FY-3C/MWHTS资料反演陆地晴空大气温湿廓线

针对风云三号C星微波湿温探测仪(FY-3C/MWHTS)的陆地晴空观测资料,建立了一维变分反演系统,对大气的温湿廓线进行反演。为了更好地描述温湿廓线的相关性,同时减小温度和湿度在反演过程中相互之间的误差传递,提出了使用背景协方差矩阵的联合矩阵和单独矩阵进行组合反演的方法。对于MWHTS模拟亮温和观测亮温之间的偏差,使用逐扫描点的统计回归方法进行校正。选择中国部分陆地区域的晴空观测亮温进行温湿廓线的反演,并利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析数据、美国国家环境预报中心(NCEP)分析数据以及无线电探空观测(RAOB)数据对反演结果进行验证,温湿廓线的反演结果与ECMWF再分析数据验证的最大均方根误差分别是2.59 K和11.87%,与NCEP分析数据验证的最大均方根误差分别是1.88 K和21.50%,与RAOB数据验证的最大均方根误差分别是3.43 K和25.48%,验证结果表明了反演结果的可靠性。另外与国外同类载荷AMSU观测亮温的物理方法和统计方法反演精度进行了对比,结果表明:MWHTS具有较强的湿度廓线以及高空温度廓线的探测能力,且针对MWHTS的观测亮温建立的一维变分反演系统具有较高的反演精度。与NCEP 6小时预报廓线的验证结果表明:反演的湿度廓线可以提高预报廓线的精度。     

大气温湿廓线反演问题的研究

介绍了反演大气温湿廓线的主要传感器特性,阐述了ATOVS、MODIS和AIRS这3个卫星传感器的仪器特征及其相应的大气温湿廓线反演原理和方法,对其利弊进行初步分析,总结了大气温湿廓线反演问题的发展趋势.     

应用SVM技术模拟前向辐射传输模式

提出了一种利用支持向量机(SVM)模拟前向辐射传输模式的方法.利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的RTFOV_8_7前向辐射传输模式和60L-SD廓线集牛成了AMSU-A模拟亮温资料,用模拟亮温和相应的廓线集资料组成训练样本和检验样本,采用SVM方法进行训练.对检验样本的模拟显示,SVM可以用于描写前向辐射传输模式中的非线性映射关系,较好地由大气廓线集资料模拟出与其相关的AMSU-A仪器5-14通道亮温,其中通道6-14的均方根误差在0.1K以内,平均误差算术平均值在0.01K以内.通过多元线件同归方法对温度廓线进行反演试验,发现用SVM模拟的亮温可以用于温度廓线反演,其反演精度可以达到甚至高于RTTOV_8_7计算的亮温.     

遥测地表温度与比辐射率的迭代反演方法──理论推导与数值模拟

首先在地表比辐射率为已知的条件下,提出一个非线性迭代温度反演模型,我们对不同的地表和大气条件进行了模拟计算,结果表明当大气温度廓线误差－２Ｋ－２Ｋ,水汽廓线误差±２０％时的温度均方根误差为０．４８Ｋ。当大气模式误差一个模式时反演的温度均方根误差为０．８５Ｋ。在此基础上,引人相邻像元的概念,相邻像元的大气状况可以认为是相同的,应用两个时相的遥感影像数据,假定在两个相近时相之间地表比辐射率值不变,建立地表比辐射率与温度的反演模型。我们对不同的地表和大气条件进行了模拟计算,结果表明当大气温度廓线误差－２Ｋ－２Ｋ,水汽廓线误差±２０％时地表温度均方根误差小于１．５Ｋ,地表比辐射率均方根误差小于０．０２,地表辐射均方根误差为１％;当大气温度廓线误差－２Ｋ－２Ｋ,水汽廓线误差±１０％时,地表温度均方根误差小于１．０Ｋ,地表辐射均方根误差小于０．６％。     

