从ASTER和Landsat／TM卫星数据反演日本千叶地区地表反射率和气溶胶光学厚度分布

在卫星遥感大气研究中，已有的精确反演海洋表面反射率和其上空气溶胶光学厚度分布的算法，由于陆地地表像元反射率的不均一性，使得这些方法在应用于陆地表面反射率的反演中具有一定的局限性。而利用三步校正法可以去除地表邻近像元的影响，从而消除这种局限性。文中介绍了三步校正的算法，并对日本千叶地区ASTER卫星数据进行了大气和地表邻近像元的影响校正，精确地反演了该地区的地表反射率，通过地表反射率和气溶胶光学厚度之间的关系计算得到了气溶胶光学厚度的分布。同时证明了在洁净天反演的地表反射率可以应用于反演同一季节中非洁净天的气溶胶光学厚度分布，这样不但减小了气溶胶模式选择的影响，而且实现了在缺少太阳辐射计数据情况下获得气溶胶光学厚度分布的目的。     

利用SeaWiFS数据反演海岸地物光谱反射率

提出了一个利用SeaWiFS数据反演气溶胶光学厚度与沿岸地物光谱反射率的迭代算法.该算法借助于6S辐射传输模型,利用水色卫星的近红外通道由水体像元首先反演出0.55μm波段的气溶胶光学厚度,在所选影像晴空无云的条件下假定沿岸陆地上空的大气条件与水体上空的大气条件相同,然后再迭代计算出沿岸地物光谱反射率.给出了实际卫星数据计算的结果,并对可能出现的非清洁水体与气溶胶对时空变化引起的误差进行了数值模拟.     

利用MODIS图像反演海岸与海岛的地物光谱反射率

提出一种利用MODIS图像,用查找表反演海岸与海岛地物光谱反射率的方法。该方法首先借助AHMAD辐射传输模型,由MODIS图像的水体像元反演出气溶胶的光学特性;在所选影像为晴空无云条件下,假设一定范围内的海岛与海岸上空的大气和水体上空的大气一样,借助6S辐射传输模型计算基于地物光谱反射率的查找表,然后由MODIS图像的陆地像元的反射率和几何条件加上反演的气溶胶光学厚度,用插值法可求得地物光谱反射率。还给出了厦门地区实际卫星图像的反演结果,并就反演误差进行了分析。     

利用热红外温差识别沙尘

沙尘识别是沙尘灾害监测和沙尘气溶胶特性研究的首要工作。利用辐射传输方程进行了沙尘气溶胶的辐射计算 ,对不同沙尘气溶胶光学厚度下的热红外通道温差ΔT(T11μm-T12 μm)的变化进行了分析。理论分析表明 ,利用热红外通道的温度差ΔT进行陆地沙尘识别是可行的。并利用NOAA AVHRR热红外通道的温度差ΔT进行了陆地沙尘识别的实验 ,经与地面气象站实测的沙尘天气现象相比较 ,结果一致。     

利用云下阴影实现陆地上空气溶胶和地表反射率的同时反演—理论方法和模拟

卫星探测信号包含大气中分子和粒子的散射贡献以及地表反射的贡献,在陆地上空二者的贡献相当,并且陆地地表反射率在时间和空间上极度不均一,因此,很难区分二者的各自贡献从而定量提取大气气溶胶和地表反射率,陆地上空气溶胶的反演也一直是一个极具挑战性的课题.而高分辨率卫星资料如TM5的可见光通道能够很好地区分云和云下阴影,如果云是不透光的,在阴影上空,卫星信号仅包含大气散射贡献和地表漫反射贡献,而在邻近的非阴影区上空,卫星探测信号还包含地表直接反射的贡献,根据这个原理,利用辐射传输模式分析了阴影区和非阴影区上空卫星探测的辐射量差别与地表反射率和大气气溶胶的关系,提出一种利用云下阴影来同时提取阴影上空大气气溶胶和地表反射率的单波长反演方案,并对气溶胶单次散射反照率,散射相函数,测量精度以及地表反射率的不均一性进行了敏感性分析.     

