新型Landsat8卫星影像的反射率和地表温度反演

Landsat 8卫星自2013年2月发射以来,其影像的定标参数经过了不断调整和完善,针对Landsat 8开发的各种算法也相继问世.本文采用最新的参数、算法和引入COST算法建立的大气校正模型,对Landsat 8多光谱和热红外波段进行了处理,反演出它们的反射率和地表温度,并与同日的Landsat 7数据和实测地表温度数据进行了对比.结果表明,现有Landsat 8多光谱数据的定标参数和大气顶部反射率反演算法已有很高的精度,本文引入COST算法建立的Landsat 8大气校正模型也与Landsat 7的COST模型所获得的结果几乎相同,相关系数可高达0.99.但是现有针对Landsat 8提出的地表温度反演算法仍不理想,已提出的劈窗算法误差都较大.鉴于TIRS 11热红外波段的定标参数仍不理想,因此在现阶段建议采用单通道算法单独反演TIRS 10波段来求算地表温度,但要注意根据大气水汽含量的情况选用正确的大气参数计算公式.     

BRD和DOAS SO_2总量遥感反演算法的比对

大气中SO_2是一种对城市大气环境变化和全球辐射能量平衡有着重要影响的痕量气体.BRD(Band Residual Difference Algorithm)和DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy)算法是两种主要的SO_2总量遥感反演算法,分别被用于美国和欧洲不同卫星载荷数据的SO_2反演.然而,目前缺少两种算法在相同观测条件下SO_2反演的精度比较及不确定性分析、在物理数学反演机制上的差异追因.因此,本文基于相同的仿真模拟数据和卫星紫外辐射观测数据,反演获得不同大气状况下的BRD和DOAS SO_2总量并进行精度比较验证.从算法反演通道、O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度影响等方面,讨论分析BRD和DOAS反演结果差异及反演误差的原因.结果表明,在低浓度SO_2情况下,BRD反演SO_2总量更接近于正演输入SO_2总量,DOAS反演结果存在高估,但相对于BRD算法,DOAS算法长时间序列卫星反演结果更能表现出SO_2的季节变化特征;在高浓度SO_2情况下,BRD(310.8~314.4nm)和DOAS(315~327nm)反演结果的绝对值差异明显且存在低估,BRD(310.8~314.4nm)SO_2反演值及反演精度都低于DOAS(315~327nm)反演结果.基于高光谱分辨率大气辐射传输模型SCIATRAN的反演不确定性分析结果显示,反演通道选择、紫外O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度对SO_2总量反演精度的影响较大.本研究对于SO_2卫星遥感反演算法的改进及SO_2反演产品的应用具有重要的科学意义,也可促进中国未来大气成分SO_2卫星遥感产品的研发.     

卫星重力梯度测量与地球引力场的精度研究

本文根据地球引力位的球谐函数展开式,利用重力梯度张量各分量导出了位系数模型的精度估计公式.从三方面进行了研究:假定卫星重力梯度仪测量精度,探讨用重力梯度数据确定地球重力场模型的精度;求出位系数模型和大气阻力引起的重力梯度卫星的轨道误差;最后,反求轨道误差和位系数误差对重力梯度测量值的影响.数值计算表明,与地面技术和常规卫星方法相比,卫星梯度测量可使重力场模型的精度至少提高3-5倍;利用重力梯度张量全分量求得的重力值精度比单用径向分量V_rr的结果提高40％以上;若仅顾及位系数模型和大气阻力误差,则轨道误差对梯度测量值的影响△V_i3（i=3,2,1）至少可分别在1/4和1/3弧圈内达到△V_i3≤σ（仪器精度）.     