FY-3C微波温度计资料的台风“威马逊”垂直结构研究

风云三号C星(FY-3C)携带的微波温度计(MWTS)辐射资料能够穿透非降水云,因此非常适合热带气旋的监测和结构研究。本文使用MWTS观测资料和逐步多元线性回归方法反演晴空和有云两种不同大气状况下的垂直温度廓线。晴空条件下,使用MWTS通道3—10的观测亮温进行大气温度廓线的反演,而有云情况下,仅使用通道5—10,并且两种状况下的逐步线性回归反演都通过1%的信度检验。研究结果表明在晴空状况下,大气各层温度反演的均方根误差都在1.4 K以下,足够精确到可以用于热带气旋上层暖心结构的反演。通过对台风"威马逊"周围温度廓线的反演研究,可以清楚地观察到200 hPa高度层上台风的暖心结构和沿着台风中心的温度梯度热结构,明显优于美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料得到的台风暖心结构。在大气温度廓线反演基础上,先由采用静力平衡计算各层大气台风"威马逊"周围的位势高度场,再由梯度风平衡计算台风周围的水平切向风,结果显示最大风速半径约80km,最大风速达51m/s,且由低层向高层逐步减弱。     

GPS掩星数据反演中的地球扁率影响改正

采用CHAMP实测轨道数据和MSISE-90经验干大气模型，分别将地球作为圆球和椭球，前向模拟了附加相位延迟，然后对模拟数据进行反演。通过不同方案下反演温度廓线与大气模型温度廓线的比较，发现实测掩星数据的反演中，忽略地球扁率影响会给温度反演结果带来较大的误差；而采用相应方法对地球扁率影响进行改正后，温度廓线的误差明显减弱，从而证明了改正方法的正确性。     

多通道地基微波辐射计大气遥感

本文主要介绍了自主研发的多通道地基微波辐射计观测亮温和数据反演方法,并与探空观测值进行对比,分析了辐射计观测亮温、反演的温度和水汽廓线的精度。结果表明,该仪器亮温观测误差小且利用神经网络反演的大气温度及水汽等廓线参数准确可靠,具有实际应用价值。     

近地表大气逆温条件下的地表温度遥感反演与验证

为了减少近地表大气逆温对地表温度遥感反演精度的影响,提出在晴空的地表温度"通用劈窗算法"模型中增加一个温度改正项来实现。在建立该误差改正项时,利用正常条件下的通用劈窗算法系数和具有不同逆温强度的逆温廓线,并结合大气辐射传输模型MODTRAN计算,得到近地表大气逆温条件下的地表温度反演误差,并在分析了该误差值与相应的逆温强度的关系后,发现该温度改正项可以表示为近地表大气逆温强度的二次项函数。为了进一步提高地表温度的反演精度,将地表温度和大气水汽含量进行分组,分别针对每个分组来确定温度改正项方程的系数。模拟结果表明,在逆温强度为1.7 K/100m时,该温度改正项可以使地表温度的反演精度提高0.44 K。利用内蒙古海拉尔试验站的实测数据对地表温度反演结果进行了验证,在近地表大气存在逆温的条件下,该方法能提高地表温度的遥感反演精度0.47K。但是,由于本文提出的方法需要已知大气温度廓线来计算大气逆温强度,因此在实际应用中该方法受到了一定的限制。     

激光掩星探测大气UTLS温度和水汽的方法及仿真

以高精度和高垂直分辨率探测大气区间对流层顶—平流层底UTLS（Upper Troposphere/Lower Stratosphere,5—35 km）的温度和水汽廓线是提高大气条件变化监测水平的关键,而利用激光掩星方法同时探测温度和水汽则是对现有探测技术的重要补充。本文研究了激光掩星协同探测和反演温度和水汽分子数密度的方法,其中重点研究了双吸收波长近红外激光反演温度的方法,具体为从近红外波段氧气吸收光谱中,选择2个不同跃迁能级对应的特征吸收峰,在每个吸收峰附近各选出1个吸收线,利用2个吸收线对应的双吸收波长激光以及参考线对应波长激光进行掩星探测,进而由探测数据反演出温度。整个温度和水汽协同反演步骤是先反演温度廓线,然后由温度廓线以及5 km参考高度处的压强先验值计算得到压强廓线,最后在温度和压强廓线基础上,结合水汽单吸收波长和参考波长激光掩星数据,反演得到水汽分子数密度廓线。此外,本文对探测和反演过程进行了模拟仿真,通过在近红外波段选择合适的氧气吸收波长和水汽吸收波长,模拟得到掩星透过率数据,以此反演得到温度和水汽分子数密度廓线。并通过对整个过程的分析,明确了反演过程中的误差项及其传递关系,结合数值仿真结果,说明了各个误差项的影响大小。结果显示,在UTLS区间内,温度反演误差总体小于1.05 K,水汽分子数密度反演误差总体小于4%,该误差范围说明了温度和水汽协同反演方法的可行性。     