CBERS02B卫星CCD传感器数据反演陆地气溶胶

研究利用CBERS02B卫星的CCD传感器数据反演陆地气溶胶的方法。采用的方法是暗像元法。具体步骤为: 根据地面采集的植被光谱数据, 结合CCD传感器特点, 建立浓密植被(暗像元)红蓝波段(CCD传感器的第三和第一波段)反射率与地表反射率之间的关系, 确定了暗像元识别的阈值, 讨论气溶胶光学厚度对暗像元识别的影响以及消除这种影响的方法; 利用6S进行辐射传输运算, 构建查找表; 根据CBERS02B卫星的CCD传感器数据, 从查找表插值得到气溶胶光学厚度, 并进行了算法的误差分析。用广西南宁市及北京地区附近的两景数据进行了实际的反演试验, 使用MODIS的气溶胶产品与反演结果进行比对。结果显示, CBERS02B卫星的CCD传感器数据能够较好的反演陆地气溶胶。     

利用深蓝算法从HJ-1数据反演陆地气溶胶

大气气溶胶是环境空气污染监测的重要指标,在利用环境一号卫星CCD相机进行气溶胶监测时,暗目标法和结构函数法都有相应的不足。本文从Hsu等人(2004)提出的深蓝算法出发,以MODIS的地表反射率产品为基础建立反射率库,并利用地面观测数据分析了各种典型地物在CCD相机与MODIS蓝波段反射率之间关系,提出了将MODIS地表反射率修正到CCD相机的方法,进而实现地气解耦,反演气溶胶光学厚度。选择北京地区为实验区,进行了算法实验,并用AERONET/PHOTONS北京站的数据进行了验证,结果表明,(1)光学厚度较大时(>0.5),深蓝算法精度能够较好的满足环境一号卫星CCD相机对气溶胶日常监测的要求;(2)气溶胶模式会对结果产生较大的影响,尤其是城市型气溶胶。     

可见光波段灰度熵和热红外亮温差的沙尘遥感判识

沙尘作为对流层气溶胶的主要成分,对气候系统有许多影响;同时,作为环境污染物,对人类健康危害也很大。沙尘天气一般在春季爆发,对中国北方大部分区域的生产和生活有较大影响。以往针对沙尘遥感监测人们开展了许多研究,取得了一定的效果。但对于一些云和沙尘混合的复杂状况,传统方法识别效果较差,几乎不能有效识别出沙尘。采用葵花8号(Himawari-8)卫星数据,提出一种针对性的识别方法。引入了0.46μm和0.51μm反射率差值RDI,统计发现该指数在一定范围内可以表现出沙尘连续性特征,并有效地将中高云和大部分地表与沙尘区分开来。碎积云的RDI值分布与沙尘的较为相似,为此进一步引入了灰度熵方法来滤除。例举了3次沙尘过程的判识结果,并结合地面观测数据进行了验证。其中对2017年5月4日沙尘的地面验证表明,位于云沙混合区的27个站中有22个站的地面观测与判识相一致。对于一些复杂条件下的沙尘,该方法是对分裂窗亮温差的有效补充。     

暗目标法的Himawari-8静止卫星数据气溶胶反演

Himawari-8(H8)是由日本气象厅发射的新一代静止气象卫星,可实现10 min/次的高频次对地观测,搭载的AHI(Advanced Himawari Imager)传感器设置有与MODIS暗目标气溶胶反演算法所需的类似波段。本文参考暗目标算法构建了针对该卫星传感器的陆地气溶胶反演算法:首先,通过基于地基站点观测数据的精确大气校正,统计得到短波红外与可见光波段的地表反射率比值关系,将此作为先验知识用于地—气解耦时的反射率估计;然后,初步假设大陆型气溶胶类型,利用辐射传输模型建立查找表;最后,通过模拟与卫星观测的表观反射率误差最小实现气溶胶光学厚度反演解算。选取2016年5月覆盖京津冀地区的观测数据进行测试,将反演结果与对应时间的MODIS气溶胶光学厚度产品进行对比验证,空间分布趋势一致、相关性较高,相关系数R达到0.852;通过与地基观测网AERONET站点实测数据对比验证,所有站点的相关系数R~2均大于0.88,精度较高。利用反演的高时间分辨率产品,分析了京津冀地区的大气空间分布和日变化情况,结果表明:采用暗目标法对H8静止卫星陆地气溶胶光学厚度反演具有一定的潜力和可行性,能反映气溶胶的高时间变化信息,有望成为大气环境污染变化监测新的重要手段。     

基于Terra/MODIS的沙尘暴业务化遥感监测研究

探讨了以MODIS为数据源进行沙尘暴监测的业务化技术流程及方法。以2003年4月9~11日连续发生在我国西北部特大沙尘暴为例，进行了沙尘信息提取及等级划分的示例研究，并与已经业务化运行的气象卫星（NOAA-16、风云1C气象卫星）的结果进行了相关比较。结果表明，该研究为卫星遥感监测沙尘提供了新的数据源和监测途径。     

