用GMS-5对东亚地区对流层高层水汽的研究

大气中的水汽是气候变化中至关重要的影响因子,对流层高层的水汽对地气系统的辐射能量平衡尤为重要。卫星观测极大地弥补了常规探空手段对高空低温低湿条件下的水汽探测能力的不足。6．7μm水汽通道是被广泛用于大气水汽反演的卫星通道之一,Soden等（1993）提出一个用该通道亮温反演对流层高层水汽的方法。将这一方法应用于日本GMS-5静止卫星的水汽云图,得到东亚地区中无云区域与水汽云图具有相同时空分辨率的对流层高层水汽分布。反演得到的月平均对流层高层平均相对湿度与NCEP分析资料给出的平均相对湿度具有较好的一致性。根据 1996-2002年的GMS 5水汽通道亮温资料得到东亚地区对流层高层水汽的典型时、空分布形式。随卫星观测记录的延续,反演得到的长时间序列的对流层高层相对湿度资料将为水循环的研究和水汽对气候变化响应和反馈的研究提供有力依据。     

卫星遥感反演土壤水分研究综述

土壤水分是影响地表过程的核心变量之一。精准地测量土壤水分及其时空分布,长期以来是定量遥感研究领域的难点问题。简要回顾基于光学、被动微波、主动微波和多传感器联合反演等卫星遥感反演土壤水分的主要反演算法、存在的难点和前沿性研究问题,介绍了应用土壤水分反演算法所形成的3种主要全球土壤水分数据集,包括欧洲气象业务卫星（ERS/MetOp）数据集、高级微波扫描辐射计（AMSR-E）数据集、土壤湿度与海洋盐分卫星（SMOS）数据集,并结合目前存在的问题探讨卫星遥感反演土壤水分研究的发展趋势。     

海洋重要水文参数的卫星遥感反演研究综述

经过近50年的发展,海洋卫星遥感日益成熟,各种反演算法和数据集应运而生,大大推动了海洋水文过程的研究。围绕与海洋水文相关的重要物理参数,简要回顾了海面高度、海水深度、海表洋流及海水质量变化的卫星遥感反演基本原理、主要算法以及存在的难点和前沿性研究问题,介绍了应用遥感反演算法制成的全球海洋水文参数主要数据集,并结合目前存在的问题探讨了卫星遥感反演海洋水文参数的发展趋势及所面临的挑战。研究发现,运用多卫星、多通道、多模式的联合反演方法可以显著地提升人们监测海洋水文参数时空动态变化的能力,必将成为未来全球海洋水文遥感的主要研究方向之一。     

卫星遥感探测大气CO2浓度研究最新进展

大气CO₂是一种重要的长寿命温室气体,卫星遥感探测大气CO₂浓度,可以连续地获得其全球时空分布变化情况,进而提高对大气CO₂源汇分布及区域和全球碳循环的认识,进一步增强对全球气候变化的研究和预测。卫星遥感探测大气CO₂浓度已经开始成为一个新的研究领域,文章综合论述了利用卫星平台遥感探测大气CO₂浓度分布的最新研究状况。首先简单地叙述了现阶段对大气CO₂浓度时空分布和变化情况的直接仪器观测结果,在此基础上比较全面地综述了卫星遥感测量大气CO₂浓度的主要方法及获得的结果,包括利用近红外反射太阳光谱或地气热红外发射辐射光谱及两者的组合进行得模拟和卫星实测反演研究,最后简单地进行了总结和展望。     

复杂自然环境时空定量信息的获取与融合处理的理论与应用

从理论、方法与应用实现三方面,对国家“973 ”项目“复杂自然环境时空定量信息的获取与融合处理的理论与应用”在地球信息科学领域中的研究进展作一个概述。在遥感机制与信息理论上,以合成孔径雷达（ SAR ）研究为背景,发展全极化散射与SAR 成像信息理论;以微波辐射遥感为背景,发展非均匀自然介质矢量辐射传输（ VRT ）理论。在这基础上,开展在轨业务与试验遥感卫 星在多类陆地地表和大气遥感数据验证的方法与算法的研究。结合遥感、辐射传输、地理信息系统、中国陆面水文过程、数据同化技术,建立一个中国陆地水环境数据同化系统（ CLDAS ）;针对我国未来气象卫星的发展,由在轨SSM / I 、AMSU 、MTI 等遥感卫星数据、结合地面台站实测与探空等工作,形成了星载微波大气三水（降水、水汽、云水）反演与气象卫星数据业务算法与数据库;针对我国SAR 技术的发展,由ERS 、RADARSAT 等SAR 数据图像的应用研究,形成SAR - INSAR 多类应用技术研究与软件遥感应用平台。同时,结合多源信息融合理论方法与环境中目标跟踪实验与仿真,发展了目标与环境复合建模与特性数值仿真、开展了沿海区域异常大气结构中波传播实验等 研究。     

