大气程辐射遥感图像与城市大气污染监测研究

作为对地探测的遥感技术所获取的遥感图像包含了地面和大气信息,并且主要是地面信息.利用地面反射率分布图像将遥感数字图像中弱的大气信息与强的地面目标信息分离,生成仅仅包含大气信息的大气程辐射遥感图像.利用多(高)光谱遥感数字图像中不同波段的大气程辐射遥感图像可以不受地面干扰地对城市大气污染的类型和程度(气溶胶粒径和含量)进行遥感监测.在大气污染地面观测数据(可吸入颗粒物PM10浓度)的支持下,利用MODIS多光谱遥感数字图像生成的对应多光谱大气程辐射遥感数字图像,以上海市为例进行了城市大气污染遥感监测的原理方法研究.     

基于高分辨率影像的城市地区气溶胶反演研究述评

介绍了大气气溶胶对全球气候变化和大气污染状况的影响,阐述了基于卫星遥感反演气溶胶的国内外研究现状;简要介绍了卫星遥感反演气溶胶的原理以及当前应用较为广泛的单通道和多通道法、基于对比度差异的空间结构法、基于多角度数据的反演方法、基于偏振数据的反演方法和基于星载激光雷达数据的反演方法等5类卫星遥感反演方法;最后根据上述反演方法以及城市地区气溶胶反演的难点,对城市地区气溶胶反演研究进行了论述分析和总结,点明了利用卫星高分辨率遥感影像对城市地区气溶胶反演研究的重要性,讨论了当前基于高分辨率影像的城市地区反演方法的不足,并对其存在的问题的突破点和解决途径进行了展望。     

气溶胶定量遥感的机器学习方法综述

机器学习方法近年来取得突破进展,其遥感应用从目标识别和地物分类领域,发展到定量化反演的多个领域。气溶胶定量遥感因其机理复杂,反演参数的种类和精度受到限制,机器学习为气溶胶遥感带来了新的研究和应用技术手段。本文汇总现有研究进展将气溶胶机器学习方法归纳为卫星遥感反演气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）、卫星遥感反演其他气溶胶参数、卫星遥感反演颗粒物浓度（PMx）、地基气溶胶遥感4类。结合作者研究工作,通过分析讨论,归纳机器学习用于气溶胶定量遥感的条件为：（1）物理模型无法使用;（2）已有模型卫星产品精度低;（3）已有模型精度高但计算速度低。从应用的角度来说,可以借助于更多的具有相关性的输入信息,发挥机器学习在反演产品种类、反演精度、计算效率等方面的优势;而对定量遥感来说,应该同时重视挖掘遥感数据本身的信息来提高反演能力,并通过误差分析等手段反馈对遥感机理的理解,使机器学习与遥感机理研究相互促进。     

HJ-1A/B卫星CCD影像的武汉市东湖水色三要素遥感研究

以武汉市东湖为研究区域,利用同步的MODIS-Terra气溶胶光学厚度数据为输入参数,采用FLAASH模型对2010年3月11日HJ-1A/B卫星CCD影像进行大气校正处理,并利用多年实测数据建立叶绿素a浓度、悬浮泥沙浓度、黄色物质吸收系数三要素神经网络反演模型,对水色三要素进行反演。通过对反演结果与实测数据的对比分析可知,悬浮泥沙浓度、黄色物质吸收系数和叶绿素a浓度的平均相对误差分别为28.052%、17.628%和35.621%,表明HJ-1A/B卫星CCD传感器基本能满足II类水体水色要素的遥感监测需求。     

定量遥感

定量遥感是遥感应用深入发展的重要标志, 也是遥感发展的必然。本文综合论述了中国学院遥感应用研究所在定量遥感领域的最新进展和成果, 包括遥感辐射定标、遥感数据大气影响订正和气溶胶反演、遥感数据定量反演、遥感信息模型、定量遥感应用、定量遥感的科学问题和发展趋势等。     

京津冀地区污染过程的气溶胶遥感反演

针对地面监测站覆盖范围有限且成本高的不足,该文采用遥感卫星与地面站点数据相结合的方式,利用简化的气溶胶反演算法反演京津冀地区2013年秋、冬季节两次污染过程的气溶胶光学厚度,分辨率为500m。以气溶胶自动观测网在北京站点的监测数据作为简化的气溶胶反演算法的输入参数,分析气溶胶光学厚度与气溶胶自动观测网对应地面站点的相关性;将所反演气溶胶光学厚度与京津冀地区空气质量监测站点的细颗粒物浓度24h均值进行相关性分析,发现除近海城市外,相关性均较高。结果表明,简化的气溶胶反演算法适用于区域污染过程中的气溶胶光学厚度反演,反演精度高,对空气质量具有较好的监测能力。     