卫星反照率产品的多尺度验证与不确定性分析

中低分辨率卫星反照率产品反映了局地与全球尺度地表吸收太阳短波辐射的能力,在气候变化与能量平衡研究中具有重要应用.卫星产品的精度通常基于地面观测值进行验证,而中低分辨率卫星反照率产品的验证需面对卫星与地面观测尺度的差异这一难题.引入高分辨率反照率作为尺度转换桥梁是一种常用验证策略,但高分辨率反照率数据本身的误差,以及它与地面观测、中低分辨率产品的互匹配都可能给验证结果带来不确定性.本文验证策略对这些不确定性进行了控制:以不确定性最小原则设计地面采样策略,用地面观测值对30 m分辨率反照率(用国产HJ-1a/b卫星数据反演得到)进行了校正,用校正后的30 m反照率升尺度后,选择不确定性更小的像元评价中低分辨率反照率的精度.以中国黑河流域中游为研究区开展了对GLASS和MODIS两种1 km分辨率反照率产品的验证试验.验证结果表明,尺度转换后的HJ反照率可以精确的检验低分辨率反照率产品的精度,但是必须考虑验证过程中的不确定性,并在验证时排除不确定性过大的像元.     

基于星载高精度GPS观测数据的大气密度反演

星载高精度GPS观测数据可提供卫星速度和位置信息,而卫星的运行轨迹又与所处位置的大气密度紧密相关,因此可通过求解大气阻力微分方程,由高精度GPS观测数据反演出卫星运行轨迹上的热层大气密度.本文从星载高精度GPS观测数据出发,给出大气密度的反演方法,以及平均平动参数nM、反弹道系数B两个重要参数的解算过程,并以天宫一号为例,给出反演结果与天宫一号观测数据的比对.结果表明,反演结果与观测值符合很好,两者的均方差在2012年1月1日、2月24日分别为8.6%和8.4%,说明利用星载GPS观测数据反演大气密度是有效、可行的,可成为今后获取高精度大气密度的一种方法.     

陆面微波比辐射率的卫星观测研究进展

复杂多变的陆地表微波比辐射率,造成陆面上星载微波观测反演大气参数较为困难,也使得许多卫星微波资料不易同化应用到数值模式,因此迫切需要提供准确可靠的陆面微波地表比辐射率信息.随着卫星观测技术的迅速发展,利用丰富的星载被动微波观测直接反演陆面微波比辐射率成为一种主要手段.国外针对星载微波成像仪和微波垂直探测器开展较为系统的陆面微波比辐射率研究,建立不同类型的地表比辐射率反演方法,开发地表比辐射率参数化方法并应用于辐射资料同化.对于卫星观测反演陆面微波比辐射率存在的问题,开展了评估分析和方法订正.国内利用卫星观测也开展了一些陆面微波比辐射率研究工作,尚需要系统、综合的提炼.对于地表特征复杂的中国地区,还需要评估认识不同陆面微波比辐射率反演方法在我国适用情况,需要增强陆面微波比辐射率数据质量的认识以及业务应用.     

基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟分析

针对对流层主要污染物(对流层臭氧、NO_2、SO_2及HCHO)的高分辨率、高频次监测需求,开展了基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟观测实验.在参考现有极轨卫星载荷的遥感监测能力和仪器参数基础上,根据静止卫星观测模型,利用正演辐射传输模式模拟观测光谱.根据最优估计反演理论,分析光谱仪的主要指标参数对各目标气体的反演敏感性和反演误差.基于各目标气体反演精度需求,提出光谱仪的观测波段、光谱分辨率和信噪比等关键指标参数的建议方案.为评估选定的光谱仪参数能否满足需求,利用大气化学输送模式模拟中国区域大气成分的三维分布,进行中国区域的模拟反演实验.结果表明,针对各目标气体,满足反演需求的实验数目均达到90%左右.臭氧总量和平流层臭氧的反演精度可达到2%,且各气体反演在太阳天顶角高于70°范围内仍可以获得有效数据.因此,我们所提出的静止卫星观测方案和仪器参数方案具有一定可行性,为优化将来中国静止轨道卫星光谱仪仪器指标提供了理论依据和模拟工具.     