大气廓线物理反演的最优化方法进展

从最优化数学理论角度对大气廓线物理反演以及卫星辐射率资料直接同化中的最优化算法进行了回顾。分析了各种方法的优点和缺点、联系和差别。总结了卫星大气遥感反演问题的求解思路。对大气廓线反演研究中几种主要的目标函数和寻优策略进行了分析,着重分析了目前作为各数值预报中心和卫星数据处理中心业务数值产品核心算法的牛顿非线性迭代法的不足之处,并对其改进途径进行了探讨。引入了Levenberg-Marquardt方法及信赖域方法用于大气廓线反演,使反演算法的收敛性质得到改善。     

2008-2012年拉萨地基与卫星臭氧总量观测比较

通过比较2008-2012年拉萨站地基观测臭氧总量与三种卫星反演产品, 评估地基和卫星观测臭氧总量数据的质量信息. 结果表明: 地基与卫星臭氧总量绝对差为-10~15 DU, 相对差为-4%~4%, 日尺度相对差呈随机分布特征; TOSOMI算法反演的SCIAMACHY臭氧总量更接近地基观测结果, DOAS算法反演OMI臭氧总量与地基观测结果差异最大. 地基与卫星臭氧总量标准差存在季节性变化, 夏季最大, 冬季最小; 云的影响会加剧地基与卫星臭氧总量差异, 以SCIAMACHY产品最为显著.     

AIRS红外高光谱资料反演大气水汽廓线研究进展

随着卫星遥感关键技术的突破,卫星光谱分辨率达到了分辨大气成分单个谱线的水平,研究人员开始了大量通道同时反演大气廓线和多种微量成分的研究.针对AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)就红外高光谱资料反演大气水汽廓线的研究进展进行了评述,从训练数据、通道信息的提取及降维、反演算法和反演精度改进4个方面对反演晴空大气水汽廓线的研究现状进行了分析与讨论.AIRS资料反演大气水汽廓线的训练数据通常选用威斯康星大学提供的全球晴空反演训练样本集CIMSS (Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies,University of WisconsinMadison)和SARTA(Stand-Alone Radiative Transfer Algorithm)辐射传输模式模拟的亮温辐射值.归纳总结了2种通道信息的提取及降维方法:一是采用有效的方法来完成光谱信息压缩,对常用的主成分分析和独立分量分析方法进行了对比,认为独立分量分析更为可行.二是通道选择,即保留部分含有较多大气廓线信息量的通道,达到降维目的.在进行通道选择时要注意针对不同地区气候类型、下垫面、季节以及即时天气条件,选择不同的通道组合.介绍了3种反演算法:特征向量统计法、牛顿非线性迭代法和神经网络法.对比发现特征向量统计法简单易行,但精度不够理想;牛顿非线性迭代法精度虽高但计算耗时长,因此不适合业务使用;神经网络计算速度快、精度也能达到要求,具有很好的前景.对目前的几种样本分类方法及附加因子进行了对比分析,对反演算法精度的改进提出了一些有益的设想.最后对晴空辐射订正及云天大气水汽廓线反演进行了简要介绍,提出了该领域未来的一些研究方向.     

新一代水文水资源监测卫星SWOT数据特征、应用与展望

水文水资源监测是对地观测系统的重要任务之一,是支撑新时代水利高质量发展、满足“三水”共治需求和践行“十六字”治水策略的直接有效途径,而卫星遥感技术提供了一种大范围、快速和高精度的数据获取渠道。但是现有卫星遥感在水文水资源应用上存在多星同步观测难、应急响应能力差和易受天气影响等问题,因此美国国家航空航天局于2022年12月发射了地表水和海洋地形卫星（SWOT）,这是全球第一颗通过多传感器协同观测全球陆地和海洋水资源的卫星,预期将极大提升水文水资源监测的时空分辨率和精度。系统梳理了水文水资源监测卫星发展现状、应用和技术难点等概况,并分析了SWOT卫星的参数、科学任务、算法流程和应用产品等内容,对我国后续卫星设计规划和数据处理关键技术有一定的参考价值。     

