《测绘学报》博士论文成果展示（2022年第12期）
基于结构信息的异源遥感图像局部特征描述符研究
付志涛
昆明理工大学国土资源工程学院, 云南 昆明 650093
基金项目：国家自然科学基金(41961053)；云南省应用基础研究计划(202101AT070102)
作者简介：付志涛(1982—)，男，2018年12月毕业于武汉大学，获工学博士学位(指导教师：秦前清教授，罗斌教授)，研究方向为异源遥感图像匹配及融合。E-mail：zhitaofu@kust.edu.cn
FU Zhitao. Research on local feature descriptors of multi-source remote sensing images based on structure information[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(12): 2557-2557. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210021
异源遥感图像处理中不同传感器由于成像机理和工作原理不同，异源图像之间往往存在较大辐射差异和几何形变，使得异源图像的局部不变特征描述成为一项具有挑战性工作。针对异源遥感图像局部特征描述符可区分性不足、旋转变化的稳健性不强及计算效率较低等问题，论文展开了一系列深入研究，主要研究工作如下：
(1) HOMPC(histograms of oriented magnitudes and phase congruency)：可区分的异源遥感图像局部特征描述符。目前的局部特征描述符对非线性辐射差异的图像稳健性不足而导致描述符的可区分度不高。针对这一难点，提出一种基于幅值和相位一致性的局部特征描述符—HOMPC。该描述符根据log-Gabor滤波器的响应幅度，利用相位一致性方向图和幅值方向二值图来分别捕获具有非线性辐射变化的异源遥感图像之间的几何结构和纹理结构信息。采用HOG(histogram of oriented gradients)描述符分块构建局部特征区域的相位一致性方向直方图(HPC)和幅值方向直方图(HOM)。整合归一化的HOM和HPC，得到HOMPC描述符。通过选择多组异源遥感图像数据集作为测试数据，将HOMPC与几种最优秀的描述符进行匹配性能比较。结果表明，HOMPC描述符能够较好地抵抗图像间的非线性辐射差异，具有较高区分能力。
(2) RIMPC(rotation invariant histograms of oriented magnitudes and phase congruency)：旋转不变性的异源遥感图像局部特征描述符。目前的局部特征描述符大多具有旋转不变性，但对具有非线性辐射差异异源图像的稳健性较差，HOMPC描述符仅能容忍小角度旋转变化(10°以内)。针对这一难点，提出一种具有旋转不变性的局部特征描述符—RIMPC。该描述符利用log-Gabor奇对称滤波的平均响应值构建每个兴趣点的主方向，并根据主方向计算兴趣点区域对应每个子区域的旋转不变性中心点坐标及旋转不变性幅值方向直方图和相位一致性直方图，归一化得到RIMPC描述符。选择多组异源遥感图像数据集，将RIMPC与几种最优秀的描述符进行匹配性能比较。结果表明，RIMPC对具有非线性辐射差异的旋转变化图像具有较强的稳健性，且优于其他描述符。
(3) HoDM(histograms of directional response maps)：快速的异源遥感图像局部特征描述符。目前的局部描述符，如SURF(speeded-up robust features)以及局部二进制描述符，基本可以满足实时性匹配需求，但对具有非线性辐射差异的异源图像的稳健性不足，HOMPC和RIMPC描述符无法满足匹配任务的实时性需求。针对这一难点，提出一种组合结构和纹理信息的局部特征描述符—HoDM。该描述符使用Sobel多方向滤波构建方向响应值图和方向响应二值图分别捕捉异源图像之间的共同结构和纹理特征。使用高斯滤波器和均值滤波器分别对多方向响应值图和响应二值图进行卷积直接得到每个像素点的直方图。结合分块思想，得到HoDM描述符。通过多组异源遥感图像数据集进行匹配性能测试，HoDM具有较强的稳健性和快速性，且优于其他描述符。
