BP神经网络的近地面臭氧估算及时空特征分析

近年来,中国东部城市光化学烟雾污染频繁发生,臭氧（O₃）作为光化学烟雾的标志性污染物日益成为影响城市或区域大气的首要污染物。为探究京津唐地区近地面臭氧污染特征及时空变化趋势,本文基于前馈（BP）神经网络,结合地面监测站点臭氧浓度数据、卫星遥感臭氧柱总量数据与气象站点气象要素数据的非线性关系建立近地面臭氧浓度反演模型,并对近地面臭氧时空分布进行分析。结果表明：评价模型可靠性的决定系数R²为0.888、RMSE为10.742、MAE为9.596,建立的BP神经网络模型精度较高;2016—2019年京津唐臭氧年平均浓度呈现增加趋势;四季中,京津唐夏季臭氧浓度最大,冬季最小。研究结果为近地面臭氧估算提供了技术参考,同时对环境监测具有重要的现实指导意义。     

高分五号大气痕量气体差分吸收光谱仪对流层NO2柱浓度遥感反演研究

搭载于“高分五号”（GF-5）卫星上的痕量气体差分吸收光谱仪（EMI）是一台星下观测的高光谱载荷,测量紫外和可见光光谱范围的地球后向散射辐射,设计用于大气痕量气体的探测。本研究基于EMI在VIS1通道的实测光谱,利用差分光学吸收光谱（DOAS）方法进行了对流层NO₂柱浓度反演,展示了基于EMI载荷的对流层NO₂柱浓度反演结果,与同类载荷产品进行交叉验证,并利用地基观测结果进行了地基验证。研究表明,EMI反演结果与OMI、TROPOMI具有较好的空间分布一致性和较低的相对偏差,与TROPOMI具有较好的时间变化一致性。地面验证结果表明EMI NO₂反演结果具有较高的精度。本研究证明了EMI在全球NO₂监测方面的能力,可以为中国后续污染气体探测载荷的设计和反演算法的开发提供参考。     

基于集成学习方法的中国近地面臭氧浓度时空分布

自2013年大气污染防治行动以来，PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂等空气污染物浓度都有不同程度下降，但臭氧污染仍有上升趋势，臭氧污染已成为制约中国空气质量持续改善的关键问题。地基站点可以提供空间上特定点的臭氧浓度，但无法获得近地面臭氧连续的空间分布。由于臭氧大量分布于平流层，遥感卫星反演的臭氧柱浓度产品仅能反映整层臭氧柱浓度，但整层臭氧柱浓度与近地面浓度无明显相关性，因而无法体现近地面臭氧浓度。本文综合地基监测数据、再分析资料、卫星产品，采用不同的模型方法，得到近地面臭氧浓度的时空分布，结果表明集成学习方法可以准确估算近地面臭氧在空间上的分布状况和在时间上的变化趋势。本文对比了梯度提升回归树(GBRT)、极端随机树(ERT)、极端梯度提升器(XGBoost) 3种不同的集成学习方法在近地面臭氧污染估算的效果表现，3种集成学习方法在2019年—2020两年的十折交叉验证R2都在0.89以上，极端梯度提升器(XGBoost)方法在RMSE、MAE指标上有最好的表现，2019年—2020年两年的平均R...     

卫星遥感技术在环境保护中的应用

阐述了卫星遥感技术在环境保护中的应用现状,针对新乡市环境保护的具体需求,运用遥感图谱解译技术解决大面积地面固体污染源监测问题,利用大气气溶胶反演技术实现区域PM10空间态势分析.结合地面观测站实测数据,提出利用线性拟合与回归分析方法定量评价卫星遥感数据在环境保护应用的可行性,结果表明卫星遥感数据与地面站实测数据呈现高度相关性.与地面观测站以及人工现场监测相比,卫星遥感技术具有大范围、省时省力等优点,具有广阔的应用前景.但是由于大气气溶胶多变的时空特性、探测技术精度的限制及地域关键信息的缺失,气溶胶定量反演技术并不完善,需要开展进一步的研究.     

