基于浮油膜双光束干涉模型的油膜厚度遥感反演理论

海面浮油膜是海洋石油污染监测与海洋油气资源勘探的共同关注对象,其厚度的遥感定量反演是研究难点之一.随着油膜厚度的变化,入射光在浮油膜中的辐射传输有所不同,是海面浮油膜厚度光学遥感反演的理论依据.本研究将均匀分布的浮油膜视为一个平行平板,分析其可见光范围内的辐射传输过程,探讨油膜反射光的双光束干涉,构建以油膜厚度及其光谱反射率为变量的油膜厚度遥感定量反演模型,并结合菲涅耳公式进行模型参数的物理意义分析,揭示油膜厚度遥感定量反演的关键在于油膜的消光特性.利用油膜光谱响应实验数据,开展理论模型的分析与验证,结果表明：油膜厚度遥感定量反演的理论模型不仅具有明确的光学物理意义,同时也具有较好的模拟精度;浮油膜光谱反射率随厚度变化响应的主要因素是油膜对入射光的分子散射作用,该散射作用与入射光波长具有显著的关系,因此油膜光学遥感散射特性研究将有助于油膜种类识别与厚度的遥感定量反演;模型参数的理论意义与数据分析表明,建立典型油种油膜的模型参数查找表,将有效提高海面浮油膜厚度遥感定量反演的效率.     

沙漠地区光学散射非对称因子反演研究

沙漠具有较高的地表反照率和较广的面积分布, 是地球系统的重要组成部分之一, 了解沙漠地区地表散射的各向异性对于全球地表辐射和能量平衡研究非常重要. 多角度卫星遥感技术的发展为在区域尺度上反演沙漠地表散射各向异性提供了机会. 本文首先利用Hapke模型和模拟数据研究了多时相和单时相星载多角度传感器MISR数据反演非对称因子的精度, 在此基础上, 利用单时相MISR数据反演了我国西北沙漠地区典型地表的非对称因子, 并与实验室测试数据的反演结果进行了对比. 结果表明, 可以用单时相的MISR数据反演沙漠非对称因子. 对室内测试数据反演的非对称因子是正值, 为前向散射. 从遥感数据反演的非对称因子是负值, 为后向散射, 其大小与地表状况有关. 地表相对平坦的塔里木盆地东部楼兰地区具有较大的负非对称因子, 后向散射强; 而地表较为粗糙的库姆塔格沙漠沙丘的非对称因子为弱的负值, 不具有优先方位的散射. 就遥感数据来说, 地表越粗糙不一定后向散射越强, 今后在应用经验方法表征地表粗糙度时应慎重.     

湖泊水质遥感的几个关键问题

我国目前约有面积大于1km2的湖泊有3000个,绝大部分属高叶绿素和高悬浮物浓度水体,属于典型的Ⅱ类水体,物质组成多样,水体的光学辐射传输复杂,且有大范围的光学浅水.我国的湖泊水质/水色遥感虽然取得了一定进展,但借鉴海洋水色遥感的相关理论和经验,还需要解决以下四个关键问题:1)兼顾海洋沿海水质遥感,发展专用的静止卫星湖泊水质遥感器;2)在当前多光谱遥感资料基础上研发高光谱湖泊水质因子提取的遥感定量化模型,提高反演精度;3)深化湖底底质对湖泊水质/水质遥感影响研究,发展湖底水质遥感反射率精确计算模型;4)发展适用于湖泊水体区域性Ⅱ类水体大气校正方法,并集成反演、遥感产品制作、分发等技术,构建湖泊水体水质/水色业务化运行体系.     

基于准晶体近似的多层积雪InSAR散射模型

积雪参数是水文模型、气候变化研究重要的指示因子,并且具有典型的垂直分层特性.遥感可反演获得大范围的积雪参数信息,In SAR技术在积雪垂直结构探测方面具有优势,In SAR散射模型可揭示电磁波与积雪介质作用的物理过程,是In SAR进行积雪垂直结构探测的基础.单层积雪的In SAR散射模型已经进行了较为充分的研究,但无法应用于多层积雪,针对此问题,本文利用准晶体近似理论(QCA)描述积雪的相干散射特性,引进分层因子描述积雪分层特性对SAR观测场共轭积的影响,构建了多层积雪QCA/In SAR散射模型,并以X波段(9.6GHz)为例,模拟了不同类型的多层积雪的体相干系数.结果表明,本模型适用于多层积雪,多层积雪的子层顺序对体相干系数有较大的影响;相对于单层模型,多层模型具有极化差异,理论更完整,具有更大适用范围.为使模型更易用于积雪参数反演算法,本文还发展了简化的多层模型,模型相对于完整模型损失了极化信息,但其模拟的不同积雪类型的相干系数与完整模型相比均具有比较好的一致性;分析表明所提出的同极化体相干系数差的辐角,相对于相干系数的辐角差,对积雪子层序列参数的差异更为敏感,更利于参数反演算法的发展.模型的建立对加深电磁波与积雪相互作用的认识,完善In SAR散射理论,以及发展积雪参数反演算法有重要意义.     