异源遥感图像处理中不同传感器由于成像机理和工作原理不同，异源图像之间往往存在较大辐射差异和几何形变，使得异源图像的局部不变特征描述成为一项具有挑战性工作。针对异源遥感图像局部特征描述符可区分性不足、旋转变化的稳健性不强及计算效率较低等问题，论文展开了一系列深入研究，主要研究工作如下：
(1) HOMPC(histograms of oriented magnitudes and phase congruency)：可区分的异源遥感图像局部特征描述符。目前的局部特征描述符对非线性辐射差异的图像稳健性不足而导致描述符的可区分度不高。针对这一难点，提出一种基于幅值和相位一致性的局部特征描述符—HOMPC。该描述符根据log-Gabor滤波器的响应幅度，利用相位一致性方向图和幅值方向二值图来分别捕获具有非线性辐射变化的异源遥感图像之间的几何结构和纹理结构信息。采用HOG(histogram of oriented gradients)描述符分块构建局部特征区域的相位一致性方向直方图(HPC)和幅值方向直方图(HOM)。整合归一化的HOM和HPC，得到HOMPC描述符。通过选择多组异源遥感图像数据集作为测试数据，将HOMPC与几种最优秀的描述符进行匹配性能比较。结果表明，HOMPC描述符能够较好地抵抗图像间的非线性辐射差异，具有较高区分能力。
(2) RIMPC(rotation invariant histograms of oriented magnitudes and phase congruency)：旋转不变性的异源遥感图像局部特征描述符。目前的局部特征描述符大多具有旋转不变性，但对具有非线性辐射差异异源图像的稳健性较差，HOMPC描述符仅能容忍小角度旋转变化(10°以内)。针对这一难点，提出一种具有旋转不变性的局部特征描述符—RIMPC。该描述符利用log-Gabor奇对称滤波的平均响应值构建每个兴趣点的主方向，并根据主方向计算兴趣点区域对应每个子区域的旋转不变性中心点坐标及旋转不变性幅值方向直方图和相位一致性直方图，归一化得到RIMPC描述符。选择多组异源遥感图像数据集，将RIMPC与几种最优秀的描述符进行匹配性能比较。结果表明，RIMPC对具有非线性辐射差异的旋转变化图像具有较强的稳健性，且优于其他描述符。
(3) HoDM(histograms of directional response maps)：快速的异源遥感图像局部特征描述符。目前的局部描述符，如SURF(speeded-up robust features)以及局部二进制描述符，基本可以满足实时性匹配需求，但对具有非线性辐射差异的异源图像的稳健性不足，HOMPC和RIMPC描述符无法满足匹配任务的实时性需求。针对这一难点，提出一种组合结构和纹理信息的局部特征描述符—HoDM。该描述符使用Sobel多方向滤波构建方向响应值图和方向响应二值图分别捕捉异源图像之间的共同结构和纹理特征。使用高斯滤波器和均值滤波器分别对多方向响应值图和响应二值图进行卷积直接得到每个像素点的直方图。结合分块思想，得到HoDM描述符。通过多组异源遥感图像数据集进行匹配性能测试，HoDM具有较强的稳健性和快速性，且优于其他描述符。
RSSI在室内定位中的测量特性及应用研究薛卫星
深圳大学土木与交通工程学院, 广东 深圳 518060
基金项目：国家重点研发计划(2016YFB0502203)；中国博士后科学基金(2019M663069)；广东省基础与应用基础研究基金(2019A1515111212)
作者简介：薛卫星(1990—)，男，2019年6月毕业于武汉大学，获工学博士学位(指导教师：花向红教授，李清泉教授，余科根教授)，研究方向为基于泛在无线信号的室内智能定位。E-mail：1304402787@qq.com
XUE Weixing. Research on measurement properties and application of RSSI for indoor localization[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(12): 2558-2558. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210114