中国北方地区春季气溶胶光学特性地基遥感研究

基于中国北方地区地基太阳直接/散射辐射计观测,分析了2001年春季气溶胶光学厚度、尺度和吸收特性。沙尘期间,气溶胶光学厚度显著升高,而尺度上升,粗粒子浓度显著增加,大气气溶胶表现出中性或异常消光特征。除沙尘活动之外,中国华北地区人为排放也是导致气溶胶光学厚度偏高的一个重要原因。中国沙尘源区气溶胶单次散射反照率小于以往观测和模式结果。北京和香河两地气溶胶光学厚度、Angstrom指数和尺度谱基本相似,说明华北地区人为排放与沙尘活动类似,也表现出区域尺度的特点。由于沙尘气溶胶与人为排放气溶胶相比,折射指数实部偏大、虚部偏小,从而北京地区沙尘期间单次散射反照率明显大于非沙尘期间,特别是在近红外波段,说明沙尘活动不仅可以通过增加气溶胶光学厚度,同时也通过改变气溶胶物理、辐射特性来影响下游地区的气溶胶辐射强迫。     

阴影区提取对高分辨率影像地形辐射校正的影响与分析

利用辐射传输机理对复杂山区进行地形辐射校正,可以全面地考虑太阳直接辐射亮度、天空散射辐射亮度及邻近地表反射辐射亮度3部分因素,从而取得较好的校正结果。遮蔽因子的准确提取是决定地形校正结果的关键因素。本文使用同一个辐射传输模型,针对同一片地表裸露山区的SPOT-5全色影像,分别使用对应的DEM和直方图阈值分割法计算遮蔽因子,并将得到的校正结果进行对比发现：在DEM精度不够高的情况下,使用直方图阈值分割法计算遮蔽因子,可以得到更好的地形校正效果,充分证明了直方图阈值分割法计算遮蔽因子的优势及使用价值。     

Reflectance variation in boreal landscape during the snow melting period using airborne imaging spectroscopy

We aim a better understanding of the effect of spring-time snow melt on the remotely sensed scene reflectance by using an extensive amount of optical spectral data obtained from an airborne hyperspectral campaign in Northern Finland. We investigate the behaviour of thin snow reflectance for different land cover types, such as open areas, boreal forests and treeless fells. Our results not only confirm the generally known fact that the reflectance of a melting thin snow layer is considerably lower than that of a thick snow layer, but we also present analyses of the reflectance variation over different land covers and in boreal forests as a function of canopy coverage. According to common knowledge, the highly variating reflectance spectra of partially transparent, most likely also contaminated thin snow pack weakens the performance of snow detection algorithms, in particular in the mapping of Fractional Snow Cover (FSC) during the end of the melting period. The obtained results directly support further development of the SCAmod algorithm for FSC retrieval, and can be likewise applied to develop other algorithms for optical satellite data (e.g. spectral unmixing methods), and to perform accuracy assessments for snow detection algorithms.A useful part of this work is the investigation of the competence of Normalized Difference Snow Index (NDSI) in snow detection in late spring, since it is widely used in snow mapping. We conclude, based on the spectral data analysis, that the NDSI -based snow mapping is more accurate in open areas than in forests. However, at the very end of the snow melting period the behavior of the NDSI becomes more unstable and unpredictable in non-forests with shallow snow, increasing the inaccuracy also in non-forested areas. For instance in peatbogs covered by melting snow layer (snow depth < 30 cm) the mean NDSI -0.6 was observed, having coefficient of variation as high as 70%, whereas for deeper snow packs the mean NDSI shows positive values.     

全天空偏振模式及其影响因素初探

太阳光入射与地表、大气相互作用,会在天空中出现较为稳定的天空偏振模式图,即以太阳为中心,天空中的偏振信号呈现一定的规律分布。影响天空偏振模式图的强度及形态主要由地表反射性质、空气分子散射性质及气溶胶光学性质共同影响。本研究利用矢量辐射传输模型,以海洋下垫面为例,在获取沙尘非球形与煤烟非球型气溶胶单次散射性质的基础上,模拟了不同气溶胶光学厚度情况下的全天空偏振模式图。结果表明,天空以太阳入射方向为中心呈现一个较为稳定的天空偏振模式图。沙尘型散射气溶胶光学厚度的增大会减弱该模式图的强度,而煤烟型吸收气溶胶光学厚度的增大会增大该模式图的强度。利用双模态(沙尘型与煤烟型混合)气溶胶模型,系统分析不同气溶胶比例情况下的天空偏振模式图,结果表明全天空偏振模式图的基本模态依旧存在,但是其强度受气溶胶模型与光学厚度双重影响。因此在利用全天空偏振模式图进行气溶胶光学性质反演时需要注意气溶胶模态信息的选择。     

