1871. DOI: 10.11834/jrs.20211042

摘要：针对当前遥感图像舰船目标检测精度不佳问题，本文构建舰船目标数据集STAR，提出基于Dense RFB和LSTM多尺度舰船目标检测算法。该算法首先在SSD网络基础上设计了浅层特征增强模块，基于人眼视点图采用Dense RFB特征复用和膨胀卷积增大感受野的尺度和种类，增强浅层网络对细节特征的提取能力；其次设计了深层多尺度特征金字塔融合模块，采用FPN和LSTM思想，基于反卷积和残差网络对深层不同尺度特征进行融合，增强网络结构非线性和特征层的表征能力；最后加入聚焦分类损失函数进行联合训练，有效避免了正负样本失衡问题。在遥感图像舰船数据集上实验，本文所提舰船目标检测算法精度均值达到 $81.98 %$ ，检测速度达到29.6帧/s。此外，遥感图像中成像模糊、被遮挡、部分被裁剪等舰船目标的检测效果也优于原有经典算法，实验结果表明该算法对遥感图像舰船目标检测的泛化能力较强，有效地提高了遥感图像舰船目标检测的精度。
关键词：舰船目标检测;Dense RFB;特征金字塔;LSTM;多尺度特征
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发布时间：2023-04-21
空间信息感知语义分割模型的高分辨率遥感影像道路提取
吴强强,王帅,王彪,吴艳兰
2022, 26(9): 1872-1885. DOI: 10.11834/jrs.20210021

摘要：道路信息自动化提取已经成为遥感领域热门的研究方向，而基于深度学习的遥感影像道路信息提取方法已经取得了许多成果。但由于受到网络中卷积和池化等操作的影响，基于深度学习的道路提取方法存在着空间特征和地物细节信息丢失等问题，造成许多误提现象。针对此问题，本文设计了一种改进的道路提取语义分割网络模型，该网络以改进的ResNet网络为主体，并引入坐标卷积和全局信息增强模块，用于增强空间信息和全局上下文信息的感知能力，突出道路边缘特征进而确保道路分类的精确性。本文方法在公开道路数据集和高分数据集上获得了显著的提取效果，与其它方法相比取得了明显提高；并且，在一定程度上减少了树木、建筑阴影等自然场景因素遮挡的影响，可以完整准确地提取出道路；此外，模型对多尺度道路也可以实现有效地提取。
关键词：深度学习;遥感影像;道路提取;坐标卷积;全局信息增强模块
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发布时间：2023-04-21

简报

2021年夏季中国大陆涝渍灾害时空分布分析
李梦倩,房世波,朱永超,武英洁,曹云,卓文,俄有浩
2022, 26(9): 1886-1894. DOI: 10.11834/jrs.20221782

摘要：涝渍害是中国除干旱以外对农作物影响最严重的气象灾害，涝渍害的发生和发展对人民的生命和财产安全以及农作物的生长发育产生巨大的影响。2021年7月至8月间，中国北方多地降水达到历史观测极值，而相应时期地面的涝渍害发生和发展状况及其时空特征并未得到有效研究。因此，本研究首先利用中国大陆土壤水分站点日数据和被动微波遥感卫星SMAP反演土壤水分日产品获取中国高精度表层土壤湿度数据（0—10 cm）；随后，结合田间持水量数据计算土壤表层相对含水量。在此基础上，以连续10 d土壤相对含水量大于等于90%为标准，分析中国大陆2021年7月1日—8月25日的涝渍害时空分布情况。结果表明：（1）融合后的土壤水分产品较原始的SMAP微波土壤水分产品精度具有明显的提高；（2）中国东北地区水稻田种植区的土壤相对含水量大于等于90%的最长持续天数均为56 d，土壤的水分长期处于饱和状态，说明了本文方法能够较为准确的反应出土壤涝渍害的情况；（3）中国东北及华北地区受灾较为严重，其中黑龙江的西部和河北、河南、山东发生的涝渍面积最大。中国大陆耕地部分受涝渍灾害区域占到总耕地面积的1/2左右，重灾区面积为1.940×10⁵ km²；（4）黑龙江的西部及河北、河南、山东等地较往年降水偏多，这与涝渍害受灾区基本吻合。
关键词：涝渍害;微波遥感;土壤相对含水量;降水;时空分布
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发布时间：2023-04-21
GF-7卫星图像快速解析青海门源Ms6.9级地震的地表破裂带
焦其松,姜文亮,李强,赖积保,郑艺,何仲太,申文豪,李永生,罗毅,张景发
2022, 26(9): 1895-1908. DOI: 10.11834/jrs.20222043

摘要：强震地表破裂调查与灾情评估是地震应急响应的重要工作内容，快速获取震后高分辨率卫星数据并开展应急信息提取分析，是提升应急时效性的重要支撑手段。2022年1月8日青海门源Ms6.9级地震发生的当天快速获取了国产高分七号卫星等数据，基于分辨率0.65 m的全色及2.6 m的多光谱图像快速解译分析地震地表破裂带分形成布特征、构造样式与位错强度等，为地震应急响应与现场调查提供了重要信息。深入分析表明，门源Ms6.9级地震发生了南、北两条同震地表破裂带，其中北支沿冷龙岭断裂带主断层的西段发育，长度约19 km；南支沿托莱山断裂东段分布，长度约2.3 km。同震地表破裂带左旋断错了一系列冲沟、洪积物、道路、冰层等地貌特征，最大左旋位移约2.2 m，沿地表破裂带形成鼓包、拉张凹陷、斜列式张裂隙等变形构造。最新同震破裂与历史破裂分布吻合，反映了强震活动的原地破裂特征，其地震危险性需要引起高度关注，值得深入研究。GF-7卫星首次在地震灾害发生当日就发挥较大优势，表明高分系列卫星在地震应急调查方面具有良好应用潜力。
关键词：门源地震;应急响应;GF-7;地震地表破裂;构造解析
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