HJ-1B/IRS热红外数据反演太湖水温的方法比较

太湖是我国典型的富营养化湖泊,水温是影响太湖藻类生长的重要环境因子之一,我国环境减灾卫星HJ-1B搭载的红外多光谱相机IRS对太湖水温动态遥感监测具有较大的性能优势.利用6景过境太湖的IRS热红外遥感影像,分别采用单通道普适性算法、辐射传输模型法和单窗算法反演太湖水温,并与实测水温和同期的TERRA/MODIS温度产品进行对比.结果表明,普适性单通道算法反演水温偏高,而辐射传输模型法和单窗算法则偏低;3种算法反演水温的均方根误差在1.001 K以内,单窗算法反演精度最高,其次是辐射传输模型法,再次为普适性单通道算法,而同期MODIS温度产品的均方根误差为1.507 K.3种算法从IRS热红外数据反演的水温直方图均呈正峰态、尖峰状态分布,反演结果能真实地反映太湖水温的空间分布特征.本研究对只有单个热红外通道的卫星传感器开展内陆水体水温遥感监测具有一定的参考意义.     

基于无人机和卫星遥感影像的升金湖草滩植被地上生物量反演

湿地植被地上生物量是衡量湿地生态系统健康状况的重要指标,对于珍稀水禽越冬繁殖、全球碳循环、生态净化具有重要意义,是生态学与遥感解译的研究热点之一.针对于地上生物量的测算,卫星遥感数据覆盖范围广但其空间分辨率较低,无人机遥感数据空间分辨率高但采集范围小,同时受湿地面积、观测系统及外界环境等条件的影响,使得遥感影像地上生物量反演更加复杂和困难.本研究基于无人机和高分一号数据对升金湖草滩植被地上生物量反演进行研究,结合升金湖保护区4个样区无人机可见光影像与相应样区实测样本数据,建立地上生物量与可见光波段、多种可见光植被指数的线性、幂函数、多项式、对数回归模型,并通过可决系数（R²）、平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）对模型进行精度评价,选择最优模型对无人机影像进行地上生物量反演;通过可见光波段反演得到的生物量,与高分一号WFV归一化差分植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）影像相结合进行回归建模,获取整个升金湖草滩植被地上生物量分布.结果表明,利用无人机红光波段建立的多项式方程对地上生物量反演有着最高模拟精度,R²=0.86、预测精度MAE=111.33 g/m²、RMSE=145.42 g/m²,且红光波段生物量反演方法得到的结果与实际生物量分布一致性较高,高分一号WFV NDVI与无人机反演生物量构建的多项式模型为最优模型,R²为0.91.本研究利用无人机和高分一号数据进行生物量反演研究,整合多源遥感数据优点,以获取更加丰富和准确的信息,进而提高地上生物量反演精度,为湿地监测和湿地恢复管理提供数据和技术支撑,具有重要研究意义和应用价值.     

应用实测光谱估算千岛湖夏季叶绿素a浓度

依据2010年8月的实测数据构建了千岛湖水体夏季叶绿素a浓度的实测光谱数据估算模型,并进行了验证.利用ASD FieldSpec3野外光谱仪获取高光谱数据,计算水体离水辐亮度和遥感反射率.通过寻找反演水体叶绿素a浓度的高光谱敏感波段,采用单波段相关分析、波段比值、微分光谱、三波段模型、BP人工神经网络等多种算法进行比较分析,结果表明:叶绿素a浓度与单波段光谱反射率的相关性不大;596 nm和489 nm波长处反射率比值、545 nm处光谱一阶微分与叶绿素a浓度均呈较显著相关,估测模型决定系数R2分别为0.782、0.590,RMSE分别为0.89、1.98μg/L;三波段模型的反演结果优于传统的波段比值和一阶微分法,R2为0.838,RMSE为0.71μg/L;神经网络模型大大提高了叶绿素a浓度的反演精度,R2高达0.942,RMSE为0.63μg/L.本研究为今后在千岛湖水域的夏季相邻月份进行叶绿素a浓度大范围遥感反演研究奠定了基础.     