A coupled atmospheric and topographic correction algorithm for remotely sensed satellite imagery over mountainous terrain

Radiometric correction is an important issue in the quantitative remote-sensing community. By integrating dark object subtraction (DOS)-based atmospheric correction with physics-based topographic correction, a coupled land surface reflectance retrieval algorithm (coupled atmospheric and topographic correction algorithm, named the CAT algorithm) for rugged mountainous regions is proposed. Terra MODIS-derived atmospheric characterization data (including aerosol optical depth, integrated precipitable water, surface pressure, and ozone concentration) are employed as inputs for the proposed algorithm. A physics-based path radiance estimation model is proposed and embedded in the CAT algorithm, and band-specific per-pixel path radiance values are calculated. After the CAT algorithm was performed, the correlation between reflectance and terrain was dramatically reduced, with correlation coefficients nearly equal zero, especially for the near infrared and short-wave infrared bands, meanwhile the image information content increased over 20%. To provide a comparison with previous studies, two commonly used methods in the literature (DOS + Cosine and DOS + C) were employed. The results of the comparison show that the proposed algorithm performed better in both atmospheric and topographic corrections without empirical regression.     

江苏近海岸水深遥感研究

以江苏近海辐射沙脊群海域为典型研究区,通过实测水深数据和水体光谱测量与分析,发现对应TM3和TM4波段的水体光谱反射率对水深信息敏感,线性相关系数分别达到-0.561和-0.694。结合多光谱遥感信息传输方程所推导出的水深信息对数反演模式,针对本研究区TM4和TM3波段数据所建立的水深预测模式的复相关系数R2为0.4793,对0-15m水深,预测水深和实测水深之间拟合较好。利用TM5波段反射率、出露沙洲反射率以及海水反射率的差异,通过建立掩膜图像,可较有效地对TM遥感图像进行水陆分离,提取TM图像中海水部分,进一步可通过常用的图像处理软件绘制每隔5m的TM水深遥感制图、等深线图。随着高空间、高光谱、高辐射分辨率遥感技术的发展,对浅海水域的水深和水下地形进行遥感探测的技术方法和应用将会不断地深入开展。     

中国北方沙尘灾害特点及其下垫面状况的遥感监测

2000年春季,中国北方地区多次受到沙尘灾害的影响,对生产、生活活动造成了多方面的不利影响。采用遥感和GIS技术进行沙尘灾害的过程监测、空间特点分析和下垫面状况分析是一个有效的技术方法,通过对沙尘灾害发生、发展的环境条件的了解,可以减轻沙尘天气的危害、防治等一系列决策措施的制定、实施提供客观、及时的空间信息,有助于制定和实施区域生态环境保护措施,以便减少沙尘天气的次数和减轻灾害性天气的危害程度。     

中国北方沙尘灾害特点及其下垫面状况的遥感监测

2000年春季,中国北方地区多次受到沙尘灾害的影响,对生产、生活活动造成了多方面的不利影响。采用遥感和GIS技术进行沙尘灾害的过程监测、空间特点分析和下垫面状况分析是一个有效的技术方法,通过对沙尘灾害发生、发展的环境条件的了解,可以减轻沙尘天气的危害、防治等一系列决策措施的制定、实施提供客观、及时的空间信息,有助于制定和实施区域生态环境保护措施,以便减少沙尘天气的次数和减轻灾害性天气的危害程度。     

邻坡反射辐射对地物反射率计算的影响评估

采用朗伯体经验模型计算邻坡反射辐射,并建立其对目标像元反射率计算影响的评估模型。研究表明,忽略邻坡反射辐射将造成目标像元反射率的计算值偏高,尤其在低照度区域易导致光学遥感影像地形辐射校正出现过饱和现象。研究证实,雪的可见光近红外波段的邻坡反射辐射、植被的近红外波段的邻坡反射辐射对目标像元反射率计算的影响显著,对地形遮蔽度大的目标像元可产生10%以上的反射率相对误差。