实用劈窗算法的改进及大气水汽含量对精度影响评价

对劈窗算法进行了改进,提高了算法的精度和实用性.对影响大气透过率的大气水汽含量进行了敏感性分析.模拟数据结果表明,劈窗算法对大气水汽含量不敏感,当大气水汽含量误差在-80%～80%变化时,反演的平均精度仍能在1 ℃以下.对实际MODIS影像进行反演的结果与大气模拟数据分析的结论基本一致,这说明适当地利用大气水汽含量的先验知识可以提高劈窗算法反演地表温度的精度.     

Retrieval of leaf water content spanning the visible to thermal infrared spectra

The objective of this study was to investigate the entire spectra (from visible to the thermal infrared; 0.390–14.0 μm) to retrieve leaf water content in a consistent manner. Narrow-band spectral indices (calculated from all possible two band combinations) and a partial least square regression (PLSR) were used to assess the strength of each spectral region. The coefficient of determination (R²) and root mean square error (RMSE) were used to report the prediction accuracy of spectral indices and PLSR models. In the visible-near infrared and shortwave infrared (VNIR–SWIR), the most accurate spectral index yielded R² of 0.89 and RMSE of 7.60%, whereas in the mid infrared (MIR) the highest R² was 0.93 and RMSE of 5.97%. Leaf water content was poorly predicted using two-band indices developed from the thermal infrared (R² = 0.33). The most accurate PLSR model resulted from MIR reflectance spectra (R² = 0.96, RMSE = 4.74% and RMSE cross validation RMSE_CV = 6.17%) followed by VNIR–SWIR reflectance spectra (R² = 0.91, RMSE = 6.90% and RMSE_CV = 7.32%). Using thermal infrared (TIR) spectra, the PLSR model yielded a moderate retrieval accuracy (R² = 0.67, RMSE = 13.27% and RMSE_CV = 16.39%). This study demonstrated that the mid infrared (MIR) and shortwave infrared (SWIR) domains were the most sensitive spectral region for the retrieval of leaf water content.     

热红外图像钾盐异常信息解释

应用不同类型和不同时相的热红外遥感图像,对罗布泊盐湖区内几种主要地物和钾盐异常区的热信息特征进行了分析、提取,探讨了盐湖区内热场变化及其意义,解释了热红外影像表征钾盐异常信息的机理,进而提出了钾盐异常信息的成因模式,认为热红外遥感技术是寻找现代盐湖钾盐异常的一种新方法     

新疆岩石2.0—2.5微米地面光谱数据的特点分析

本文介绍使用2.0—2.5微米多通道辐射计,对新疆金矿区、油田及多金属矿区的岩矿所进行的地物光谱采集、整理和分析工作。在岩矿的地物光谱中—OH、CO_3~(-2)的作用相当明显,因此应用该方法对于寻找蚀变带十分有效。不同地区同类岩矿的地物光谱特征相同,受表面色调的干扰比可见—近红外波段要少,故有利于开展光谱工作和区分岩性。通过实验室工作论证,该方法对于Fe~( 3)和微量烃类渗漏也有相当强的探测潜力。文中最后以某矿区岩(矿)为例,介绍岩(矿)分类工作,通过空间变换,减少参量间的相关性和特征参量的维数,分类正确率可达95.3％。     