日光诱导叶绿素荧光遥感反演及碳循环应用进展

在植被遥感领域,遥感植被指数在过去30年极大地促进了从宏观尺度上来理解和认识地球生物圈,但是以"绿度"观测为主的植被指数仅表征植被"潜在光合作用",而不能直接量化"实际光合作用"。植被叶绿素荧光在光合作用探测上具有优势,是"实际光合作用"的直接探测方法。日光诱导叶绿素荧光(SIF)遥感是近年快速发展起来的新型遥感技术,尤其是2011年实现全球尺度卫星反演以来,在反演算法、植被监测和碳循环应用等方面发展迅速,是近10年来植被遥感领域最具突破性的研究前沿。本文阐述了现阶段(2011年以来)SIF遥感反演及其在碳循环应用方面的进展。本文首先介绍了卫星SIF遥感的发展及其反演算法现状;然后重点剖析了其在陆地生态系统总初级生产力(GPP)估算、全球碳循环监测、物候和植被胁迫监测等方面的应用现状和特点;最后从卫星SIF反演算法优化、SIF-GPP关系机理、SIF多尺度综合观测和全球碳循环监测等方面对今后植被SIF遥感的发展前景进行了展望。     

高分五号大气痕量气体差分吸收光谱仪观测数据的火山喷发SO2总量反演

火山喷发产生的高浓度SO₂气体及其远距离输送会对全球气候变化和航空飞行安全产生重要影响。卫星遥感技术以大面积连续观测、高时空分辨率等优势成为大气SO₂监测的重要手段之一。作为中国第一颗紫外可见光波段的高光谱载荷,高分五号卫星大气痕量气体差分吸收光谱仪（GF-5 EMI）通过探测地球大气或表面反射、散射的紫外辐射来解析SO₂总量的分布和变化。本文首先基于大气辐射传输模型SCIATRAN,选择中低纬地区地表类型均一的海洋区域像元,模拟了典型大气条件下的晴空天顶反照率,用以评价EMI载荷天顶观测光谱的精度。其次,基于TROPOMI L1 Radiance辐亮度数据和DOAS反演原理,经477 nm O₄云筛选、光谱定标、慢变剔除、斜柱转垂直柱等步骤后,获得同一火山喷发区域的SO₂总量反演结果并与TROPOMI官方offline L2 SO₂产品进行对比分析。最后,利用GF-5 EMI UV-2通道观测数据,采用DOAS算法反演获得GF-5 EMI大气SO₂总量,并将反演结果与国际同类载荷S5P/TROPOMI SO₂总量结果进行比较分析,评判GF-5 EMI在全球火山活动SO₂变化监测方面的能力。结果显示,300—400 nm波段范围内,海洋区域采样点EMI观测光谱值低于SCIATRAN模拟光谱值,EMI与TROPOMI观测光谱呈现出相似的系统性偏差。基于高空间高光谱分辨率的TROPOMI L1 Radiance辐亮度数据、315—327 nm、325—335 nm和360—390 nm共3个波段窗口、以及上述DOAS反演原理获得的SO₂结果与TROPOMI官方发布的offline L2 SO₂产品结果相关性较高,两者的相关系数可达到0.97—0.99,相对偏差在3%—9%。GF-5 EMI能够获取火山喷发SO₂排放的时空分布特征,并与国际同类载荷TROPOMI反演结果具有较高的空间一致性,能够满足全球火山喷发监测、预警及其气候影响研究的应用需求。     