论文对RSSI在室内定位中的测量特性进行了持续性的研究。首先将单个AP的RSSI当作一把测量“尺子”，对其测量特性进行研究，发现RSSI尺子的不均匀空间分辨率；将RSSI信号图(Radio Map)和DEM进行类比分析，借鉴数字高程模型中的地貌特征点和地性线，引入RSSI信号特征点和信号特征线的概念，并运用到RSSI信号图的重构算法中。然后，根据RSSI的测量特性提出相应的室内定位算法，包括一种基于RSSI空间分辨率的滤波算法，一种基于虚拟AP坐标位置的指纹点聚类算法，一种基于RSSI不均匀空间分辨率的物理距离加权定位算法以及一种基于室内地图和运动地标辅助的Wi-Fi RSSI方向优化算法。最后，对以上算法进行优化组合，给出一套以室内地图和运动地标辅助的Wi-Fi RSSI室内融合定位方案，主要内容如下：
(1) 提出了一种基于RSSI空间分辨率的滤波算法。根据RSSI测量尺子的空间分布率特性，采用较大RSSI观测值来提高RSSI数据的空间分辨率，从而提高定位结果的精度。同时算法也借鉴了GNSS数据处理中应对多路径效应采取的措施：最大限度地舍弃因受到环境干扰而导致质量不佳的虚弱的RSSI数据。
(2) 提出了一种基于虚拟AP坐标位置的指纹点聚类算法。借鉴光经过反射、折射和衍射形成虚拟光源的现象，同样Wi-Fi信号经过反射、折射和衍射后，也会形成虚拟Wi-Fi源。再结合RSSI信号图中RSSI信号特征和信号特征线的概念，按照局部小区域的Wi-Fi信号传播机理，以虚拟Wi-Fi源的坐标位置为依据构建信号图，从而完成对离线指纹点的聚类和分割。
(3) 提出了一种基于RSSI不均匀空间分辨率的物理距离加权定位算法。根据Wi-Fi RSSI测量尺子的不均匀的空间分辨率特性，直接使用RSSI的欧氏距离、马氏距离以及其他基于RSSI信号空间的距离加权，会造成非线性的定位误差。算法借鉴水准测量精度定权指标，测距误差与实际物理距离的倒数大致呈线性比例关系，将RSSI信号距离转化成实际物理距离后再进行定权计算。
(4) 提出了一种基于室内地图和运动地标辅助的Wi-Fi RSSI方向优化算法。借鉴室外地图在室外定位导航中的广泛使用，可知地图是定位导航服务的必要前提条件。同时，根据智能手机自带的惯性传感器数据信息，可以获取用户发生转向行为的运动地标。因此，对于以室内走廊为代表的具有线性约束的室内区域，根据用户行走方向数据和室内地图，对其运动轨迹进行方向约束和修正。
(5) 对基于RSSI空间分辨率的滤波算法、虚拟AP位置、几何距离加权和行人转向探测等算法进行优化组合，给出一套以室内地图和运动地标辅助的Wi-Fi RSSI室内融合定位方案。首先，采用基于RSSI空间分辨率的观测值滤波算法对所有的RSSI观测值进行数据预处理。然后，进行室内区域的识别和分割，分为室内走廊和室内房间两大类，分别采用以下两种定位策略：①针对室内走廊等具有线性约束的室内区域，采用基于转角探测的定向优化算法和基于RSSI几何距离加权的定位算法相结合的方法；②针对室内房间等无线性约束的室内区域，采用基于AP虚拟坐标的指纹点聚类算法和基于RSSI几何距离加权的定位算法相结合的方法。
种间竞争条件下互花米草光谱特征分析及叶绿素含量反演研究刘浦东
山东建筑大学测绘地理信息学院, 山东 济南 250101
基金项目：山东省自然科学基金(ZR2020QD017)
作者简介：刘浦东(1989—)，男，2018年6月毕业于华东师范大学，获理学博士学位(指导教师：高炜教授，施润和副教授)，研究方向为生态遥感。E-mail：liupudong19@sdjzu.edu.cn; liupudong@163.com
LIU Pudong. Investigation of the spectral characteristics and the inversion of Spartina alterniflora chlorophyll content under interspecies competition[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(12): 2559-2559. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.200210142
