PARASOL/POLDER3卫星数据的海洋上空云检测

在卫星海洋遥感中,云作为海气耦合系统最重要的调节器之一,其检测结果对海洋上空云微物理特性的反演精度有较大影响。因此,快速而准确识别海洋上空的云像元是卫星遥感数据处理过程中首要解决的关键问题。以PARASOL (Polarization and Anisotropy of Reflectances for Atmospheric Sciences coupled with Observations from a Lidar)卫星搭载的POLDER3载荷遥感数据为研究对象,提出一种改进的海洋上空云检测方法。首先剔除海洋耀光;接着利用有云与晴空区近红外反射率差异检验识别有云像元,并利用偏振反射率检验进一步识别低反射率的云像元;然后利用近红外与可见光反射率比值检验识别晴空像元;最后建立多角度云检测结果空间融合规则,重新标记有云、晴空和未定像元。以印度洋海区为例进行实验分析,将云检测结果与Buriez方法进行对比,发现检测精度基本相当,而有云像元的识别速度却平均提高约3倍。结果表明:该方法能有效的检测出海洋上空的云像元,满足业务化数据处理的高精度及时效性要求,为后续云微物理特性反演提供可靠的数据源。     

航空遥感数据典型自然下垫面偏振特性分析

对于航空航天大气偏振遥感来说,下垫面偏振辐射噪声影响扣除至关重要。本文基于航空偏振遥感数据,探讨了典型自然下垫面对可见光及短波红外波段偏振敏感性。研究发现,在可见光波段与短波红外(2250 nm)波段,植被下垫面偏振反射率线性拟合斜率都接近1,相关系数大于0.95,表明植被偏振反射率对光谱波段不敏感。比较分析了平静水面和存在耀光水面在670 nm和2250 nm两波段的偏振特性,存在耀光的水面其偏振反射率大约是平静水面的3倍。此外,在实验室测量了红砂土和河沙土的偏振反射率,偏振反射率随波段的改变量很小,其与波段的线性拟合斜率仅为10-5量级,说明两者的偏振反射率对波段很不敏感。因此,利用典型自然下垫面在可见和短波红外波段的偏振反射特性,将能够有效进行地气解耦,提高大气偏振遥感精度。     

基于神经网络的二类水体大气修正

大气修正是海洋水色遥感中的关键技术之一。近海二类水体大气修正面临两个挑战：浑浊水体造成NIR大气修正波段的离水辐射明显大于零;近海上空存在较强吸收性的气溶胶。本文针对HY-1A CZI,在辐射传输模拟的基础上建立了基于神经网络技术的二类水体大气修正算法,可以由波段1-4的TOA反射率和三个角度反演得到离水反射率、气溶胶光学厚度等参数。利用模拟数据进行了算法的性能评估,并开展了卫星数据处理试验。结果表明,除了在非常浑浊的水体,反演结果基本合理。     

深度置信网络算法反演Landsat 8 OLI气溶胶光学厚度

传统的气溶胶遥感反演算法在地表反射率较低、结构较为均一的海洋及浓密植被等区域的气溶胶反演可以达到较高的精度，而在城市、矿区等高亮度、高异质性区域的气溶胶反演中仍面临较大的挑战。当地表反射率较高时，卫星传感器获取的对气溶胶具有标识性的信息不足，导致了气溶胶反演的困难。为更大程度地挖掘卫星信号中对气溶胶具有标识性的信息，本文提出使用深度学习技术的气溶胶遥感反演算法，用于Landsat 8 OLI传感器的气溶胶反演。选择全球不同区域的AERONET站点气溶胶实测数据以及对应区域的Landsat 8 OLI传感器的观测几何角度和表观反射率数据，根据合理的时空匹配原则构建样本数据。选择深度置信网络，在合理设置训练批次和训练次数的基础上对网络进行训练和测试，生成关于卫星传感器数据的气溶胶光学厚度拟合网络模型，实现气溶胶遥感反演。使用独立的AERONET站点气溶胶实测数据对反演结果进行了验证，结果表明：该方法可反演不同地表类型区域连续空间覆盖的气溶胶光学厚度，且达到了较高的精度（R=0.8745，RMSE=0.0391，MAE=0.0616，EE=87.94%）。与传统的方法相比，本方法基于单时相卫星遥感数据即可实现气溶胶的高精度反演，简化了气溶胶反演的步骤，提高了气溶胶反演的稳定性和时空适应性。     