卫星遥感解译湖泊蓝藻水华的几个关键问题探讨

蓝藻水华是全球性的水环境健康问题,对水华暴发过程信息的快速准确获取是制定有效防治措施的关键.卫星遥感因具有大范围、周期性观测的特点,被广泛地用于湖泊蓝藻水华的时空动态监测.本文指出在利用遥感对湖泊蓝藻水华进行研究时,需要注意的4个问题:(1)湖泊水体中泥沙等信号对藻华存在干扰;(2)大气程辐射及水陆边界影响藻华特征提取结果;(3)卫星数据的有效观测频次影响获取的藻华时空变化趋势;(4)卫星遥感难以实现藻华暴发区的叶绿素浓度准确反演.本文分析了形成上述问题的主要原因,并建议相关的研究工作者在选用合适的遥感数据及方法时,对它们的潜在影响进行评估.     

作物生长模型同化MODIS反射率方法提取作物叶面积指数

叶面积指数(LAI)是监测农作物生长的重要参数. 遥感提取LAI的方法之一是通过植被冠层辐射传输模型反演, 但多数模型反演方法都没有考虑作物LAI在不同生长阶段的变化关系. 本文在模型反演的基础上引入用作物生长模型描述的LAI随生长变化的关系, 将作物生长过程中LAI地面先验信息作为约束信息, 提取最优目标参数LAI. 要点是在耦合作物生长模型和辐射传输模型中通过变分算法在作物生长不同时刻序列同化多时相遥感观测和LAI先验知识; 在同化过程中用伴随方法求解代价函数. 采用北京昌平和顺义地区MODIS数据的同化结果显示时序遥感观测能够极大改善被提取LAI的不确定性, 对比MODIS LAI产品发现提取LAI廓线符合实际的作物生长规律, 因而比MODIS LAI产品更加可靠.     

基于卫星遥感资料的海洋表层流场反演与估算

为解决实际海流资料探测困难,难以大范围有效获取的问题,利用2000～2008年卫星高度计资料和QuikSCAT卫星遥感风场资料,开展了全球海表地转流和Ekman流的反演估算;针对不同纬度地区(赤道和赤道以外地区)地转效应和海洋运动差异,引入不同的运动学模型和反演估算方案,反演得到0.5°×0.5°的逐周全球表层流产品.对比分析表明,卫星资料反演估算的海洋表层流场能较为客观、准确地表现实际海表流场的基本特征,进而为海洋热量和海洋物质输送等研究提供了可用的海流数据信息.     

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.     

机载激光雷达森林叶面积指数反演研究

叶面积指数(LAI)是分析冠层结构最常用的参数之一,它控制着植被的生物物理过程,如光合、呼吸、蒸腾、碳循环和降水截获等,因此快速、可靠和客观地评价LAI非常重要.本文发展了激光穿透指数(LPI)的简化计算方法,首次利用校正后的回波强度计算出LPI,以LPI为变量基于Beer-Lambert定律实现了甘肃大野口研究区森林LAI反演,并且与原始回波强度和回波数反演LAI的精度进行对比,结果发现通过距离和角度校正后的回波强度值能提高LAI反演精度.为了评价模型的可靠性和泛化性能,用留一法交叉验证程序(LOOCV)对最佳反演模型进行了验证,表明该模型没有过度拟合,具有很好的泛化能力.最后,用没有参加建模的16个实测LAI对预测值进行精度验证(R²=0.810,RMSE=0.198),发现校正后的回波强度反演山区森林LAI精度较高.本文还对激光雷达LAI反演结果与传统光学TM影像的反演结果进行了对比分析,结果表明机载激光雷达反演LAI精度(R²=0.825,RMSE=0.165)高于光学TM遥感数据(R²=0.605,RMSE=0.257),因此,可用激光雷达数据实现研究区的高精度LAI反演,为生态环境研究提供可靠的基础数据.     