湿地是陆地生态系统的重要组成部分，在碳氮等物质循环和能量传输中扮演重要角色。由于外来物种入侵等原因，湿地的生物多样性面临严峻挑战，其生态安全问题成为关注的焦点。基于湿地植被光谱特征的遥感技术，已成为大范围、高效率、低成本湿地监测的重要手段，在保障湿地生态安全方面发挥了积极的作用。但是，当前的湿地遥感仍存在一些不足。一方面，相关研究多集中于纯像元中的物种识别与定性分类，对于多物种混合生长区的研究相对薄弱，如多物种混生像元的识别及其混合光谱特征分析等。另一方面，对于影响植物重要生理生态过程的叶绿素等生化成分定量反演相关研究，在湿地生态系统鲜有开展，尤其在多物种混合生长区域，其光谱特征的形成机制及其对生化成分定量反演的影响尚无研究。混合生长区作为种间竞争最激烈的区域，是湿地生态学研究的重要区域之一，但在遥感和光谱学领域尚缺乏足够的基础研究。
针对上述问题，论文以位于上海崇明岛周边的长江口盐沼湿地生态系统为研究区，以外来入侵物种互花米草(Spartina Alterniflora)为研究对象，通过野外控制试验和辐射传输模型模拟，研究其与本地物种芦苇(Phragmite Australis)在混合生长与竞争过程中反映出的叶、冠光谱特征，并将该光谱特征与其叶绿素含量联系起来，研究其在不同竞争程度下的光谱响应及其对叶绿素反演的影响，为拓展遥感与光谱技术在湿地植被混合生长带的种间竞争研究及其生化参数定量反演提供理论依据和研究范例。主要研究内容与结果如下：
(1) 在崇明东滩湿地设计和开展了为期两年的互花米草、芦苇野外控制试验，创新地将两物种不同混合比例作为控制变量之一，获取了二者在不同竞争比例下的叶、冠光谱和叶绿素等生化成分含量数据，为研究种间竞争对互花米草光谱的影响机制提供了第一手基础数据。
(2) 基于野外控制实验测得的互花米草叶片光谱和叶绿素含量数据，从79种已发表的叶绿素相关光谱指数中筛选出若干敏感指数进行不同竞争水平下的叶片叶绿素含量反演。结果表明，在叶绿素含量反演精度方面，基于BP神经网络方法的多指数协同反演方法优于单指数拟合法，RMSE降低10.38%；顾及不同竞争比例的多模型反演方法优于不区分种间竞争水平的单模型反演方法，不同竞争比例RMSE降低6.4%至16.3%。总的来说，顾及竞争的多指数协同反演方法精度最高，且在反演结果上与实测值保持良好线性关系，能够较好纠正单指数模型的高估问题。论文基于PROSPECT模型开展的模拟研究也得到相同结论。
(3) 分析了不同时相、不同竞争水平下两种物种冠层光谱变化规律，并使用PROSAIL模型生成符合条件的冠层模拟光谱，开展冠层叶绿素含量的反演研究。结果表明，4月下旬至5月上旬是两种物种及其混合生长区在光谱上最易于区分的时相，与两者物候特点及其混合生长时对光照等资源的竞争有关；对冠层叶绿素反演而言，顾及竞争的多指数协同反演方法精度最高，相比于不区分竞争的同种方法，RMSE降幅平均达到53.58%。
(4) 考虑到顾及互花米草与芦苇的混合竞争有助于提高叶绿素反演精度，论文在区域尺度上，利用国产高分1号遥感影像开展了二者混合生长带的识别研究。通过选择合适的时相，并融入物种生境先验知识，首次实现了互花米草、芦苇混合生长带的遥感提取，为湿地遥感分类从纯物种分类向“纯物种+混合带”分类提供了经验。
黄河中上游地区水储量变化及陆地水负荷形变研究谢小伟
东华理工大学测绘工程学院, 江西 南昌 330013
基金项目：国家自然科学基金(41721003；41774011)
作者简介：谢小伟(1988—)，男，2019年6月毕业于武汉大学，获工学博士学位(指导教师：许才军授)，研究方向为卫星重力观测。E-mail：xwxie@ecut.edu.cn
XIE Xiaowei. Research on water storage change and hydrological loading deformation in the middle and upper reaches of the Yellow River[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(12): 2560-2560. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210178