深度置信网络算法反演Landsat 8 OLI气溶胶光学厚度

传统的气溶胶遥感反演算法在地表反射率较低、结构较为均一的海洋及浓密植被等区域的气溶胶反演可以达到较高的精度，而在城市、矿区等高亮度、高异质性区域的气溶胶反演中仍面临较大的挑战。当地表反射率较高时，卫星传感器获取的对气溶胶具有标识性的信息不足，导致了气溶胶反演的困难。为更大程度地挖掘卫星信号中对气溶胶具有标识性的信息，本文提出使用深度学习技术的气溶胶遥感反演算法，用于Landsat 8 OLI传感器的气溶胶反演。选择全球不同区域的AERONET站点气溶胶实测数据以及对应区域的Landsat 8 OLI传感器的观测几何角度和表观反射率数据，根据合理的时空匹配原则构建样本数据。选择深度置信网络，在合理设置训练批次和训练次数的基础上对网络进行训练和测试，生成关于卫星传感器数据的气溶胶光学厚度拟合网络模型，实现气溶胶遥感反演。使用独立的AERONET站点气溶胶实测数据对反演结果进行了验证，结果表明：该方法可反演不同地表类型区域连续空间覆盖的气溶胶光学厚度，且达到了较高的精度（R=0.8745，RMSE=0.0391，MAE=0.0616，EE=87.94%）。与传统的方法相比，本方法基于单时相卫星遥感数据即可实现气溶胶的高精度反演，简化了气溶胶反演的步骤，提高了气溶胶反演的稳定性和时空适应性。     

应用HJ CCD传感器指数的鄱阳湖TSM浓度遥感监测

分别于2008年10月、2009年10月和2011年7月对鄱阳湖地区开展三个航次的科学调查,在分析实测数据基础上,利用TSM浓度应用HJ卫星CCD传感器数据,提出一种TSMI遥感反演的新方法,并与传统基于实测光谱与TSM浓度建立的方法对比分析,模型反演平均相对误差分别为17.5%和20.01%。实验结果显示,利用TSMI指数方法反演结果较优,不仅可以提高TSM浓度遥感反演精度,而且有利于解决内陆浑浊水体遥感监测中水色大气校正算法研究不足的问题。     

MODIS卫星遥感估计福州地区近地面PM2.5浓度

卫星遥感反演气溶胶光学厚度已被广泛应用于近地面空气污染遥感监测。为揭示福州地区细颗粒物污染的空间分异趋势,利用2014年—2015年的地基监测细颗粒物(PM_(2.5))浓度数据、MODIS 3 km气溶胶光学厚度(AOD)卫星数据以及GEOS-FP气象数据,分别构建了估计福州地区近地面PM2.5浓度的日校正模型和站点一日校正模型,并利用十折交叉验证方法对2个模型进行评价验证。结果表明:(1)日校正模型和站点一日校正模型分别能够解释福州地区PM2.5浓度76.2%和81.4%的变异,反演的2014年—2015年福州地区近地面PM2.5浓度和地面实测站点数据之间的相关性R~2分别为0.724(RMSE=10.993μg·m~(-3))和0.781(RMSE=9.687μg.m~(-3));(2)分别针对不同下垫面环境的城市站点和县郊站点数据进行模型拟合验证,两个模型反演的PM2.5浓度值与地面实测值之间皆具有良好的相关性,R~2最高可达0.808;(3)将模型反演的PM2.5浓度季均值与地面实测季均值进行对比分析,结果也显示二者高度相关,据此反演的2015年福州地区年平均PM2.5浓度分布图可清晰地揭示福州地区PM_(2.5)浓度分布的空间变化情况。由此可见,基于MODIS 3 km AOD产品和气象数据建立的近地面PM_(2.5)浓度遥感估算模型能够很好地反演出福州地区近地面PM2.5浓度分布情况。     

大气PM2.5遥感制图研究进展

遥感技术具有时空大范围、低成本的独特优势,已经成为定量监测大气PM_(2.5)污染时空分布的重要手段。本文综述了大气PM_(2.5)遥感制图的进展:首先,对大气PM_(2.5)遥感反演方法进行了归纳,以及总结了现有大气PM_(2.5)遥感反演验证方法的适用条件与局限性;其次,对卫星反演大气PM_(2.5)合成产品偏差校正和大气PM_(2.5)无缝制图进行了梳理;最后总结了大气PM_(2.5)遥感制图的前沿研究方向。     