东中国海表层悬浮体浓度卫星遥感反演研究进展

用卫星遥感手段反演海洋表层悬浮体浓度(Suspended Sediment Concentration,SSC)来研究其分布和输运的方法已经被广泛使用。东中国海属于水文和光学性质较为复杂的二类水体,表层悬浮体浓度的分布规律和水体的固有光学特性时空变化大,增加了遥感研究的难度。在对前人的研究进行比较和总结后发现,根据实测SSC数据对不同区域、不同时间段(季节、潮汐周期)建立分段模型可以提高整体反演精度。在选择参与反演的波段时,河口和近岸等高SSC海域以及远岸低SSC海域有各自不同的最优波段组合。高SSC海域常使用水体反射率第二反射峰、第一反射峰前波段作正比波段组合参与反演,低SSC海域常使用水体反射率第一峰波段作正比、峰前波段作反比参与反演。同时,在反演模型中考虑泥沙粒径的影响可以显著提升反演精度,并且也有可能在浅海区突破现有遥感研究手段的水深限制。目前模型精度评价标准使用较为混乱,平均相对误差、平均绝对误差和均方根误差等可以作为综合精度评价指标,模型的稳定性则可以用误差敏感性分析方法验证。高时空分辨率的海色卫星传感器的出现使得海洋短时间尺度事件的研究成为海色遥感研究的趋势之一。     

基于多源卫星遥感的高分辨率全球碳同化系统研究

2016年4月签署的"巴黎协定"的目标是到21世纪下半叶全球人为碳排放与生态系统碳汇持平,为了实现这一目标需要精确计量全球不同地区的碳通量,而全球碳同化系统是有效的技术手段。为此,国家科学技术部在"十三五"期间部署的国家重点研发计划"全球变化及应对"专项资助了"基于多源卫星遥感的高分辨率全球碳同化系统研究"项目。将发展生物圈和大气圈关键参数多源遥感协同反演技术体系、多源卫星与地面观测数据联合碳同化算法,进而建立耦合生态系统模型的高分辨率全球碳同化系统,联合同化多源观测数据,优化生态系统模型关键参数、光合和呼吸碳通量、重点区域人为源碳通量,定量揭示全球陆地生态系统和重点区域人为源碳通量时空格局、生态系统碳源汇驱动机制,为全球变化与应对专项目标的实现和国家决策提供技术与数据支持。     

大气成分的遥感监测方法与应用

对大气成分准确、及时地监测是掌握大气成分分布特征、研究大气污染成因机制、有效防治大气污染的前提。遥感监测技术在大气成分的观测过程中具有远距离实时观测、快速分析成分多样的大气混合物、无需采样便可获得目标成分的立体时空分布结果等优势。大气成分的遥感监测方法多样,各种仪器优势各异,覆盖了多样的气体和气溶胶的监测范围。根据各仪器距地面高度的差异,遥感平台可划分为地面平台、航空平台和航天平台。遥感技术在大气成分监测领域中应用广泛,已满足了多种观测目的的观测要求。介绍了大气成分的遥感监测方法和平台,并总结了针对不同目的的遥感应用实例,展望了遥感方法在大气成分观测方面的发展方向。     

利用卫星遥感资料反演感热和潜热通量的研究综述

区域平均感热和潜热通量是气象、水文、生态模式中的关键物理因子,卫星遥感反演为观测区域平均感热和潜热通量提供了可能。对利用卫星遥感资料反演地气通量的方法进行了总结和评述。首先描述了现在常用的反演方法,分析了方法中的各种假定对反演结果的影响,并对不同的模式反演结果进行了比较。还指出了评价卫星反演通量的精度时需要注意的问题。最后对该领域内现存的问题与发展方向进行探讨。     

被动微波遥感反演地表温度研究进展

热红外遥感技术在地表温度反演中已经获得了丰厚的果实,反演精度可达到1 K,然而,大气中云雾和尘埃对热红外遥感探测地表温度影响很大,限制了热红外遥感反演地表温度的应用.相反,被动微波遥感受大气干扰小,可穿透云层获取地表辐射信息,并具有全天候、多极化等特点,在地表温度反演中具有独特的优越性.但是微波信号也受多种因素的影响,其反演地表温度的算法目前尚不成熟,有待进一步研究.根据不同微波辐射计特征,系统讨论并评估了被动微波反演地表温度的经验模型、物理模型以及半经验模型及其发展过程,指出目前研究的难点和缺点,为今后相关研究提供参考.     