随着经济发展以及城镇化速度加快，人类对水资源的开发利用也迅速增加，从时空上掌握水资源的变化不仅可以为水资源管理决策提供数据支撑，还可以用于研究地球表面水负荷相关的科学问题。论文以GRACE卫星重力数据为主，结合水文模型数据、气象数据、水文地质数据及其他辅助数据，研究了黄河中上游地区具有不同空间尺度的黄土高原和湟水流域两个区域内的水储量变化，并在此基础上，联合GPS数据分析了湟水流域内陆地水迁移引起的负荷形变。主要研究内容和成果如下：
(1) 考虑到论文研究区域内水文模型与GRACE数据相关性较差，不适合作为先验信息来计算尺度因子以对滤波后的GRACE信号进行恢复，论文提出了利用GRACE重力场球谐系数的局部正交化结果(Slepian解)替换水文模型计算尺度因子的方法。Slepian解不需要额外的滤波和平滑处理，泄露误差较少且不存在分辨率损失，同时Slepian解与球谐解和Mascon解的具有较好的一致性，因此可以作为先验信息来计算尺度因子。
(2) 论文基于GRACE Mascon解反演得到的水储量变化结果，分析了黄土高原2005—2014年的水储量时空变化和影响因素。结果表明：①黄土高原的陆地水、地表水以及地下水的储量变化都表现出明显的季节性，在夏季和秋季表现为上升，而在冬季和春季表现为下降；②扣除采煤引起的质量迁移后，黄土高原的地表水、陆地水以及地下水在2005—2014这10年间的年变化趋势分别为：0.13±0.09 cm/a、-0.51±0.09 cm/a及-0.65±0.07 cm/a，其中地表水储量表现为略微上升，而地下水储量却呈现出较为严重消耗，尤其是在山西省及其周边区域更为严重；③降水是引起黄土高原水储量季节性变化的原因，并且是水储量补充的重要来源，但并不是黄土高原地下水的严重消耗的原因，黄土高原的地下水严重消耗多是由人为活动所导致，特别是山西省及其周边地区的地下水异常消耗是由大量的煤炭开采所导致。
(3) 论文基于神经网络方法，建立了有较高分辨率的水文地质、气象数据与GRACE数据之间的经验模型，进而获取了湟水流域较高分辨率的水储量变化，并结合地面水井观测数据进行了验证。结果分析表明：①神经网络模拟得到的水储量变化与地面水井观测得到的结果具有较好的一致性，变化趋势也较为接近；②湟水流域内的陆地水储量变化呈现出明显的季节性，在夏季和秋季表现为上升的趋势，而在春季和冬季呈现出下降的趋势；③湟水流域在2014—2016年期间的陆地水储量整体呈下降趋势，其年变化趋势约为-0.61±0.32 cm/a；④降水是陆地水呈现出季节性变化的主要原因，年降水充沛时陆地水储量可以得到有效补充而呈现出上升趋势；⑤在湟水流域的主要城区及其周边，水储量都呈现出下降的趋势，可见人为活动对湟水流域的水储量变化也起着不可忽视的作用。
(4) 论文对比了湟水流域内GRACE和GPS分别得到的垂向周期性形变，结果发现除了个别站点外，二者的相关系数在0.8以上，最大振幅差异仅为0.4 mm，但相位差异平均在25.9°。较大的相位差异可能是由数据处理误差、形变响应延时以及两种数据的时空分辨率差异所导致。从去除趋势项后的GPS垂向形变中扣除GRACE得到的周期性形变后，其WRMS平均减小了33.4%。这些结果可以表明，湟水流域内GRACE与GPS得到垂向形变中的周期信号是由同样的地球物理过程所导致，这里包括陆地水及大气负荷。
初审：张艳玲复审：宋启凡
终审：金 君
RSSI在室内定位中的测量特性及应用研究
薛卫星
深圳大学土木与交通工程学院, 广东 深圳 518060
基金项目：国家重点研发计划(2016YFB0502203)；中国博士后科学基金(2019M663069)；广东省基础与应用基础研究基金(2019A1515111212)
作者简介：薛卫星(1990—)，男，2019年6月毕业于武汉大学，获工学博士学位(指导教师：花向红教授，李清泉教授，余科根教授)，研究方向为基于泛在无线信号的室内智能定位。E-mail：1304402787@qq.com
