实验室三年建设期取得的重大科技创新成果

中心三年建设期内，数字地球重点实验室围绕数字地球理论、地球系统空间模型及应用、空间地球信息探测机理与方法、重大自然灾害监测与评估、全球变化观测等方面取得系列科研成果。重大科技创新成果分述如下：

1．数字地球平台建设及其应用

围绕数字地球基础理论研究、数字地球的技术系统研究信息服务体系建立等方面重点实验室取得系列科研成果，主要包括融合多源空间数据的数字地球信息基础平台研发、科学计算和灾害监测信息三维可视化、全球变化应用系统集成等。

（1）融合多源空间数据的数字地球信息基础平台研发

研发了全球变化效应模拟系统平台，该平台融合多源遥感数据、数字高程模型(DEM)、GIS数据，结合气候变化物理模式，进行全球变化科学模拟与计算。相对于传统数字地球平台仅仅提供静态遥感数据浏览功能，全球变化效应模拟系统平台能够实现时时空间数据加载，基于平台提供的多源空间数据，可以满足各种科学计算的空间数据需求。

（2）科学计算和灾害监测信息的三维可视化

传统的科学计算结果展现一般局限于二维专题图。研究采用了基于KML标准的科学计算三维可视化表达。对于气候变化遥感可探测敏感因子中的海平面、海浪、海冰（海冰边缘线、冰厚度、冰密集度）、海面风速、海表温度、海洋状态、水色（生物活性）、空气温度、降雨量等因子，其模拟计算结果可以在模拟系统平台中三维可视化，更形象的展现全球变化效应的模拟。如在纳木错湖泊变化遥感监测分析研究中，完成了数据加载实验和时间序列变化三维模拟实验。

（3）国庆六十周年模拟指挥系统

为国庆六十周年庆典开发了一套仿真模拟指挥系统，实现阅兵方案、警卫方案、监控方案、验证方案、服务方案、国庆晚会方案模拟等多个技术系统的建设与开发

（4）面向科学目标的应用支撑系统

在重大科学装置项目“航空遥感系统”中，针对新型航空遥感系统，重点研制十大传感器的地球科学产品生产（包括大气、海洋、陆地科学产品反演模型及其精度检验模型）以及多源多平台科学数据融合、数据同化及数据可视化。

 

2．对地观测机理与应用前沿技术

1）高光谱遥感机理与应用前沿技术

       高光谱遥感智能成像技术研究

设计了基于AOTF的光谱可调节探测能力的新型光机系统，研制了AOTF光谱数据采集实验装置，实现了光谱分辨力可调、中心波长可调/选的新型分光方式的实验平台。基于AOTF装置实验系统测试。目前已进行多项测试，在项目初期首先进行了该光谱成像原理可行性实验，并进行了AOTF晶体的检测及4通道采集试验，实现了中心波长可控、4通道光谱同时采集和分辨率调节。

       基于高光谱遥感的植被光能利用率的遥感探测方法研究

光能利用率作为植被生产力模型的重要输入参数。鉴于自然光照条件下植被发射荧光与光能利用率之间的机理联系，课题针对遥感监测中光能利用率难以直接获取的出发点设计日变化试验。植被发射荧光和GPP都是光合作用过程的直接产物，荧光与植被呼吸作用没有直接的生理关联以夏玉米(summer maize)为试验对象，设计日变化试验，获取玉米冠层光谱、辐射以及通量数据。获得特征波段相对荧光强度与LUEGPP的统计关系。

       高光谱遥感目标探测理论与方法研究

探讨了通过对高光谱图像的光谱匹配与分析识别亚像元小目标的可行性，接着建立了两种研究高光谱识别的模型——概率统计模型和子空间模型。详细研究了广泛应用于信号处理领域的自适应余弦一致性评估器（Adaptive Coherence/Cosine Estimator，ACE）和自适应匹配滤波算法（Adaptive Matched Filter，AMF），理论上证明了这两个算法应用于高光谱目标识别的可行性。随后又详细研究了基于背景服从椭圆轮廓分布的识别算法，并提出了双曲线门限型椭圆形轮廓分布（Elliptically Contoured Distributions，ECD）识别算法和抛物线门限型ECD识别算法，并通过理论和画图说明这两种识别算法会有着优于ACE识别算法的性能，提供更高的匹配效率。