黑河流域地表反照率估算及其时空特征分析

基于不同空间尺度、长时间序列的地表反照率产品探究黑河流域2000—2012年的反照率时空变化特征。首先基于角度格网化(AB)算法对黑河流域30 m环境卫星一号HJ-1/CCD大气层顶方向反射率进行了地表反照率估算,作为高空间分辨率的地表反照率产品;选择同种算法计算的1 km空间分辨率的Global LAnd Surface Satellite(GLASS)反照率产品作为低空间分辨率反照率产品。结果表明:1利用AB算法反演的HJ卫星反照率具有较高精度,满足流域尺度反照率时空特征分析的精度要求;2黑河流域地表反照率空间分布差异显著,流域上游植被覆盖区域反照率较低,中下游荒漠地表反照率较高;3流域地表反照率的年内变化与季节性降雪和作物物候周期性变化一致。从季节变化角度,黑河流域反照率月平均值的年变化呈"U"字型,其中,冬季反照率最高,春季和秋季次之,夏季最低。从年际变化角度,黑河下游反照率呈上升趋势,上游和整个流域呈下降趋势。     

利用卫星遥感资料反演感热和潜热通量的研究综述

区域平均感热和潜热通量是气象、水文、生态模式中的关键物理因子，卫星遥感反演为观测区域平均感热和潜热通量提供了可能。对利用卫星遥感资料反演地气通量的方法进行了总结和评述。首先描述了现在常用的反演方法，分析了方法中的各种假定对反演结果的影响，并对不同的模式反演结果进行了比较。还指出了评价卫星反演通量的精度时需要注意的问题。最后对该领域内现存的问题与发展方向进行探讨。     

卫星遥感反演降水研究综述

降水是地球水循环的基本组成部分,具有重要的气象、气候和水文学意义.精准地测量降水及其区域和全球分布,长期以来一直是一个颇具挑战性的科学研究目标。经过近50年的发展,基于可见光、红外和微波等各类卫星传感器的降水反演算法也逐渐发展成熟起来。简要回顾可见光／红外、被动微波、雷达和多传感器联合反演等卫星遥感降水反演的基本原理、...     

结合化探数据的齐石滩金矿区遥感地球化学建模

地球化学勘探找矿效果较好,但成本高、周期长;遥感地球化学利用遥感技术解决地球化学问题,遥感技术与地球化学方法相结合,可以降低找矿成本,提高效率。以新疆齐石滩金矿为研究区,将金矿成矿相关元素的化探数据与该区的WorldView-2遥感数据相结合进行遥感地球化学研究。采用多元线性回归（MLR）法建立各元素的反演模型,但反演结果精度不高,且异常位置和异常形态也存在一定的偏差,可能是混合像元致使含量与遥感影像呈非线性关系。因此,引入BP神经网络方法建模,反演精度明显提高,各元素反演异常与化探异常吻合很好,异常位置和异常形态更加精确。可见,BP神经网络方法更适合于遥感地球化学建模。     

河流水体悬浮泥沙遥感研究进展与展望

河流悬浮泥沙动态监测对河道变迁、水利工程安全运行、生态和环境保护等都具有重要的应用价值,利用遥感技术可对大区域河流水体悬浮泥沙进行实时监测。与海洋和湖泊等大面积水体相比,当前对河流悬浮泥沙遥感关注较少,且已有研究主要关注入海河流河口区域。为充分发挥不同时间、空间和光谱分辨率多源卫星遥感资料优势,实现更广泛区域、不同级别河流的悬浮泥沙输运遥感监测,对国内外已发表的关于河流悬浮泥沙卫星遥感的数据源和模型进行了系统归纳,总结出河流悬浮泥沙卫星遥感研究中面临河流遥感反射率高精度提取、悬浮泥沙浓度高精度遥感和基于二维表层悬浮泥沙浓度遥感的三维通量遥感等挑战和难点;在此基础上,从去除邻近效应大气校正、考虑悬浮泥沙粒径分布的浓度遥感和悬浮泥沙输运通量三维遥感3个方面对河流悬浮泥沙遥感监测的未来发展进行了展望。     

大气校正方法及其在高光谱影像Hyperion中的应用

利用遥感影像反演地物反射率,大气校正必不可少。对于高光谱影像,其信噪比与多波段遥感影像相比非常低,消除大气的影响显得尤为重要。在大气辐射传输模型Modtran4.0基础上,给出了一种直接、有效的大气校正参数计算方法。结合MODIS/TERRA大气温湿度廓线产品,使用此方法计算了高光谱影像Hyperion大气校正参数,并用于Hyperion影像的部分波段的反射率反演,与卫星过境时地面同步实测的典型地物反射率以及高光谱大气校正软件ACORN的计算结果进行比较,获得了比较好的结果。研究表明,大气辐射传输模型和卫星遥感大气参数产品相结合用于遥感影像的大气校正是可行的。