大气环境卫星污染气体和大气颗粒物协同观测综述

空气污染作为一种重要的环境问题,直接影响人们的日常生活和身体健康。随着污染气体和颗粒物观测技术的逐步成熟,基于卫星平台的近地层大气污染物监测得到了快速的发展。本文概括性描述了大气环境关注的污染气体和大气颗粒物的主流遥感方法,对各方法的适用场景及优缺点进行了评述。尽管差分吸收光谱方法对污染气体的监测十分有效,但最优估计算法可进一步从多光谱信息中提取部分污染气体（例如：臭氧O₃、一氧化碳CO等）的分层信息,有助于更细致地刻画污染气体在整层大气中的垂直分布。对于大气颗粒物遥感方法,采用不同的技术手段进行地气解耦是算法的核心问题,增加光谱、角度、偏振以及时间序列信息都可有效增加算法的地气解耦能力。基于对污染气体和大气颗粒物反演算法的总结,从污染气体和颗粒物协同观测的角度对卫星平台及传感器的发展历程进行了梳理,论述了紫外、红外以及可见光波段的传感器协同观测的优势,展望了未来静止卫星星座的高时空分辨率大气污染监测能力以及中国卫星的贡献。还探讨了以近地面大气污染物监测卫星探测技术及遥感算法亟待解决的问题以及未来的可能发展方向。     

温室气体的卫星遥感—进展与趋势

二氧化碳和甲烷减排是控制全球增温最核心的手段,传统的人为碳排放计算主要依赖于在线监测和清单算法,2019年第49届IPCC全会明确了利用大气观测通过"自上而下"通量计算对排放清单进行支撑和验证,因此了解大气遥感碳监测发展趋势以及同化反演技术方法成为了中国应对国际气候变化事务亟待探明的重要问题。根据卫星遥感技术发展进程和监测需求,将碳监测遥感的发展划分为3个阶段(1999年—2008年,2009年—2019年,2019年—),前两个阶段和第三阶段对应卫星分别为第一代和第二代温室气体监测卫星。本文在分析日本、美国、欧洲和中国第一代段碳监测卫星遥感探测技术发展进程的基础上,重点介绍了第二代卫星遥感探测技术的创新及其在探测精度、分辨率和覆盖率等方面提升。为了满足全球和区域人为碳排放监测的重大需求,需要优化反演算法提高精度、科学规划卫星的组网观测提升监测效率。同时也进一步阐述了如何依据组网观测的全球高精度、高时空分辨率的卫星数据,利用"自上而下"数据同化方法获得独立源汇信息来补充和验证清单。最后,指出了卫星高光谱遥感和新一代碳监测卫星的未来发展趋势及估算人为碳排放的潜力。     

高分五号卫星大气参数探测综述

高分五号卫星搭载了大气痕量气体差分吸收光谱仪、主要温室气体探测仪、大气多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高分辨率探测仪、可见短波红外高光谱相机和全谱段光谱成像仪共6台载荷,对全球环境监测及中国大气气溶胶、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳、甲烷和云等多个环境与气象综合监测方面有着重要的意义。为了更好的了解高分五号卫星任务的大气监测内容,本文对高分五号卫星其中的4个大气探测载荷特征和数据处理算法进展进行了总结,涉及各个载荷参数信息、算法介绍和产品初步结果等相关内容。高分五号卫星是中国专门用于大气环境监测任务的遥感卫星,随着后续卫星的发射升空,将对中国乃至全球大气环境监测提供强有力的数据支撑。     