基于转动拉曼散射的大气Ring效应差分截面卷积算法研究

Ring效应是指地球大气中的N2和O2分子对太阳光的转动拉曼散射导致夫琅禾费线变短的现象.使用差分吸收光谱算法,反演大气NO2和SO2等痕量气体浓度的时候,Ring效应是影响反演结果精度的一个重要因素.本研究利用卷积算法计算得到的差分Ring光谱截面,与辐射传输模型计算结果比较,得到如下几个结论：（1）直接采用卫星遥感获得太阳光谱数据和大气转动拉曼散射截面,忽略压力展宽,卷积后,可获得Ring光谱.经过除以原始太阳光谱,三次多项式差分后可以得到针对卫星遥感反演痕量气体所需的差分Ring光谱.标准化后与Vountas等利用辐射传输模式计算得到的结果比较,相关系数R2=0.9663.（2）利用两个固定波长与变化波长分别计算得到的Ring光谱,经过差分计算后三者差异非常小;经标准化后与辐射传输模式计算得到的结果比较,R2分别达到0.9624,0.9639和0.9663.因此可以采用反演光谱范围中的固定波长作为一组转动拉曼散射截面进行卷积计算,降低计算量,加快计算速度.在本项研究中,计算量减少为原计算量的0.128%.（3）大气与N2和O2分子的转动拉曼散射截面信号的频谱特征相似,可直接使用N2和O2分子的转动拉曼散射截面代替大气进行卷积运算.     

基于卫星数据的地表下行短波辐射估算:方法、进展及问题

地表下行短波辐射的估算对全球辐射平衡及气候变化研究具有重要的意义.文章从卫星载荷、反演算法和发展趋势等方面,回顾和总结了近十年来地表下行短波辐射的相关研究.到达地表的短波辐射受大气和陆表参数的双重影响.最近的研究对影响地表下行短波辐射的因素给予了更细致的考虑,例如通过提升云微物理参数的反演精度,降低云层引入的不确定性,以及考虑气溶胶、复杂地形和高反照率地表(如冰雪覆盖区)对地表下行短波辐射估算的影响等.此外,文章还对当前地表下行短波辐射估算的四类主要方法(经验法、参数化法、查找表法和机器学习法)的精度和优缺点进行了对比分析.未来需要提高云、雾霾、水汽等大气参数及复杂地形和亮地表的反照率等陆表参数的计算精度,有机结合机器学习和其他方法,利用新一代静止卫星和极轨卫星资料生产高时空分辨率地表下行短波辐射产品,推进辐射产品在陆面水文模型和气候模式中的应用.     

地面磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法研究

大地电阻率分布信息是影响磁共振地下水探测反演结果准确性的重要因素.在众多电磁法勘探技术中,瞬变电磁法具有高分辨率、高效率和大探测深度等优势,能准确探测地下几百米范围内的电阻率分布信息.因此磁共振与瞬变电磁联合解释方法具有重要意义.然而,利用单一测点拼接的磁共振与瞬变电磁联合解释方法进行模拟二维反演时存在解释结果不唯一,容易出现错误异常体等问题,尤其在复杂地质情况下,同一测线上相邻测点探测结果连续性差,解释结果偏离实际.基于此,本文提出磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法（Laterally Constrained Inversion,简称LCI）,重点引入外推积分法（quadrature with extrapolation,简称QWE）,解决了传统正演过程中基于直接数值积分方法引起的求解效率低的问题,保证了联合反演方法的顺利实施,进而以相邻测点地下结构应具备连续性为依据,引入横向约束反演思想,通过在联合反演目标函数中加入相邻测点间各模型参数约束矩阵,提高磁共振解释结果准确性,加强探测剖面地质结构和含水模型连续性.经过理论模型证实,本文提出的LCI方法能有效提高传统一维反演结果的稳定性和唯一性.最后,对安徽黄山野外实际探测数据进行横向约束联合反演,验证了磁共振与瞬变电磁LCI联合反演方法的实用性.本文的研究成果将为磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演奠定基础.     

二阶Born近似及其在逆散射GRT反演中的应用

传统的地震逆散射广义Radon变换(GRT)保幅反演方法是建立在散射场一阶Born近似(单散射)的基础上,仅仅适用于弱扰动介质模型.本文从散射场积分方程出发,通过研究二次散射的特征,讨论和验证了基于局部二阶Born近似的GRT非线性保幅反演方法,将传统GRT线性保幅反演算子的适用范围扩展至非均匀强扰动介质.数值测试结果表明:在散射场近似模拟方面,二阶Born近似比一阶Born近似更为准确,二次散射效应主要集中在主散射点周围的局部区域内,超过这一范围,二次散射强度趋于稳定;在保幅反演方面,本文基于局部二阶Born近似的GRT非线性反演算法,明显优于传统的GRT线性反演算法,可以准确重构强扰动介质模型,而计算效率与线性反演方法相当.     