风云三号C星微波湿温探测仪的定标和验证

风云三号C星(FY-3C)已经于2013年9月23日发射升空,其上装载的微波湿温探测仪(MWHTS)已于9月30日开机正常工作.MWHTS具有对大气温度和湿度垂直分布进行同步探测的能力.MWHTS为跨轨扫描式微波辐射计,在89~191GHz毫米波段内设置了十五个探测通道,其中包括118.75GHz氧气吸收线附近的8个大气温度探测通道,183.31GHz水汽吸收线附近的5个大气湿度探测通道,以及89GHz和150GHz两个窗区通道.设置在118.75GHz的一组毫米波探测通道是国际上业务卫星首次使用的大气探测通道,这组通道和183.31GHz通道对大气进行联合探测,将获得更加精细的大气温湿度垂直分布数据,为数值预报和气候研究提供丰富信息.为保证MWHTS观测资料的定量应用,对仪器性能和定标精度进行了在轨测试.利用MWHTS在轨正常工作后的三个月数据,对仪器在轨定标的基础数据:冷空和黑体计数值,黑体和仪器温度进行监测分析和质量检验,经过质量检验的在轨定标基础数据,结合发射前真空试验得到的非线性订正项在轨定标生成MWHTS观测亮温数据.评估MWHTS在轨辐射定标结果的精度和偏差特性使用了三种方法:1通过场地定标试验获取大气温湿廓线和地面温度等大气参数信息,结合微波逐线正演辐射传输模式MonoRTM(Monochromatic Radiative Transfer Model)模拟MWHTS的上行微波辐射亮温,与MWHTS实际观测结果进行对比分析;2两个通道特性一致的同类星载被动微波载荷同时观测同一目标,观测亮温的差异主要取决于两个载荷的定标系统偏差.选取美国SNPP上搭载的微波探测仪器ATMS作为MWHTS的参考载荷,基于SNO(simultaneous nadir overpass)技术,对两个仪器的观测亮温进行交叉比对,观测亮温时空匹配及均匀性检验的条件为:观测时间差异小于20min,观测像元中心距离小于3km,观测角度在星下点附近差异小于5°,观测像元周围3×3像元内的亮温标准差小于1K;3基于美国国家环境预测中心的全球数据同化系统GDAS(Global Data Assimilation System)数据,利用快速辐射传输模式CRTM(Community Radiative Transfer Model)对MWHTS各通道亮温进行正演模拟,模拟结果(O)和仪器实际观测的亮温(B)之间的差异记为"O-B",对偏差值"O-B"进行统计特征分析.仪器中心频率的变化、正演模式模拟精度和模式输入廓线自身的误差都会对"O-B"产生影响.但是对于首次使用的探测频点而言(如118.75GHz通道),由于国际上没有同类载荷可以进行交叉比对,借助于正演辐射传输模式计算得到"O-B"偏差的分析结果可以在一定程度上反映仪器整体定标情况.外场地定标试验结果显示除通道14外,其他14个通道的亮温差都在1.3K以内;与同类载荷ATMS的在轨观测进行直接交叉比对表明通道14与ATMS的亮温偏差最大,但中心频点一致的5个水汽探测通道的标准差都小于1K;将MWHTS观测结果和正演辐射传输模式模拟结果即"O-B"进行偏差分析显示,靠近118.75GHz吸收线中心的通道2—6"O-B"标准差小于0.5K,其他通道"O-B"标准差和ATMS相应通道的结果相当;MWHTS观测和模拟偏差随角度变化的研究表明通道1,7~13和15观测结果对角度有一定依赖性.     

利用ENVISAT/AATSR资料反演黄土高原陇东地区地表温度

由于ENVISAT/AATSR资料不同角度热辐射亮度值之间存在较高的相关性从而导致较大误差的产生,本文尝试避开这种误差源,只选取天底观测数据对黄土高原陇东地区整层大气水汽含量及地表温度进行反演.与MODIS整层大气水汽含量产品对比验证表明,本文结果与MODIS产品有一定差异,但是可以直接用于大气透过率的估算.结合野外观测数据对地表温度反演结果的检验表明,最大绝对误差为4.0 ℃,平均相对误差为5.0％,因此,该算法在黄土高原陇东地区应用比较成功.     