基于高分辨率影像的城市地区气溶胶反演研究述评

介绍了大气气溶胶对全球气候变化和大气污染状况的影响,阐述了基于卫星遥感反演气溶胶的国内外研究现状;简要介绍了卫星遥感反演气溶胶的原理以及当前应用较为广泛的单通道和多通道法、基于对比度差异的空间结构法、基于多角度数据的反演方法、基于偏振数据的反演方法和基于星载激光雷达数据的反演方法等5类卫星遥感反演方法;最后根据上述反演方法以及城市地区气溶胶反演的难点,对城市地区气溶胶反演研究进行了论述分析和总结,点明了利用卫星高分辨率遥感影像对城市地区气溶胶反演研究的重要性,讨论了当前基于高分辨率影像的城市地区反演方法的不足,并对其存在的问题的突破点和解决途径进行了展望。     

TM传感器辐射定标参数精度分析

以2007年4月26日北京地区TM图像为例,对美国地质调查局(USGS)和中国遥感卫星地面站(RSGS)提供的传感器辐射定标参数进行精度评价。首先,根据不同来源的辐射定标参数,采用对应的定标系数计算公式得到相应的定标系数,采用不同的定标系数分别对DN值进行反演,得到不同辐射定标参数下的表观辐亮度数据;然后,将两种表观辐亮度反演结果输入FLAASH大气校正模型,反演图像获取时的气象视距和地表反射率;最后,通过同步气溶胶观测数据和高分辨率遥感影像对所反演的气象视距和地表反射率分类精度进行评价,得到传感器定标参数精度评价结果。研究表明:USGS提供的辐射定标参数能更为精确地反映TM传感器的辐射特征。     

GF-5 DPC数据的云检测方法研究

高分五号（GF-5）号卫星所搭载的大气多角度偏振探测仪（DPC）能够对地球进行多波段,多角度和的连续观测,其数据对研究全球大气云分布及云辐射反馈作用提供新的视角。本文通法国多角度偏振载荷POLDER（POLarization and Directionality of the Earth’s Reflectances）云检测算法为参考,结合DPC多波段反射率、偏振反射率、表观压强等信息开发了一个适用于DPC的云检测算法。算法主要分为3个部分：首先是阈值方法对云像元进行检测,同时引入表观压强对不同高度的云（如卷云、层积云等）进行进一步的条件约束,然后利用865 nm波段偏振反射率对海表反射的太阳耀斑区进行识别,修正了反射率阈值识别云像元时受到的太阳耀斑干扰。为了验证算法的准确性,利用2018-10-01的MODIS的MOD06云掩码产品与本文云检测算法结果进行定性分析,从目视判读结果可以看出本文云检测结果与MOD06产品具有较高的吻合度;随后又利用2018-10-01—04的CALIPSO-VFM数据与本文云检测结果和MYDO6云掩码产品进行定量分析,分别计算了中低纬度区域（60°N—60°S）的云/晴空像元命中率和云/晴空像元错误预报率,计算结果显示算法云命中率均值相较MYD06云掩码产品高出13.501%的前提下云错误预报率仅高出3.561%,可表明该算法在全球中低纬度区域有着良好的云检测效果。本文提出的云检测算法,可为后续DPC的云参数、水汽、气溶胶等研究提供重要数据支撑。     

利用POLDER多角度偏振数据反演陆上气溶胶光学厚度的群组残差最优方法

陆上气溶胶光学厚度(AOD)反演作为气候、环境领域的一大研究方向,偏振多角度遥感在这个方向上有其特有的优势.本文使用法国POLDER(Polarization and Directionality of Earth's Reflectance)1 级偏振多角度资料,提出了一种针对气溶胶反演的群组残差最优方法,反演了气溶...     