Lee生物光学模型在不同水体组分特性下的适用性

辐射传输模型和生物光学模型均可用于模拟水体遥感反射率.前者模拟精度高,但计算复杂.不利于水质参数的反演;后者简便易反演,但在浑浊水体中的模拟精度还有待进一步检验.本文通过设计大量不同组分浓度组成的水体,以辐射传输模型(即Hydrolisht模型)模拟结果为真值,对生物光学模型(即Lee模型)模拟二类水体遥感反射率的精度...     

地面磁共振与瞬变电磁橫向约束联合反演方法研究

大地电阻率分布信息是影响磁共振地下水探测反演结果准确性的重要因素.在众多电磁法勘探技术中,瞬变电磁法具有高分辨率、高效率和大探测深度等优势,能准确探测地下几百米范围内的电阻率分布信息.因此磁共振与瞬变电磁联合解释方法具有重要意义.然而,利用单一测点拼接的磁共振与瞬变电磁联合解释方法进行模拟二维反演时存在解释结果不唯一,容易出现错误异常体等问题,尤其在复杂地质情况下,同一测线上相邻测点探测结果连续性差,解释结果偏离实际.基于此,本文提出磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法(Laterally Constrained Inversion,简称LCI),重点引入外推积分法(quadrature with extrapolation,简称QWE),解决了传统正演过程中基于直接数值积分方法引起的求解效率低的问题,保证了联合反演方法的顺利实施,进而以相邻测点地下结构应具备连续性为依据,引入横向约束反演思想,通过在联合反演目标函数中加入相邻测点间各模型参数约束矩阵,提高磁共振解释结果准确性,加强探测剖面地质结构和含水模型连续性.经过理论模型证实,本文提出的LCI方法能有效提高传统一维反演结果的稳定性和唯一性.最后,对安徽黄山野外实际探测数据进行横向约束联合反演,验证了磁共振与瞬变电磁LCI联合反演方法的实用性.本文的研究成果将为磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演奠定基础.     

时移音频大地电磁监测数值模拟研究

音频大地电磁法(Audio Magnetotelluric Method,简称AMT)是一种以天然电磁场作为场源的电磁探测方法,具有频率范围宽、成本低以及适合长时间监测等特点,使其在储层流体时移监测方面相对于其他有源电磁方法有一定的优势.针对沉积地区海水入侵以及CO_2地质封存动态监测等问题,通过数值模拟从理论上进行时移音频大地电磁方法响应特征的研究.为此,根据不同案例背景下监测目标体的结构特性建立相应的地电模型,采用TM极化模式下二维音频大地电磁的有限元正演和OCCAM反演开展时移监测模拟,分析两种不同案例中流体介质的响应特征及地下电阻率反演模型.另外以海水入侵为例,通过在响应数据中加入白噪声,对不同信噪比下的响应数据进行反演计算,对比不同信噪比下白噪声对时移监测效果的影响.模拟结果表明,时移音频大地电磁法从理论上可以有效反映出地下介质电性特征随时间的动态变化过程,也能够有效监测地下流体的扩散过程.     

利用OI 135.6 nm夜气辉辐射探测电离层峰值电子密度及电子总含量的研究

测量夜间135.6 nm大气气辉辐射强度是目前有效的电离层探测方式之一,我国即将在风云三号卫星上搭载仪器,利用该波段夜气辉辐射测量来反演电子总含量(本文所指电子总含量表示卫星高度以下大气柱的电子含量)及峰值电子密度,因此非常有必要开展相关的气辉发光模型及反演研究.在介绍氧原子135.6 nm波段夜气辉激发机制基础上,考虑辐射在传输过程中受到大气氧原子的散射及氧气分子的吸收,采用迭代法求解包含多次散射及大气吸收衰减的辐射传输方程,得到该波段的体发射率,最终通过考虑包含辐射传输的路径积分计算得到135.6 nm气辉辐射强度值.对结果的分析表明:该气辉模型能较好地描述体发射率随高度的分布特征,计算得到的135.6 nm夜气辉辐射强度在不同时空及太阳活动的分布与相应条件下峰值电子密度(N_mF₂)及电子总含量(TEC)的分布基本一致.相同的时空及太阳活动输入条件下,模式计算的135.6 nm夜气辉辐射强度与国外同类模式结果的值平均偏差约为3%.文中最后介绍了通过135.6 nm夜气辉的辐射强度探测来反演电离层峰值电子密度N_mF₂及电子总含量TEC的反演方法.