基于Himawari-8卫星的气溶胶光学厚度反演

葵花8号（H8）卫星是先进的静止卫星,能够实现分钟级的对地观测,对监测气溶胶变化情况具有巨大的研究意义。本文利用H8资料,参考暗目标法,构建了适用于H8的气溶胶光学厚度（AOD）反演算法,并以北京区域为实验区,选择雾霾污染等级为重度污染的2020年5月1日开展反演实验,反演结果分别与全球气溶胶地基观测网3个站点观测结果、中分辨率成像光谱仪官方气溶胶数据产品（MODIS AOD）进行对比验证。结果表明：利用暗目标法反演H8卫星AOD具备一定的可行性,能为气溶胶的日变化情况分析提供数据支撑。     

NPPVIIRS数据反演气溶胶光学厚度

利用NPP卫星的VIIRS传感器数据,基于暗像元法反演陆地气溶胶光学厚度AOD。首先,根据红外波段的归一化植被指数NDVI来对暗像元进行识别;然后,利用6S软件进行辐射传输计算构建查找表;最后,根据VIIRS数据从查找表插值得到AOD,并对其进行海拔校正。选取华北地区作为反演实验区,获得了2013年9月1日的气溶胶分布。利用AERONET北京站太阳光度计地基观测结果对反演结果对比验证,发现二者具有显著的相关性,相关系数达到0.7920。将2013年9月1日的MODIS AOD产品与本研究反演的AOD进行比对,发现二者分布趋势一致,相关系数为0.7059,相关性显著。反演结果表明,本文算法反演陆地AOD效果较好,为大气颗粒物环境监测提供了良好方法手段和数据源。     

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。     

VRSS-1卫星数据气溶胶光学厚度反演及精度验证

采用委内瑞拉遥感卫星(VRSS-1)数据进行气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)反演,是VRSS-1卫星数据在环保领域应用的一次尝试。本文采用将VRSS-1卫星数据反演的气溶胶光学厚度结果与NASA(美国航空航天局)公布的MODIS气溶胶标准产品对比的方法进行精度验证,以确定所选择的气溶胶光学厚度算法是否适合VRSS-1卫星数据。     

高分四号静止卫星数据的地表反照率反演

地表反照率(Albedo)是描述地表辐射能量平衡的重要参数,为了获得高分四号(GF-4)静止卫星的地表反照率产品,构建了一种基于核驱动双向反射率分布(BRDF)模型的反照率反演方法。首先,探索核驱动BRDF模型对GF-4卫星数据的适用性,加入地表分类信息,为核系数赋初值,并引入鲍威尔迭代算法优化模型结果。然后,对BRDF模型进行角度积分获得各个波段的地表窄波段反照率。在此基础上,结合GF-4卫星光谱响应函数与光谱库,首次建立了将窄波段反照率到宽波段反照率的转换系数,并反演得到0.4—0.7μm和0.3—3.0μm的宽波段反照率。最后,利用Landsat 8卫星数据和MODIS地表反照率产品对基于GF-4卫星数据的地表反照率反演结果进行交叉验证。Landsat 8与GF-4的反照率结果对比表明,GF-4卫星可见光范围内的反照率反演结果精度为85.6%,短波范围内的反照率反演结果精度为93.4%;MODIS与GF-4的反照率结果对比表明,可见光范围的地表反照率精度达到87.7%,短波范围的地表反照率精度达到85.9%。这说明GF-4卫星地表反照率反演结果具有较高精度,GF-4卫星反照率产品具有一定应用潜力。     

利用SARA结合高分一号数据反演气溶胶光学厚度

简化的气溶胶反演算法(simplified aerosol retrieval algorithm, SARA)摆脱了传统气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)反演算法对查找表的依赖,在暗地表区域和亮地表区域均有较好的反演效果。由于中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS)数据得到的AOD空间分辨率不足,因此在SARA的基础上结合更高空间分辨率的高分一号(GF-1)宽视场(wide field of view, WFV)数据开展了AOD反演研究。精度验证结果表明,反演结果与地基观测值具有较高的一致性,相关系数为0.962,均方根误差为0.073,平均绝对误差为0.051,预期误差为88.6%;反演结果与同期的MODIS气溶胶产品相比,空间上分布较为一致,且具有较高的空间覆盖度、分辨率和精度。针对高分数据的算法适用性研究表明,GF-1 WFV相机的观测几何和辐射定标误差引起的反演误差较小,绝对误差均在0.04以内,相对误差均在10%以内。     