基于卫星遥感的近地面PM2.5浓度反演进展

细颗粒物PM_2.5（Fine Particulate Matter）是影响空气质量和公共健康的关键因素之一。高时空分辨率的PM_2.5数据是公共健康风险评估和流行病学研究的基本需求。相较于地面站点,卫星遥感技术具有连续观测、宽覆盖和低成本的优势,基于卫星气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）反演PM_2.5质量浓度的方法已成为热点。本研究概述了卫星AOD产品反演PM_2.5浓度的原理,介绍了用于PM_2.5反演的主要卫星AOD产品及其反演精度;总结了现有的PM_2.5估算方法及其优缺点,指出目前PM_2.5反演研究存在的问题;提出未来PM_2.5反演方向主要集中在高时空分辨率的PM_2.5浓度重建、基于激光雷达数据的三维PM_2.5浓度反演及PM_2.5化学组分反演等方向。比例因子法、物理机理模型和统计模型这3种方法都能在不同时期不同程度地准确估算PM_2.5浓度,代表了那个时期较为前沿的研究热点,但比例因子法和物理机理模型因其自身的局限性而应用较少,而统计模型因其独特的时间或时空异质性的可描述性和强大的非线性描述能力的优势而被广泛应用并不断改进。目前PM_2.5反演研究存在的问题主要有3种：（1）卫星AOD的非随机缺失问题造成估算的PM_2.5数据缺失;（2）反演模型的精度问题;（3）PM_2.5的化学成分估算问题。基于此,本文为了准确揭示近地面PM_2.5的时空变化趋势,提高基于卫星AOD产品的近地面PM_2.5反演研究的准确性,提出了几点未来的研究方向：首先,新型的高空间（如风云四号、高分五号）、高时间分辨率（Himawari-8/9）卫星AOD产品在PM_2.5的精细化估算研究上具有很大优势,这对于高时空分辨率的PM_2.5浓度重建具有重要意义;其次,随着大气探测技术的发展,星载、机载及地基激光雷达都能够获取垂直分布信息,搭载在无人机上的颗粒物传感器可实现PM_2.5垂直方向上的监测,将其与光学遥感卫星数据及地面监测数据结合,可实现三维的PM_2.5浓度反演;最后,PM_2.5化学组分信息对于分析污染成因、暴露特征等尤其重要,其时空变化趋势研究是一个重要的发展方向,然而,地面PM_2.5组分观测站网仍不完善,如何克服卫星遥感估算中对地面站网的依赖,实现PM_2.5化学成分的高精度反演需要进一步研究。通过本研究,有助于进一步了解不同PM_2.5估算方法的原理机制及其优缺点,为基于卫星AOD产品反演近地面PM_2.5浓度的新的发展方向提供启示,提升近地面PM_2.5浓度反演的精度及时空分辨率。     

基于汉字模糊音的地名查询方法设计与实现

目前,GIS地名查询一般都是以输入准确中文作为查询条件,但在实际应用中,有时用户说不清楚地名的准确中文;有时用户由于中文输入法操作不熟练而在中文输入上浪费了许多时间。针对这两个问题,提出了一种基于汉字模糊音的地名查询方法,即以汉字拼音首字母作为该汉字的模糊音,给定查询条件时以模糊音代替原来中文输入,实现地名查询。设计了实现该方法的两个可行方案,并作了分析比较。采用地名模糊音方案实现了该方法。该方法对于增强地名查询功能、提高地名查询效率具有一定的实际意义。     

一种有效的基于灰度共生矩阵的图像检索方法

提出了一种基于广义图像灰度共生矩阵的图像检索方法。该方法首先将原图像作平滑处理得到平滑图像，然后将原图像和平滑图像组合得到广义图像灰度共生矩阵，提取该矩阵的统计特征量，最后将该统计量组成归一化向量用以检索。实验结果表明，本方法的效果要优于单纯的灰度共生矩阵法。     

一种本体驱动的地理空间事件相关信息自动检索方法

区别于传统的地理信息检索仅利用关键词进行匹配和查询的机制,以地理空间事件为纽带,提出一种由本体驱动的、与该地理空间事件相关的信息自动检索方法,实现用户仅仅需要了解地理空间事件发生的基本信息就可以从海量地理信息数据库中智能地提取与该地理空间事件相关的信息,并提供检索的个性化支持,以便用户主动、自动检索这些信息,简化用户获取信息的过程,减少因用户对信息组织方式、软件应用模式不了解造成的繁琐操作,提高检索效率。     