2）微波遥感机理与应用前沿技术

       研究影像相关技术和干涉SAR测量技术对冰川运动信息提取方法

利用干涉测量方法对比分析了两种不同波段雷达数据在冰川区域相干性的差别，建立了利用微波和光学遥感数据提取山地冰川运动速度的多种方法。

       开展了湿地水生植被生物量的反演和冲积扇地表参数的反演研究

建立了新型成像雷达数据反演湿地水生植被生物量和冲积扇地表参数的算法和模型。该研究突破了前人利用单极化雷达和光学遥感数据反演生物量的局限，在国内外率先开展了新型的多极化雷达数据反演湿地生物量的研究，并成功应用于鄱阳湖湿地水生植被生物量的反演，取得了较好的结果。

       开展了冲积扇地表参数反演研究

提出了利用遗传算法和后向散射模型结合的方法，建立冲积扇地表参数反演模型，开展冲积扇地表参数的反演。同时利用航天飞机极化雷达数据、ALOS PALSAR和ENVISAT ASAR多极化雷达数据，反演了中蒙边境包敦其河冲积扇和内蒙额济纳冲积扇的地表粗糙度和湿度，并结合内蒙额济纳冲积扇野外测量的地表粗糙度数据，验证了遗传算法和后向散射模型结合反演的地表粗糙度的精度。

       开展了极化SAR和极化干涉SAR地表参数估计的模型和方法研究

基于SIR-C数据，提出了植被覆盖区极化干涉SAR土壤水分反演新方法；基于机载E-SAR数据，提出了基于极化、相干和相位差联合概率密度函数的城市区土地覆盖类型分类方法；基于RADARSAT-2数据，提出了基于极化SAR数据的城市不透水层提取方法，基于统计似然比率检验和极化主要散射机制的城市区变化探测模型与方法，倒塌建筑物提取的H-Alpha-Ruo方法。

       被动微波辐射计南极冰盖冻融探测方法研究

基于SSM/I和SMMR微波辐射计数据，提出了不依赖于实地观测数据的南极冰盖冻融探测方法，主要工作如下：提出了改进的基于小波变换边缘检测的南极冰盖冻融探测方法；提出了基于广义高斯模型自动阈值划分的XPGR冰盖冻融探测方法；提出了基于TIMESAT模型的南极冰盖冻融探测方法。

       开展了干涉SAR地面沉降和滑坡监测方法及应用研究

提出基于短时空基线网络的无精轨雷达卫星干涉基线精化方法；开展了联合 CR 和 PS 的干涉滑坡地质灾害监测能力建设研究；开发了一套时间序列雷达数据地表形变信息提取软件。

3）内陆水环境遥感监测机理与应用系统

面向水环境遥感监测、评价和管理的需要，以太湖、巢湖、滇池、三峡库区和渤海为重点试验区，开展了一系列综合遥感实验，获取了试验区水体水质参数、固有光学量和表观光学量等本底数据，分析了其时空分布规律；设计并制作了水体光场二向性观测装置，基于实测和模拟数据分析了水体光场二向性分布规律；构建了基于水体辐射传输机理的水质参数反演机理模型，发展了基于遥感图像自身的大气校正方法，规范了基于航空和航天遥感数据监测水环境的处理流程；利用水环境遥感监测机理和模型，论证了适用于水环境遥感监测的下一代高光谱遥感器指标体系。在此基础上，针对我国流域水体污染监测的实际需求，以2008年发射的环境一号卫星遥感数据为主要数据源，开发了水环境遥感监测应用系统（WATERS V1.0），其最主要的特色就是实现了面向环保监测业务人员的“一键式”操作的“业务员模式”，定制了面向环境一号卫星等遥感数据的各种算法，用户只要简单操作就可以生产出水环境遥感专题图和专题报告。

4）海洋环境参数的遥感探测机理与科学应用

       发展了针对近海混浊水体的大气校正算法

针对SeaDAS5.2大气校正算法对中国近海二类水体失效，根据水体的混浊程度和实测数据，建立了大气校正的迭代算法。该算法将红外波段引入到传统的利用近红外波段的大气校正算法中，对于中低混浊水体利用近红外波段，而对于高混浊水体则利用短波红外波段算法。

       开展了基于高分辨率SAR(X)反演海面风场方法研究

利用SAR具有大范围、高空间分辨率获得海面风场的能力，针对X波段VV极化SAR，建立了一个新的基于线性方法的海面风场反演经验模式(XMOD)，以描述NRCS与海面10m风速、风向及雷达入射角之间的关系。并将XMOD扩展到HH极化，建立了两个极化率模型。以上XMOD模型和极化率模型在TerraSAR-X图像得到了很好的验证。

       建立了极区海冰形态分类空间监测技术

利用SAR和多通道微波辐射计数据，以主/被动微波遥感数据为主，可见光/红外遥感数据为辅，发展基于知识的适应多状况条件下的极区海冰自动分类技术，建立了基于多极化SAR数据的极区海冰自动化分类方案。该研究的初步成果得到国家海洋局极地考察办公室关注，并委托课题研究组利用多极化雷达数据为第四次科学考察的科考选点、“雪龙号”科考船导航和试验人员的安全撤离提供准实时服务。