中低云云底高的地基红外遥感的初步分析

在辐射传输模拟结果分析的基础上,提出利用云底高与下行红外辐射之间的单调关系进行云底高遥感反演的算法,并结合激光测云仪云底高实测数据对算法进行了初步验证。结果表明,该算法对中低云云底高反演的平均误差为107 m,具有较高的准确性。     

对于定量热红外遥感的一些思考

作者根据在热红外遥感工作中的长期实践经验,介绍了热红外遥感的现状,特别指出了定量反演地表温度的难点---地物比辐射率的测定和区域范围内的比辐射率估算。文中提出了定量热红外遥感研究中常见的一些问题。最后,讨论了定量热红外遥感的未来发展趋势和目前现实工作的对策,旨在抛砖引玉,以求得热红外定量遥感的发展。     

机载热红外扫描仪的信噪比研究

分析了机载热红外扫描仪的信噪比与各种因素之间的关系，利用高斯－喇格尔公式给出了信噪比的解析表达式，阐述了提高信噪比的途径。分析了温度、发射率、扫描角度对系统信噪比的影响，得出了相应的理论公式，并定性分析了它们对信噪比的贡献。     

改进的拟合算法在海面辐射校正中的应用

应用机载成像光谱仪采集的海面红外波段遥感数据,分析了传感器对海面的观测角度、大气效应和地物的非朗伯特性理论.在此基础上,针对数据中存在的辐射量畸变,在沿扫描线方向上,认为传感器接收到的辐射强度并不严格满足余弦变化规律,并对视向角给出了一种改进的拟合算法.根据此算法,对数据进行了辐射校正处理并对结果进行了分析.在实际应用中,建立了相应校正模型及其软件模块,取得了良好的图像处理效果.     

热红外港口图像特征的评估器提取与选择

针对低对比度、条纹噪声、低空间分辨率等特点而导致的热红外图像识别效果不佳问题,提出了一种港口目标热红外遥感图像特征提取与选择方法,实现了一定情况下港口目标的高精度分类。采用纹理、几何等29个特征,通过评估器选择最佳特征组合,并根据识别精度选择最佳分类器,能生成热红外图像港口目标22个最佳分类特征,且具有一定的鲁棒性。经过参数优化后的libSVM(一种支持向量机)分类器分类精度较高;白天图像比夜间图像分类精度更高;像素值、灰度直方图相关的一维和二维统计特征、局部二进制模式特征、边缘方向直方图特征等与灰度和纹理相关的特征对港口目标热红外图像识别影响较大。     

改进的拟合算法在海面辐射校正中的应用

应用机载成像光谱仪采集的海面红外波段遥感数据,分析了传感器对海面的观测角度、大气效应和地物的非朗伯特性理论。在此基础上,针对数据中存在的辐射量畸变,在沿扫描线方向上,认为传感器接收到的辐射强度并不严格满足余弦变化规律,并对视向角给出了一种改进的拟合算法。根据此算法,对数据进行了辐射校正处理并对结果进行了分析。在实际应用中,建立了相应校正模型及其软件模块,取得了良好的图像处理效果。     

FY-3C VIRR大气可降水产品生成和检验

风云三号C星(FY-3C)可见光红外扫描辐射计(VIRR)两个红外分裂窗通道数据生成的晴空大气可降水(TPW)产品已投入业务使用。本文介绍了该产品的生成方法,并从产品精度和稳定性两个方面评价产品质量。与MODIS Terra TPW的月平均数据对比,FY-3C VIRR TPW能正确反应大气可降水的全球分布。与2015年3月—4月的全球探空数据对比,FY-3C VIRR TPW均方根误差为5.36 mm,相对误差在水汽值大于30 mm时在20%以内,并且夜间产品精度优于白天。相比于MODIS红外TPW产品与探空数据的误差,FY-3C TPW精度略好。计算2015年1月至2016年7月FY-3C VIRR TPW产品相对探空数据的月均方根误差,19个月均方根误差的标准差是0.54 mm,小于同期MODIS Terra TPW均方根误差的标准差,说明FY-3C VIRR TPW产品在检验时期内更稳定。FY-3C VIRR TPW产品精度较高且质量稳定,具备广泛应用能力。