基于GOSAT卫星观测的大气CO_2浓度与模型模拟的比较

卫星从空间对大气CO2的实时观测可以客观地获取全球和区域大气CO2浓度的变化信息;另一方面,利用全球大气输送模型的数值模式模拟得到时空连续的全球大气CO2浓度是目前科学家们定性和定量地研究大气CO2全球输送过程及时空变化规律的主要途径之一.卫星观测和模型模拟以两种不同的方式为我们提供大气CO2浓度信息,但对于这两种方式所揭示的全球以及区域大气CO2浓度特征的差异还没有一个综合的对比分析与评价.本文收集2009年6月到2010年5月的GOSAT卫星观测数据,利用GEOS-Chem模型模拟了同时期全球大气CO2浓度,对比分析两种方式揭示的大气CO2时空变化特征差异,通过比较中国陆地与同纬度美国陆地区域的差异,评价分析卫星观测和模型模拟各自的合理性和不确定性.结果指出卫星GOSAT观测反演的大气CO2浓度总体低于模型模拟2 ppm左右,与地面观测验证的结果相近.但是两者的差异在不同的区域上明显不同,在中国陆地区域显示了从0.6~5.6 ppm很大的差值变化,而在全球陆地区域为1.6~3.7 ppm、美国陆地区域为1.4~2.7 ppm.卫星GOSAT观测与模型模拟在美国陆地显示了0.81的拟合优度,高于全球陆地区域的0.67和中国区域的0.68.综合分析结果指出在中国区域卫星观测与模型模拟的不一致性高于美国和全球,其原因与卫星观测反演算法中输入参数的不整合所引起的CO2浓度反演误差以及模型模拟中驱动参数数据的准确性有关.     

利用GRACE卫星重力资料解算气候驱动的地表周年垂直形变

卫星重力和GPS测量技术可以监测地表流体(大气、海洋和陆地水)质量季节性迁移引起的地表周年形变;与陆地水等地表流体模型综合模拟的地表形变相比,卫星重力的形变监测结果避免了模型的精度不确定性带来的误差.本文利用前60阶GRACE卫星时变重力资料和“去相关”、组合滤波两类滤波方法分别解算了中国及邻区的地表季节性垂直形变,并与区内42个GPS台站上观测到的季节性信号进行了比较,发现采用“去相关”滤波方法处理后的结果优于采用组合滤波处理后的结果.文中采用“去相关”滤波方法,GRACE解算的周年垂直形变的振幅、相位和GPS结果总体上一致;少数站上GRACE和GPS得到的振幅或相位相差较大,主要因素可能与GPS解算策略、GPS观测资料的连续性或局部大气、水文过程等地球物理因素有关.在中国及邻区的陆地上GRACE解算的周年垂直形变的振幅最小值出现在TASH台站东南,约1×10^-3 m;最大值出现在恒河-澜沧江流域,可达10×10^-3 m.文中的结果证实了在中国及邻区可以用GRACE卫星重力这种新手段监测大尺度的地表周年垂直形变.     

GPS-MR技术用于降雪厚度监测研究

降雪是重要的淡水资源,也是全球气候系统中重要的组成部分.目前全球雪深探测主要依靠站点稀疏的人工探测仪或低时空分辨率的遥感卫星.近几年,基于不同地表介质引起GPS多路径效应的GPS-MR技术以其全天候,自动化,时空分辨率高、无需建网等诸多优点成为雪深探测领域的一个新型探测手段,本文在国内首次开展了基于测量型接收机的GPS-MR探测雪深研究.首先详细给出了基于GPS信噪比观测值的GPS-MR技术进行雪深探测的基本原理;其次结合实测GPS观测数据和雪深测量数据,分别利用单颗和多颗GPS卫星对GPS-MR探测雪深的可行性与探测精度进行深入研究与分析.初步实验结果表明基于信噪比观测值的GPS-MR技术可用于雪深探测,与实测雪深数据相比其探测精度约为10cm左右,尤其可用于暴雪监测.GPS-MR技术不仅可充分挖掘全球密集GNSS网络用于地表环境监测(雪深探测、海平面变化、土壤湿度、植被变化、火山活动等)的潜能,而且可进一步精化GNSS多路径模型误差,以期进一步提高GNSS用于精密定位与地表环境监测的精度.     