智能高光谱遥感卫星前视相机性能设计

高光谱遥感可以得到地物连续光谱信息,实现地物精细分类、目标高精度探测以及地物生化参量的定量化应用。传统的高光谱遥感器由于固定辐射动态范围,存在大量无效且冗余数据,给卫星载荷造成了巨大的存储压力。智能高光谱卫星关键技术之一在于利用前视相机预判辐射动态变化范围的方式辅助主相机成像模式调整,本文在智能遥感卫星系统概念的基础上,重点开展前视相机倾斜角设计、波段设置和辐射动态范围预测研究。研究表明:前视相机倾斜角需要综合考虑星上响应时间、单次成像距离和空间分辨率;考虑到云检测、气溶胶光学厚度和水汽含量反演等指标的实现,前视相机需要设置0.49μm、0.66μm、0.87μm、0.94μm、2.1μm等5个波段;0.4—1.0μm波段范围最大最小值辐亮度可以由有限波段进行预测。基于ENVI光谱库76条光谱数据,通过MODTRAN辐射传输模型模拟各类地物(植被、矿物、人造地物、土壤)在不同观测条件下的表观辐亮度,建立了在0.4—1.0μm波段内各类地物辐射动态最大值和最小值模拟模型,利用光谱库中其他光谱数据验证了各类地物辐射动态最大值和最小值模拟模型,各类地物最大值和最小值预测模型验证的拟合优度(R2)分别大于98%和75%,模型验证相对误差分别小于5%和25%;同时利用Hyperion影像,验证了植被类预测模型,最大值模拟模型验证相对偏差在5%内,最小值模拟模型验证相对偏差在10%内。以上研究为智能高光谱卫星主相机的辐射动态范围调整提供了重要依据。     

扩展多波长偏振测量的太阳—天空辐射计观测网

太阳辐射和大气气溶胶的地基遥感观测在气候变化、大气环境和对地观测等领域有重要意义。结合多波长偏振测量技术在气溶胶观测中的应用,本文介绍了在中国典型区域建立的太阳—天空辐射计观测网SONET(Sunsky radiometer Oberservation NETwork)。主要内容包括:(1)多波长偏振太阳—天空辐射计的参数、基本原理和功能,以及据此建立的中国区域太阳—天空辐射计观测网及其站点的基本情况;(2)太阳直射、太阳主平面和平纬圈几何条件下,太阳—天空辐射和偏振的观测模式及其测量参数;(3)针对气溶胶、水汽等大气成分观测发展的太阳直射辐射、天空光辐亮度、线偏振度等观测量的定标和数据处理方法,并给出在晴朗和灰霾等天气下的SONET观测结果示例;(4)基于在SONET典型站点连续的较长期遥感观测,初步建立了城市、乡村和灰霾情况下的整层大气气溶胶参数模型。在扩展多波长偏振测量的基础上,SONET还发展了自动观测、快速数据处理、定期标定和维护等观测网运行关键技术,可为典型大气气溶胶模型构建、卫星气溶胶产品反演和验证、大气环境遥感监测等应用提供支撑。     

Examining the impacts of urbanization on surface radiation using Landsat imagery

Metropolitan Beijing is facing many environmental problems such as haze and urban heat island due to the rapid urbanization. Surface shortwave, longwave, and net radiations are key components of the surface-atmosphere radiation budget. Since megacities are affected by the thermal radiation of complex landscape structures and atmospheric environments, quantitative and spatially explicit retrieval from remotely sensed data remains a challenge. We collected the surface radiation fluxes from seven fixed sites representing different land-use types to calibrate the local parameters for remotely sensed retrieval of net radiation. We proposed a remote sensing–based surface radiation retrieval method by embedding the underlying land covers and integrating the observational data. The improved method is feasible to accurately retrieve surface radiation and delineate spatial characteristics in metropolitan areas. The accuracy evaluation indicated that the difference between remotely sensed and in situ observed net radiation ranged within 0~± 40 W· m^?2. The root mean squared error of the estimated net surface radiation was 32.71 W· m^?2. The strongly spatial heterogeneity of surface radiation components in metropolitan Beijing was closely related to land-cover patterns from urban area to outskirts. We also found that the surface net radiation had a decreasing trend from 1984 to 2014, and the net radiation in the urban area was lower than that in the outskirts. According to the surface radiation budgets, urbanization resulted in the cooling effect in net radiation flux in the daytime, which was stemmed from low atmospheric transmittances from massive aerosol concentration and high surface albedo from light building materials.     

红外遥感器自身引起的背景辐射研究

针对折反射光学型式的红外遥感器,结合各组件辐射的传输特性,建立系统自身辐射的计算模型,分析了遥感器自身热辐射所形成的背景辐射.通过将背景辐射与目标辐射相比较,分析其对红外探测的影响,并讨论了背景辐射影响的消除方法.最后,利用该模型分析了天宫一号高光谱成像仪红外观测谱段的背景辐射,并讨论了光瞳像差的影响.     