 

3．重大自然灾害遥感监测与评估

在重大自然灾害遥感监测方面，数字地球重点实验室的科研人员利用航空航天光学、雷达遥感图像的灾情信息提取优势，组织开展了南方冰冻灾害、汶川地震、玉树地震、北方干旱、雅鲁藏布江河谷滑坡监测2010南方洪涝灾害、舟曲泥石流、2010年大兴安岭火灾等遥感应急监测工作。特别是围绕汶川地震遥感动态监测工作，实验室研究开发了多源遥感数据（Landsat、SPOT、ALOS、MODIS、SAR等）的快速处理、面向需求的航空遥感数据多层处理与分析技术，完成了机载和星载雷达数据的处理和地震信息提取工作，构建了多源遥感数据快速处理流程；设计了多源、多尺度遥感数据归一化与多时相数据快速变化探测算法；建立了RS与GIS相结合的地物信息提取技术，构建单因子曲线拟合与多因子逻辑回归（SFCEMFLR）相结合的地质灾害评价模型；建立起遥感数据的大范围灾情快速排查、特定重灾区域的高分辨率遥感数据的灾情信息精确评估方法，提交了多期灾情遥感监测专报和图件，实现了灾情信息的准实时通报。在灾情信息评估遥感监测中，为国家减灾等部门提供了冰雪灾害监测及险情评估、堰塞湖动态监测、房屋倒塌灾情评估、滑坡泥石流、道路损毁、直升机失事疑似点搜寻等灾情信息，制作《汶川地震灾害遥感图集》，参与编写国家汶川地震灾后重建规划“资源环境承载能力评价”，成为科技服务于国家需求典型实例。

4．全球变化空间观测机理与方法研究

1）全球变化敏感因子及其遥感探测方法

在陆地敏感因子遥感探测方面，发展了基于全极化SAR数据的积雪分类方法、基于SAR干涉失相干冰川边界提取方法、基于雷达干涉测量和影像算法的冰川运动速度提取方法、基于雷达干涉冻土形变测量方法、基于高光谱遥感的植被光能利用率探测方法以及湖冰识别的反射率阈值法、温度阈值法、归一化差分积雪指数法和改进的归一化差分积雪指数法等;发展了青藏高原薄雪区被动微波高频反演方法提出了基于极化、相干和相位差的极化干涉SAR城市区土地覆盖类型分类方法，结果表明：极化干涉SAR可以有效的用于城市区土地覆盖分类，特别是，相位差信息的加入可以有效的识别和分类具有垂直结构的地物目标。提出了基于TM数据的MLPNN和SVM估算城市不透水层方法，结果表明：两个方法都可以有效的用于提取不透水层，但是，SVM算法要优于MLPNN算法。提出了基于极化SAR数据的不透水层估算方法，结果表明：极化SAR数据可以有效的用于不透水层估计。开展了基于SAR的冲积扇期次信息提取方法研究，初步结果表明SAR在提取冲积扇期次信息方面具有很大的潜力。基于GLAS和MODIS数据，提出了人工神经网络模型估算连续树高分布的方法，提高了树高估计的精度。

在海洋敏感因子时空特征方面，从全球尺度的分析了海洋生物-光学参数和海洋动力学参数的时空分布特征及对全球变化的响应。从地球信息科学的角度，建立了海洋变化敏感因子的对象化和过程化的表达方案，实现了西太平洋暖池、西太平洋“雨池”和“沙漠”与中国降雨异常过程对象化存储，分析了海洋敏感因子的时空异常分布特征及与ENSO之间的关系，并构建了全球变化背景下的海洋敏感因子的时空分析平台系统。

2）全球变化敏感因子的时空特征

本项目的研究结果显示，过去几十年来全球变化敏感因子的时空特征发生了显著的变化，并主要表现在人类活动的影响因素和气候环境的响应因素两方面，且充分体现在区域尺度和全球尺度上。

在全球尺度上，植被具有明显的年际变化和季节变化特点，对植被的动态监测可以从一定程度上反映气候变化的趋势。利用GIMSS AVHRR NDVI数据，计算了1982-2006年欧亚大陆的植被返青期、生长盛期、枯萎期、生长季长度等物候参数。通过时序分析，计算了最近25年的物候变化趋势，结果显示，全球尺度大部分区域的返青期呈现提前趋势，但俄罗斯远东区域返青期呈现推迟趋势；全球尺度的植被枯黄期呈现推迟趋势；高纬度区域植被峰值期呈现推迟趋势，而中低纬度植被峰值期呈现提前趋势；全球尺度的植被生长季长度都表现了延长趋势。通过定量分析不同区域、不同植被类型的植被物候变化与温度变化的关系，获得了物候参数对气候变化相应强度等科学数据，发现中高纬度植被物候对全球变暖更为敏感，每升高1°C，返青期提前1.66-3.88天，峰值期提前0.53-2.86天，枯黄期推迟0.45-3.97天，生长季延长0.43-8.78天。