MERSI和MODIS卫星监测京津冀及周边地区PM2.5浓度

京津冀及周边地区是中国PM_(2.5)污染最重的区域之一,利用卫星遥感技术监测大范围的PM_(2.5)时空分布变化是一种先进的重要手段。本研究首先基于暗像元算法利用FY-3B/MERSI与AQUA/MODIS对京津冀及周边区域进行了遥感AOT反演和验证分析;然后,引入气象资料和地面观测资料利用GWR模型反演了区域PM_(2.5)浓度,并对遥感反演结果进行了交叉验证评估,综合对比分析了MERSI和MODIS的气溶胶及PM_(2.5)遥感监测能力;最后,利用MERSI数据对2017年第一季度京津冀及周边区域的PM_(2.5)月均浓度时空分布变化情况进行了初步探索分析。结果表明:FY-3B/MERSI在气溶胶及PM_(2.5)遥感监测能力方面略优于AQUA/MODIS,MERSI反演的1 km分辨率AOT和PM_(2.5)与地面站点实测结果的决定系数R2分别为0.76μg/m~3和0.79μg/m~3,均方根误差分别为0.26μg/m~3和28μg/m~3,平均绝对误差分别为0.16μg/m~3和15μg/m~3,能基本满足对京津冀及周边区域PM_(2.5)的精细化监测需要。2017年第一季度京津冀及周边区域PM_(2.5)月均浓度遥感监测结果表明该区域的PM_(2.5)空间分布格局与地形地貌关系密切,高值区整体上沿太行山脉成带成片;从时间变化来看,1—3月呈逐月下降的趋势,其中3月份PM_(2.5)区域浓度较1月和2月有大幅下降。这说明FY-3\MERSI遥感反演产品能为环境质量监测和环境管理工作效果评估提供有效参考,本研究对国产卫星在大气环境遥感业务中的大力发展应用有重要参考意义。     

VIIRS高分辨率地表反射率关系库支持下的气溶胶光学厚度反演

通过遥感技术反演气溶胶光学厚度AOD对于全面、动态监测大气污染时空变化具有重要意义.可见光红外成像辐射仪VIIRS作为MODIS的后继传感器,可在全球范围内实现对气溶胶的连续时空监测.针对复杂的地表类型,通过构建基于像素的动态地表反射率关系库,能实现陆地AOD高分辨率反演.利用全球气溶胶自动观测网站AERONET地基站点观测结果对反演结果对比验证,发现二者具有显著的相关性,相关系数达到0.849,RMSE为0.184,优于官方产品的0.197;通过与2018-04-20真彩图比对,反演结果较官方产品更符合实际气溶胶分布趋势.该算法在陆地AOD反演上具有良好的性能,为进一步研究利用Suomi-NPP VIIRS数据反演大气颗粒物质量浓度提供了重要数据源.     

利用氧气和水汽吸收波段暗像元假设的MERIS影像二类水体大气校正方法

摘 要:MERIS数据以其更为合理的水色波段设置和300m较高的空间分辨率,在内陆湖泊水环境遥感监测中有较大的应用潜力, 对其进行有效的大气校正则是水环境参数定量化反演的前提。以太湖为研究区, 研究基于氧气和水汽吸收波段的暗象元假设, 改进传统的近红外波段暗像元假设的大气校正方法。采用MERIS L2p数据辅助获取湖区气溶胶参数, 并利用2007年11月11日、2008年11月20日以及2009年4月25日三景MERIS影像进行方法验证。结果表明, 该方法能够快速、有效地完成MERIS影像的大气校正, 与地面准同步实测数据相比, 三次校正的RMSP都在25%以下; 与BEAM自带的二类水体大气校正算法、气溶胶厚度辅助的6S大气校正以及改进的暗象元算法进行精度比较, 表明该算法校正精度较高。由于该算法不需要同步实测气溶胶数据, 因此具有一定的适用性。     

大气环境卫星温室气体和气溶胶协同观测综述

人类排放的温室气体和气溶胶是造成全球气候变暖和大气环境恶化的主要因素,也是大气环境卫星遥感的核心探测目标。与传统的单一探测目标卫星相比,实现同平台的大气温室气体和气溶胶协同监测,对于提高温室气体卫星反演精度、改善“自上而下”碳源汇估算、提升温室气体和气溶胶的人为/自然源区分能力具有重要意义,也是各国航天机构积极发展的空间探测手段。本文对欧、日、中、美等具备温室气体和气溶胶协同监测能力的卫星进行系统的介绍,包括卫星平台、传感器、处理算法和质控验证。按照卫星监测任务和传感器用途,将其分为大气综合探测卫星和温室气体监测卫星两大类,并从碳中和行动和大气环境综合治理等需求出发,提出温室气体和气溶胶协同观测星座（GACOC）的概念及其发展方向,包括主被动卫星组网观测、温室气体和气溶胶高精度联合反演算法、人为排放源识别和定量监测等应用。     