XUE Weixing. Research on measurement properties and application of RSSI for indoor localization[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(12): 2558-2558. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210114
论文对RSSI在室内定位中的测量特性进行了持续性的研究。首先将单个AP的RSSI当作一把测量“尺子”，对其测量特性进行研究，发现RSSI尺子的不均匀空间分辨率；将RSSI信号图(Radio Map)和DEM进行类比分析，借鉴数字高程模型中的地貌特征点和地性线，引入RSSI信号特征点和信号特征线的概念，并运用到RSSI信号图的重构算法中。然后，根据RSSI的测量特性提出相应的室内定位算法，包括一种基于RSSI空间分辨率的滤波算法，一种基于虚拟AP坐标位置的指纹点聚类算法，一种基于RSSI不均匀空间分辨率的物理距离加权定位算法以及一种基于室内地图和运动地标辅助的Wi-Fi RSSI方向优化算法。最后，对以上算法进行优化组合，给出一套以室内地图和运动地标辅助的Wi-Fi RSSI室内融合定位方案，主要内容如下：
(1) 提出了一种基于RSSI空间分辨率的滤波算法。根据RSSI测量尺子的空间分布率特性，采用较大RSSI观测值来提高RSSI数据的空间分辨率，从而提高定位结果的精度。同时算法也借鉴了GNSS数据处理中应对多路径效应采取的措施：最大限度地舍弃因受到环境干扰而导致质量不佳的虚弱的RSSI数据。
(2) 提出了一种基于虚拟AP坐标位置的指纹点聚类算法。借鉴光经过反射、折射和衍射形成虚拟光源的现象，同样Wi-Fi信号经过反射、折射和衍射后，也会形成虚拟Wi-Fi源。再结合RSSI信号图中RSSI信号特征和信号特征线的概念，按照局部小区域的Wi-Fi信号传播机理，以虚拟Wi-Fi源的坐标位置为依据构建信号图，从而完成对离线指纹点的聚类和分割。
(3) 提出了一种基于RSSI不均匀空间分辨率的物理距离加权定位算法。根据Wi-Fi RSSI测量尺子的不均匀的空间分辨率特性，直接使用RSSI的欧氏距离、马氏距离以及其他基于RSSI信号空间的距离加权，会造成非线性的定位误差。算法借鉴水准测量精度定权指标，测距误差与实际物理距离的倒数大致呈线性比例关系，将RSSI信号距离转化成实际物理距离后再进行定权计算。
(4) 提出了一种基于室内地图和运动地标辅助的Wi-Fi RSSI方向优化算法。借鉴室外地图在室外定位导航中的广泛使用，可知地图是定位导航服务的必要前提条件。同时，根据智能手机自带的惯性传感器数据信息，可以获取用户发生转向行为的运动地标。因此，对于以室内走廊为代表的具有线性约束的室内区域，根据用户行走方向数据和室内地图，对其运动轨迹进行方向约束和修正。
(5) 对基于RSSI空间分辨率的滤波算法、虚拟AP位置、几何距离加权和行人转向探测等算法进行优化组合，给出一套以室内地图和运动地标辅助的Wi-Fi RSSI室内融合定位方案。首先，采用基于RSSI空间分辨率的观测值滤波算法对所有的RSSI观测值进行数据预处理。然后，进行室内区域的识别和分割，分为室内走廊和室内房间两大类，分别采用以下两种定位策略：①针对室内走廊等具有线性约束的室内区域，采用基于转角探测的定向优化算法和基于RSSI几何距离加权的定位算法相结合的方法；②针对室内房间等无线性约束的室内区域，采用基于AP虚拟坐标的指纹点聚类算法和基于RSSI几何距离加权的定位算法相结合的方法。
种间竞争条件下互花米草光谱特征分析及叶绿素含量反演研究
刘浦东
山东建筑大学测绘地理信息学院, 山东 济南 250101
基金项目：山东省自然科学基金(ZR2020QD017)
作者简介：刘浦东(1989—)，男，2018年6月毕业于华东师范大学，获理学博士学位(指导教师：高炜教授，施润和副教授)，研究方向为生态遥感。E-mail：liupudong19@sdjzu.edu.cn; liupudong@163.com