近地表大气电场观测试验场建设

作为地震前兆电磁观测手段之一,震前大气电场异常观测研究在我国已开展多年,为了进一步研究近地表大气电场与震前异常的关系,设立了国家科技支撑计划课题专题"近地表大气电场、地电场综合观测试验研究".文章介绍了试验场所用的KDC-01型大气电场仪,近地表大气电场观测试验场在大祝前兆台阵中的建设情况,以及产出数据的初步分析结果.     

GPS测量误差对大气掩星反演精度影响分析

在无线电GPS大气掩星观测中,GPS和LEO卫星的位置误差、速度误差、卫星钟的漂移、载波相位观测误差等会给其反演的大气参量带来一定的误差.为定量分析上述GPS测量误差对大气掩星反演精度的影响,本文采用模拟分析的方法,利用CHAMP实测轨道数据和大气与电离层经验模式,采用三维射线追踪方法模拟得到大气附加相位观测数据;然后根据各种GPS测量误差的不同性质,在模拟掩星观测大气附加相位数据中加入GPS测量误差并进行反演,将其反演结果与未加入误差时的反演结果进行比较,分析各测量误差所带来的掩星反演误差的特点;利用一天的151个分布全球的掩星事件的误差结果进行统计分析.结果表明:(1)±10 m的GPS径向位置误差引起的温度反演误差的平均误差在30 km的高度为(-+)0.8K,标准偏差为0.05K;±0.4 m的LEO径向位置误差引起的温度反演误差的平均误差在30 km的高度为(-+)1.2K,标准偏差为0.07K.(2)仅考虑卫星速度误差对掩星几何关系的影响,则±30 m/s的GPS速度误差引起的温度反演误差的平均误差最大为±0.02K,标准偏差为0.3K;±10 m/s的LEO速度误差引起的温度反演误差的平均误差最大为±0.4K,标准偏差为0.06K.(3)当卫星钟漂为1×10-9时,反演温度误差的平均误差在30 km的高度为263K,标准偏差为16K,当卫星钟漂为1×10-14时,反演温度误差的平均误差在30km的高度为0.019K,标准偏差为0.004K.(4)当L1和L2载波相位观测误差分别为1 mm和2 mm时,引起的温度反演的平均误差在30 km的高度为0.01K,标准偏差为0.4K.(5)利用较接近真实观测的三维大气和电离层背景下的模拟附加相位数据,同时加入国际最新指标的各种GPS测量误差进行反演,误差分析结果为:在30 km以下,折射率和密度的相对误差小于0.3%(1σ),压强的相对误差小于0.5%(1σ),温度误差小于1K(1σ).     

GMS 5资料反演地表温度的一个修正算法

本文研究发展利用GMS 5/VISSR每小时卫星观测资料反演地表温度的方法,首先利用时空判断法进行云检测寻找晴空像元,然后从辐射传输方程出发,由实时探空资料求取大气上行、下行辐射率及大气透过率,根据由AVHRR NDVI导出的地表比辐射率,用单时相双光谱分裂窗法反演得到地表温度.比较反演结果与54511站及其他中国基准站2000年地面0cm地表温度实测值,相对于国际上其他经验公式而言,本文算法在精度上有所提高.敏感性分析试验着重于大气衰减的影响.基于本文算法,给出了内蒙中东部地区地表温度连续4天的变化实例以及东亚部分陆地“纯晴天”地表温度图.     

基于卫星数据和NRLMSISE-00模型的低轨道大气密度预报修正方法

NRLMSISE-00大气模型广泛应用于航天器定轨和预测等方面,但存在着较大的误差,尤其是在短期变化方面.为了提高低轨道大气密度短期预报的精度,我们提出了一种基于实测数据对NRLMSISE-00大气模型密度结果进行修正预报的方法:利用GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002-2008年大气密度探测数据对NRLMSISE-00模型进行误差分析,获得模型的修正因子,再对模型的大气密度结果进行修正.采用该修正方法对GRACE-A和CHAMP卫星轨道上的大气密度进行3天短期预报试验验证,结果表明可显著提高大气密度的预报精度,在太阳活动低年,修正后的大气密度预报误差比NRLMSISE-00模型误差降低50%以上.     