地图信息的拓扑检索

从本质上看,地图数据处理是一种拓扑变换,即在连续变形(处理)中要保持数据中所内函的不变性(结构特征)。当数据处理系统由拓扑关系所充实与制导时,其智能程度就大为增强,可使其由线性处理演变为非线性处理(关联处理)。根据物体间邻接与关联的强烈程度,可把拓扑关系分为两大类:确定型与模糊型。前者原则上用显式表示,后者则宜用隐式表示。两种表示方式作了简要的对比,並强调隐式结构有着经济性与灵活性的主要优点。同时还强调指出,在建库过程中拓扑信息的人工输入应趋于最少。地理信息的检索可分为两类:常规检索与拓扑检索。对于前者,检索的依据是物体本身的标志,如定性检索与定位检索;而对于后者,检索的依据是物体集合之间的空间关系(如邻接关系、关联关系和包含关系)。实现以常规检索为基础的间接拓扑检索,其实质就是用程序的手段把隐含在数据结构中的所求的拓扑关系借助于两个倒排文件(标题索引与栅格索引)予以显式化。文末介绍了三种典型的间接拓扑检索:基于点集合的拓扑检索,基于线集合的拓扑检索和基于面集合的拓扑检索。     

基于Lucene的图斑快速检索技术

嵌入式GIS中矢量电子地图数据量越来越大,有时又需要快速检索出某些特定的空间对象,针对这一需求,本文通过比较Lucene全文检索工具和SQLite数据库检索各自的优缺点,提出了利用全文检索框架Lucene实现高效的地图属性检索功能,并经过测试证明了该方法的可行性与高效性。     

地质资料日录检索服务系统的建设

本文介绍了我单位地质资料、图书的管理现状,并详细阐述了地质资料目录检索服务系统的设计方案、系统功能、应用成果和不足,能够为其他单位建立地质资料目录检索起参考作用。     

森林叶片叶绿素含量反演的比较与分析

利用光谱指数和回归分析等方法进行叶绿素含量的反演,比较了归一化植被指数、比值植被指数、叶绿素吸收指数、三角植被指数和叶绿素指数反演叶绿素能力的差异,分析了光谱宽度对叶绿素指数反演叶绿素含量的影响,实现了森林叶片叶绿素含量的定量化反演。     

反射率因子和径向速度共同约束反演多普勒雷达风场

多普勒雷达可以提供降水回波区的风场信息。为了充分运用雷达资料分析中小尺度天气过程,本文假设反射率因子在短时间内的运动满足拉格朗日守恒,提出了采用连续两次的反射率因子回波和径向速度数据共同约束的方法来反演风场,在反演过程中避免了对径向速度的分布进行假设。针对连续两个时次之间反射率回波运动中产生的不同程度的误差做了模拟风场试验,结果表明,当回波运动随机误差不超过40%时,反演结果较为可靠。另外,本文还利用此风场反演方法进行两次中尺度天气过程的实例分析。结果表明,该方法反演的风场与实际风场结构相符,具有一定的应用价值。     

人工神经网络模型反演植被生物量参数

该文利用 1988年小麦生长期中生物量参数和微波 (10 2GHz)主被动遥感实测数据 ,作为输入输出I/O矢量对 ,训练人工神经网络为参数反演模型。然后用 1989年小麦生长期中微波主被动遥感实测数据和该神经网络模型 ,来反演其生物量参数在整个 1989年生长期中的变化。反演结果与遥感实测结果作了很好的比较     

基于GPS掩星技术反演大气参数模型的优化

准确掌握地球大气中的水气分布，了解水气变化趋势对天气现象、全球气候变化、数值预报具有理论研究及实用价值。以无线电掩星技术为基础，利用掩星数据反演大气参数剖面。对原反演模型的不足进行了论证，并给出了反演个例。详细地论述了通过引入MM5先验温度T再通过线性迭代的方法反演对流层下部水汽廓线原理，给出了优化后模型反演个例。并对模型优化后反演廓线中存在的问题进行了分析，提出了下一步优化方向。