在区域尺度上，在青藏高原区，利用TM数据提取了三期青藏高原湖泊面积，进行了湖泊面积变化分析。基于MODIS数据，监测了青藏高原2000-2009年植被覆盖年际和季节变化趋势，结果表明：植被NDVI在这十年呈正增长，并存在明显的空间差异；利用ALOS/PALSAR干涉雷达数据，基于像素跟踪算法获取了科克萨依冰川的变化，结果表明：科克萨依冰川变化在雷达视线向可以达到10m/月以上。

 

3）全球变化敏感因子星机地综合观测科学实验

第一次实验：2009年8月－9月，开展了青藏高原地区星机地综合实验，机载传感器有高光谱和多光谱成像仪；地面测量仪器有光谱仪、太阳分光光度计、自动气象站等；参与人员近40人，分为航天卫星数据组、航空飞行组、玛多生态环境地面实验组、冬克玛底冰川冻土地面实验组及实验综合协调组等；航空遥感飞机有效飞行10个架次，获取高光谱与多光谱航空数据达1TB、中高分辨率卫星数据1.5TB、地面试验数据5GB左右。基于这些数据，项目已取得系列研究成果。

第二次实验：2010年6月－8月，开展了环渤海星机地综合观测科学实验，所有课题均参与该实验。搭载的航空传感器有高光谱成像仪，MS4100多光谱成像仪，C波段多极化SAR，高分辨率UCXP，DES60热红外仪等。70余人参与实验，分为航天卫星数据组、航空飞行组、京津唐城市群研究组、大运河研究组、海洋敏感因子研究组、草原生态研究组、大气研究组。两架奖状飞机航空飞行超过20架次，采集的卫星、航空和地表数据超过10TB。项目目前正在对实验获取的星机地观测数据进行处理和分析，得到一些初步研究成果。

4）全球变暖效应信息模拟系统研究

利用空间观测数据，开展全球变暖背景下空间-时间尺度的环境因子模拟，对于揭示敏感因子对全球变化的响应规律，评估全球变化尤其全球变暖造成的重大陆地、海洋和大气环境变化以及为防灾和减灾提供预警和决策支持都具有重要的意义。

提出全球变暖效应环境信息模拟的科学框架。该系统的科学框架主要有以下四个部分：全球变化效应环境信息模拟平台构建；全球变化相关因子模拟表达；全球变化表现与影响过程信息模拟；基于全球变化参数模型的原理与趋势预测信息模拟。

构建全球变暖效应环境信息模拟原型系统。完成模拟系统的总体设计，确定了硬件和软件体系架构，完成球体平台关键技术研究，建成环境信息模拟原型系统。

全球变化典型因子模拟表达以及现象过程模拟实验。基于环境信息模拟原型系统，进行了全球水蒸发量、全球雪覆盖、全球陆地表面温度和全球海面温度等因子的模拟表达实验；以黄河三角洲地区为实验区，初步完成三角洲地区的海平面上升过程的信息模拟；以青藏高原纳木错地区为实验区，初步完成青藏高原典型区冰川－湖泊变化过程模拟。

5）全球变化敏感因子的空间智能观测研究

针对不同的全球变化应用需求，课题研究基于陆面敏感因子观测需求和遥感器指标的关系模型，确定遥感器参数指标优化方案，并根据全球变化对遥感器的多元需求，开展相应的智能空间观测装置设计和实验，建立智能对地观测模式配置的新理论和新方法。具体工作包括：

全球变化敏感因子空间观测需要的传感器指标分析研究。研究基于陆面敏感因子观测需求和遥感器指标的关系模型，以水体的遥感观测为例，开展了内陆水体要素的空间观测指标和观测方式推演。

面向敏感因子的数据智能获取模式研究。在国内外智能观测模式方面资料的收集和整理的基础上，利用遥感模拟和星上遥感器数据获取仿真的基础上，初步形成智能对地观测模式的仿真方案。

面向敏感因子空间智能观测的遥感装置原型研究。面向陆面多因子的不同空间观测需求，根据需求的重要程度以及技术发展的现状，课题开展了光谱可调、波段可变的新型分光方式的成像装置的实验工作。