LIU Pudong. Investigation of the spectral characteristics and the inversion of Spartina alterniflora chlorophyll content under interspecies competition[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(12): 2559-2559. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.200210142
湿地是陆地生态系统的重要组成部分，在碳氮等物质循环和能量传输中扮演重要角色。由于外来物种入侵等原因，湿地的生物多样性面临严峻挑战，其生态安全问题成为关注的焦点。基于湿地植被光谱特征的遥感技术，已成为大范围、高效率、低成本湿地监测的重要手段，在保障湿地生态安全方面发挥了积极的作用。但是，当前的湿地遥感仍存在一些不足。一方面，相关研究多集中于纯像元中的物种识别与定性分类，对于多物种混合生长区的研究相对薄弱，如多物种混生像元的识别及其混合光谱特征分析等。另一方面，对于影响植物重要生理生态过程的叶绿素等生化成分定量反演相关研究，在湿地生态系统鲜有开展，尤其在多物种混合生长区域，其光谱特征的形成机制及其对生化成分定量反演的影响尚无研究。混合生长区作为种间竞争最激烈的区域，是湿地生态学研究的重要区域之一，但在遥感和光谱学领域尚缺乏足够的基础研究。
针对上述问题，论文以位于上海崇明岛周边的长江口盐沼湿地生态系统为研究区，以外来入侵物种互花米草(Spartina Alterniflora)为研究对象，通过野外控制试验和辐射传输模型模拟，研究其与本地物种芦苇(Phragmite Australis)在混合生长与竞争过程中反映出的叶、冠光谱特征，并将该光谱特征与其叶绿素含量联系起来，研究其在不同竞争程度下的光谱响应及其对叶绿素反演的影响，为拓展遥感与光谱技术在湿地植被混合生长带的种间竞争研究及其生化参数定量反演提供理论依据和研究范例。主要研究内容与结果如下：
(1) 在崇明东滩湿地设计和开展了为期两年的互花米草、芦苇野外控制试验，创新地将两物种不同混合比例作为控制变量之一，获取了二者在不同竞争比例下的叶、冠光谱和叶绿素等生化成分含量数据，为研究种间竞争对互花米草光谱的影响机制提供了第一手基础数据。
(2) 基于野外控制实验测得的互花米草叶片光谱和叶绿素含量数据，从79种已发表的叶绿素相关光谱指数中筛选出若干敏感指数进行不同竞争水平下的叶片叶绿素含量反演。结果表明，在叶绿素含量反演精度方面，基于BP神经网络方法的多指数协同反演方法优于单指数拟合法，RMSE降低10.38%；顾及不同竞争比例的多模型反演方法优于不区分种间竞争水平的单模型反演方法，不同竞争比例RMSE降低6.4%至16.3%。总的来说，顾及竞争的多指数协同反演方法精度最高，且在反演结果上与实测值保持良好线性关系，能够较好纠正单指数模型的高估问题。论文基于PROSPECT模型开展的模拟研究也得到相同结论。
(3) 分析了不同时相、不同竞争水平下两种物种冠层光谱变化规律，并使用PROSAIL模型生成符合条件的冠层模拟光谱，开展冠层叶绿素含量的反演研究。结果表明，4月下旬至5月上旬是两种物种及其混合生长区在光谱上最易于区分的时相，与两者物候特点及其混合生长时对光照等资源的竞争有关；对冠层叶绿素反演而言，顾及竞争的多指数协同反演方法精度最高，相比于不区分竞争的同种方法，RMSE降幅平均达到53.58%。
(4) 考虑到顾及互花米草与芦苇的混合竞争有助于提高叶绿素反演精度，论文在区域尺度上，利用国产高分1号遥感影像开展了二者混合生长带的识别研究。通过选择合适的时相，并融入物种生境先验知识，首次实现了互花米草、芦苇混合生长带的遥感提取，为湿地遥感分类从纯物种分类向“纯物种+混合带”分类提供了经验。
黄河中上游地区水储量变化及陆地水负荷形变研究
谢小伟
东华理工大学测绘工程学院, 江西 南昌 330013
基金项目：国家自然科学基金(41721003；41774011)
作者简介：谢小伟(1988—)，男，2019年6月毕业于武汉大学，获工学博士学位(指导教师：许才军授)，研究方向为卫星重力观测。E-mail：xwxie@ecut.edu.cn