基于NOAA卫星的陕西省太阳总辐射反演研究

本文以2007年3-9月陕西省地面总日射实测小时累计值及NOAA卫星影像为信息源,采用半物理模式的统计经验反演得出地面太阳总辐射,进而分析了陕西省地面总日射的分布状况.对反演结果与地面辐射站实测结果进行比较,平均相对误差为8.43%.     

可见光-近红外波段大气上行与下行辐射分量参数化方法

可见光-近红外波段大气上行、下行辐射是辐射传输建模、成像模拟及大气校正关键的输入参数,根据四流辐射传输理论给出了与二者相关大气参量的数值模型及计算方法,针对Landsat 5 TM 6个波段建立了大气参量与水汽含量、能见度距离和太阳入射天顶角间的参数化模型,在此基础上对各参量间敏感性进行了分析,结果表明参数化模型具备较高精度。同时,计算了各波段大气上行、下行漫射辐射值,对二者在植被和裸土覆盖条件下的差异进行了定量分析。     

MODIS大气产品的光合有效辐射估算研究

利用气溶胶、水汽、云以及臭氧等MODIS标准大气产品,在简单辐射传输模型基础上估算青藏高原光合有效辐射,经验证估算的光合有效辐射与实测数据存在显著的线性相关,相关系数在0.8—0.9之间,最大误差为13%。经过敏感性分析发现云层厚度、气溶胶含量以及大气压力对光合有效辐射的影响大。臭氧和水汽含量的变化不敏感。云层厚度、Angstrom浑浊度系数和大气压力分别变化30%、25%和15%时,光合有效辐射变化分别为20%、5%和5%。     

自然光辐射各分量卫星遥感图像的计算机生成原理与方法

本文讨论了利用卫星遥感数据和与之匹配的数字地面模型以及它们和光辐射各分量之间的定量关系，使用计算逐点分解遥感数字图像以生成成像瞬间直、散射辐射光照射下相应的卫星遥感图像的原理、方法。最后，阐述了生成的辐射各分量遥感图像特点和应用前景。     

针对SAIL冠层模型的土壤背景反射率修正

提出一种基于SAIL模型的地表反射率修正方案,有效减小地形起伏的影响。通过引入太阳直射光的方向-方向反射与大气散射的半球-方向反射,遵循光路可逆原理对地表反射率进行几何修正,同时考虑地表自身热辐射对入瞳辐射的影响从而修正地表反射率,发展适用于SAIL模型的地表反射率修正模型。利用长常高速部分路段的实测植被理化参数及光谱信息对地形修正后的SAIL模型模拟精度进行对比分析,结果表明地形修正后SAIL模型有效提高SAIL模型模拟的植被冠层光谱精度,修正后SAIL模型可为后续南方地区定量遥感的应用提供更精确的数据支持。     

基于ArcGIS的中温带不同天气类型点太阳辐射分析——以佳木斯市辖区为例

考虑天气情况对入射太阳辐射的影响,研究和分析日照时数、天气类型和辐射参数的关系,并将散射模型、透射率和散射比例与4种常用天气类型相对应。以佳木斯市辖区为例,采用ArcGIS的点太阳辐射分析批处理工具,对佳木斯辐射台站进行日入射太阳辐射分析。通过将默认情况和天气类型两种模拟结果与辐射台站的实测值进行分析和验证,获得两者的相关性R2分别为0.573 4和0.899 5。研究结果表明按不同天气类型进行中温带地区点太阳辐射分析的方法切实可行,并获得更好的点日太阳辐射模拟效果,其有利于研究不同天气类型下物理和生物过程模型所受到的太阳辐射影响。     

天宫一号超光谱仪红外谱段的实验室定标

天宫一号超光谱仪红外谱段光谱范围是8.0—10.5 μm,采用红外线列焦平面推扫方式成像.通过实验室定标实验,获得了每个探测元对应的辐射响应系数和响应线性度,并得到每一探测元的动态范围与噪声等效温差,验证了图像输出校正效果,同时,根据定标实验误差来源分析计算了最终的辐射定标误差.     

高光谱成像系统的噪声模型和对辐射灵敏度的影响

高光谱成像系统的应用效果非常依赖仪器获取图像的信噪比。根据高光谱成像系统的设计特点和各种噪声的来源,建立了时域噪声、空域噪声、空间干扰和光谱混叠等各种噪声模型,在此基础上详细分析了各种噪声对高光谱成像系统的影响和制约,结论对提升中国高光谱成像系统的实用性具有重要意义。