雷达干涉PS网络的基线识别与解算方法

时序雷达干涉图中的永久散射体(PS)可看作“天然GPS点”, 以构成网络用于监测长期的地表形变. 本文提出采用邻接矩阵拓扑模型对基于Delaunay剖分算法生成的PS网络进行基线识别, 并采用时序相干最大化算法求解PS基线的线性形变速度增量和高程误差增量. 该数据模型和计算方法被应用于探测香港地区2006~2007年间的区域地表沉降. 实验研究采用由Envisat卫星ASAR传感器对该地区成像所获取的时序SAR影像作为数据源, 并联合该地区12个GPS连续运行参考站的观测数据予以大气修正和地面控制. 实验结果表明, 该模型和方法应用于地表形变测量是有效的和可靠的, PS网络方法探测地面沉降的精度约为±2.0 mm/a.     

基于重力卫星几何轨道线性化的地球重力场反演方法

传统动力学法的观测方程以6个初始轨道参数和先验力模型为初值进行线性化,其线性化误差随积分弧长拉长而增大.本文直接以重力卫星的几何观测轨道为初值进行线性化,其线性化误差与轨道弧长无关,且不需要初始重力场模型和初始轨道参数.导出了基于卫星轨道观测值反演重力场模型的相关公式,利用JPL公布的RL02版本2008年全年的GRACE双星轨道数据和加速度计数据解算了90阶次的地球重力场模型TJGRACE01S,并以EGM2008模型为基准与其他模型进行了比较分析,结果表明:TJGRACE01S模型直到90阶次的大地水准面累积误差为17.6 cm,优于同阶次的EIGEN-CHAMP03S和EIGEN-CHAMP05S模型,前27阶位系数整体精度优于EIGEN-GRACE01S,前15阶位系数整体精度与EIGEN-GRACE02S模型精度大致相当.利用美国8221个GPS水准点数据的分析结果也表明,本文模型也优于同阶次的EIGEN-CHAMP03S和EIGEN-CHAMP05S模型.     

APOD卫星大气密度数据处理与标校

APOD卫星是我国首颗以热层大气密度探测与精密定轨为科学目标的微纳卫星,搭载大气密度探测器、双频GNSS接收机等载荷,于2015年9月20日发射入轨,2015年10月27日进入轨道高度460 km、轨道倾角97.4°、降交点地方时6∶20的工作轨道,各项载荷随即展开例行观测.本文给出了APOD卫星大气密度探测器的基本原理和数据处理流程,采用基于双行根数（TLE）反演获取的密度数据,对2015年12月至2016年12月的就位探测数据进行了标校,并与经验密度模式进行了比较.结果表明,反演密度与APOD卫星就位探测数据的线性相关性达到0.943,采用线性拟合与二次函数拟合的残差水平基本相当.两种不同方法标校密度相对于NRLMSIS00模式日均值误差的均值和标准偏差为10.1%、18.2%和5.1%、17.1%,二次函数标校略优于线性标校;相对于JB2008模式日均值误差的均值和标准偏差为0.6%、14.9%和3.9%、16.9%,线性标校略优于二次函数标校.总体而言,APOD卫星大气密度就位探测数据与常用经验模式精度基本一致,可为开展大气密度变化规律及应用研究提供数据基础.     

基于非全张量卫星重力梯度数据的张量不变量法

在非全张量卫星重力梯度观测数据的处理过程中,由于卫星姿态角误差、梯度观测数据误差和非全张量观测等原因,重力梯度值从卫星重力梯度仪系转换到地固系后,精度损失严重.本文研究了张量不变量法以解决上述问题.首先在重力梯度张量不变量线性化的基础上,建立了基于卫星轨道面的不变量观测模型,完整地推导了两类重力梯度张量不变量的球近似和...