XIE Xiaowei. Research on water storage change and hydrological loading deformation in the middle and upper reaches of the Yellow River[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(12): 2560-2560. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210178
随着经济发展以及城镇化速度加快，人类对水资源的开发利用也迅速增加，从时空上掌握水资源的变化不仅可以为水资源管理决策提供数据支撑，还可以用于研究地球表面水负荷相关的科学问题。论文以GRACE卫星重力数据为主，结合水文模型数据、气象数据、水文地质数据及其他辅助数据，研究了黄河中上游地区具有不同空间尺度的黄土高原和湟水流域两个区域内的水储量变化，并在此基础上，联合GPS数据分析了湟水流域内陆地水迁移引起的负荷形变。主要研究内容和成果如下：
(1) 考虑到论文研究区域内水文模型与GRACE数据相关性较差，不适合作为先验信息来计算尺度因子以对滤波后的GRACE信号进行恢复，论文提出了利用GRACE重力场球谐系数的局部正交化结果(Slepian解)替换水文模型计算尺度因子的方法。Slepian解不需要额外的滤波和平滑处理，泄露误差较少且不存在分辨率损失，同时Slepian解与球谐解和Mascon解的具有较好的一致性，因此可以作为先验信息来计算尺度因子。
(2) 论文基于GRACE Mascon解反演得到的水储量变化结果，分析了黄土高原2005—2014年的水储量时空变化和影响因素。结果表明：①黄土高原的陆地水、地表水以及地下水的储量变化都表现出明显的季节性，在夏季和秋季表现为上升，而在冬季和春季表现为下降；②扣除采煤引起的质量迁移后，黄土高原的地表水、陆地水以及地下水在2005—2014这10年间的年变化趋势分别为：0.13±0.09 cm/a、-0.51±0.09 cm/a及-0.65±0.07 cm/a，其中地表水储量表现为略微上升，而地下水储量却呈现出较为严重消耗，尤其是在山西省及其周边区域更为严重；③降水是引起黄土高原水储量季节性变化的原因，并且是水储量补充的重要来源，但并不是黄土高原地下水的严重消耗的原因，黄土高原的地下水严重消耗多是由人为活动所导致，特别是山西省及其周边地区的地下水异常消耗是由大量的煤炭开采所导致。
(3) 论文基于神经网络方法，建立了有较高分辨率的水文地质、气象数据与GRACE数据之间的经验模型，进而获取了湟水流域较高分辨率的水储量变化，并结合地面水井观测数据进行了验证。结果分析表明：①神经网络模拟得到的水储量变化与地面水井观测得到的结果具有较好的一致性，变化趋势也较为接近；②湟水流域内的陆地水储量变化呈现出明显的季节性，在夏季和秋季表现为上升的趋势，而在春季和冬季呈现出下降的趋势；③湟水流域在2014—2016年期间的陆地水储量整体呈下降趋势，其年变化趋势约为-0.61±0.32 cm/a；④降水是陆地水呈现出季节性变化的主要原因，年降水充沛时陆地水储量可以得到有效补充而呈现出上升趋势；⑤在湟水流域的主要城区及其周边，水储量都呈现出下降的趋势，可见人为活动对湟水流域的水储量变化也起着不可忽视的作用。
(4) 论文对比了湟水流域内GRACE和GPS分别得到的垂向周期性形变，结果发现除了个别站点外，二者的相关系数在0.8以上，最大振幅差异仅为0.4 mm，但相位差异平均在25.9°。较大的相位差异可能是由数据处理误差、形变响应延时以及两种数据的时空分辨率差异所导致。从去除趋势项后的GPS垂向形变中扣除GRACE得到的周期性形变后，其WRMS平均减小了33.4%。这些结果可以表明，湟水流域内GRACE与GPS得到垂向形变中的周期信号是由同样的地球物理过程所导致，这里包括陆地水及大气负荷。
终审：金 君
往期推荐
资讯
○ 测绘学报 | 王建荣：高分十四号立体测绘卫星无控定位精度初步评估
○ 招聘启事 | 武汉大学遥感信息工程学院科研团队科研助理管理岗位招聘公告