渤海湾近岸海域水深遥感反演研究

针对多光谱遥感技术进行浅海水深信息提取具有覆盖地域大、动态连续监测等特点,该文利用环境与灾害监测预报小卫星星座A星(HJ-1A)影像数据,对渤海湾20m以内近岸水域的水深进行实验研究。通过对HJ-1A遥感图像不同波段及波段组合的反射率与实测水深值的相关关系分析,选取敏感波段,建立最佳回归模型,定量计算研究区水深值。研究发现:5~10m水深区域内遥感反演效果最好;10~20m次之;0~5m受沿岸构筑物、泥沙等影响严重,反演效果较差。     

短波红外CO2反演过程约束研究及初步反演结果

短波红外通道卫星CO2遥感是近年国际研究热点。首先,开展了卫星观测对气溶胶及大气温度的敏感性研究;其次,针对基于最优化理论的非线性迭代反演方法反演过程中的不收敛问题,提出了修正的阻尼牛顿方法(MDNM),并利用模拟数据评估了MDNM方法的有效性;最后,利用GOSAT卫星数据反演CO2的垂直混合比浓度,并与地基TCCON站点数进行比对。研究结果表明:短波近红外CO2卫星遥感受气溶胶散射及温度影响明显;通过地基比对初步验证了MDNM具有良好的精度,两者的相关性R2达到了0.729。     

渤海环境遥感监测业务化应用技术

重点介绍利用遥感卫星数据进行海表温度、海面风场、海洋水色和大气参数等海洋环境要素反演技术以及数据产品真实性检验方法, 描述了渤海遥感监测数据产品和精度指标, 对于建立区域性海洋遥感监测业务化系统具有重要的科学价值。     

基于IDL的ETM＋大气校正与反射率反演

卫星遥感数据的大气辐射校正是定量遥感的基础。目前大气辐射校正方法的局限性已经严重影响了定量遥感科学的发展。本文详细阐述了黑暗像元原理及其算法、模型参数的确定及处理流程,利用IDL语言完成成都地区ETM＋卫星遥感数据大气辐射纠正,同时实现了地表反射率反演。     

融合卫星遥感与地面测站的区域PM2.5反演

融合卫星遥感与地面站点的互补优势,进行了华中地区PM2.5的反演研究.基于MODIS LIB数据,结合暗像元法和亮目标法,利用6S大气传输模型反演获得分辨率为1 km的气溶胶光学厚度(AOD);基于M估计理论,将遥感反演的AOD与PM2.5站点数据进行稳健回归分析,并根据回归模型实现大尺度空间连续的PM2.5反演;最后,利用留一交叉验证法,对反演精度进行了验证.结果表明,反演的1 km AOD和MODIS现有的AOD产品相比,与PM2.5站点数据的相关系数从0.683提高到0.883,生成的PM2.5平均绝对误差从23.495 μg/m3降低到11.705 μg/m工3.     

大气气溶胶成分遥感研究进展

大气气溶胶成分的复杂变化导致其在气候变化评估中具有很高的不确定性。气溶胶成分遥感利用遥感观测的气溶胶光学—微物理参数,定量估计整层大气气溶胶主要成分含量,具有实时快速、空间覆盖、保持气溶胶自然状态等特点。本文介绍了近年来气溶胶成分遥感在理论基础和观测研究方面的进展情况。首先,在简要回顾反演算法发展的基础上,以目前较先进的成分遥感分类模型(包括黑碳、棕色碳、沙尘、非吸光有机物、细粒子无机盐、海盐和水)为例,详细分析了气溶胶成分遥感反演的思路。据此提出了基于气溶胶综合光学—微物理特性(包括光学吸收/散射、粒径尺度、形状等敏感性特征参数)的气溶胶成分遥感识别方法。之后,结合气溶胶混合方式,讨论了复折射指数计算方法及其对成分反演的影响,并给出了利用同步化学采样观测验证气溶胶成分遥感的一些结果示例。最后,结合观测手段拓展、成分模型优化、反演精度提升、应用能力推广等4个方向,展望了大气气溶胶成分遥感的发展趋势,及其在全球气候变化评估等领域的应用。