哨兵1号和高分三号SAR数据海浪谱反演精度评估

Ocean wave is one of the important marine dynamic phenomenon that affect human activities. At present, the main observation means include buoy observation, marine numerical prediction model, and microwave remote sensing observation. However, we cannot conduct large-scale observation by buoy, and the marine numerical prediction model’s result is not measured data. Spectrometers and altimeters in microwave remote sensing instruments can also measure spectral parameters. However, SAR, which has a higher resolution, can provide 2D sea surface information. The Sentinel-1 satellite of ESA and GF-3 satellite independently developed by China are now in orbit, and numerous teams are working to retrieve wave parameters from SAR data of these two satellites. In this work, we compared the wave parameter inversion accuracy of Sentinel-1 SAR Interferometric Wide Swath model and GF-3 SAR strip model based on wave spectrum, which provides a reference for the wide application of GF-3 SAR data. The sea states according to the ERA-5 data of ECMWF are divided into three categories: low, moderate, and high sea states. The sea areas of Hormuz and Malacca Straits of the maritime Silk Road in the Indian Ocean and the coastal waters of the Pacific and Atlantic Ocean are selected as the study areas. Meanwhile, the SAR data of Sentinel-1 and GF-3 satellites under different sea states are selected as the data source. The MPI method is used to retrieve the wave spectrum and wave parameters using the E spectrum as the initial guess. Subsequently, the SAR data inversion results of the two satellites under different sea states are compared with the ERA-5 and buoy wave data. The inversion accuracy of the wave parameters can be verified by calculating the values of the Root Mean Square Error (RMSE) and Scatter Index (SI), and the inversion accuracy of the wave parameters of the two satellites under different sea conditions can be compared. The RMSEs of significant wave height (Hs) retrieved by GF-3 SAR under low, moderate, and high sea conditions are 0.30, 0.34, and 0.48 m, and those of mean wave period (Tm) are 1.02, 0.99, and 0.95 s, respectively, compared with the ERA-5 data. In addition, the RMSE of Hs retrieved by Sentinel-1 SAR under low, moderate, and high sea conditions are 0.30, 0.29, and 0.33 m, respectively, and the RMSEs of Tm are 0.94, 0.51, and 0.64 s, respectively. The RMSEs of Hs and Tm under different sea conditions retrieved by GF-3 SAR are 0.38 m and 0.99 s, and those of Hs and Tm retrieved by Sentinel-1 SAR are 0.31 m and 0.70 s, respectively, compared with the ERA-5 data. The RMSEs of the retrieved Hs and Tm of GF-3 satellite are 0.42 m and 0.94 s, and those of the retrieved Hs and Tm of Sentinel-1 are 0.40 m and 0.91 s, respectively, compared with the buoy data. The SAR wave parameter inversion of Sentinel-1 and GF-3 SAR based on the wave spectrum shows that the inversion results of the two satellites meet the index requirements in this field, and the accuracy of the inversion results of wave spectrum is the same. The strip mode SAR data of GF-3 satellite, China’s first self-developed SAR satellite, has broad prospects in marine research fields. © 2023 National Remote Sensing Bulletin. All rights reserved.     

基于MODIS数据的南昌市大气气溶胶光学厚度反演

气溶胶对气候和环境都有着重大的影响。利用MODIS L1B数据,通过结合6S辐射传输模型生成查找表(LUT),再结合地面暗像元对南昌市2016年3月份的4景影像进行反演;根据6S模式对地表反射率与表观反射率和气溶胶光学厚度的变化建立敏感性试验,最终反演得出南昌市4景影像在550 nm波长的AOD平均值分别为0.139、0.926、0.442、1.061,与根据能见度计算得出的值大小有差异,但是在可接受范围内,根据结果用暗像元法反演南昌市气溶胶光学厚度是可行的。     

利用eCognition进行高分一号卫星数据土地利用现状解译能力测试

土地利用现状解译能力是卫星数据在土地资源领域应用的重要指标之一。本文以内蒙古自治区包头市石拐区和江苏省徐州市贾汪区作为研究区,利用eCognition软件采用面向对象分类的方法,通过初步影像分割、构建土地利用分类系统、标准化最邻近分类及对分类结果整理修改与分析,从中随机选取了不同地类、不同面积的图斑,以更高分辨率影像分类结果作为真值,进行了典型地类的属性精度、面积精度评价,从而对高分一号卫星数据的土地利用现状解译能力进行了测试与评定。     

利用NPP/VIIRS微光数据反演夜间气溶胶光学厚度

大气气溶胶具有气候环境和健康效应,且具有明显的时空和昼夜变化特征。因此探测夜间气溶胶光学厚度（AOD）具有重要的意义。NPP/VIIRS上的昼夜通道DNB（Day Night Band）为夜间反演AOD提供了有效的数据。基于大气辐射传输理论对夜间AOD进行反演,首先,利用“背景合成法”获取夜间城市灯光真实辐射值;然后,利用改进的“消光法”反演夜间AOD。选取华北地区作为研究对象,获得了2016-03—2017-02新月日期的夜间城市灯光真实值,选择其中的2016年7月和10月的2次污染天气过程,反演了夜间AOD分布。通过北京、天津和郑州的太阳光度计地基观测结果和北京市环境质量监测站空气质量指数（AQI）对反演结果进行验证,结果表明反演结果和观测结果有较好的一致性,展示了卫星微光数据在夜间城市污染空间分布监测中的应用潜力。     

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。     

GF-1星WFV相机的快速大气校正

高分一号卫星(GF-1)WFV相机是中国新型高分辨率传感器,为了更好地进行定量应用,需完成高精度大气校正,但需要解决数量大,辅助数据不足等关键问题。针对WFV相机构建了快速大气校正模型,(1)采用交叉定标方法借助Landsat 8数据完成辐射定标;(2)从WFV相机的辅助数据出发,计算得到太阳天顶角、观测天顶角等辅助信息;(3)考虑不同海拔大气分子散射的不同,完成基于海拔数据的分子散射校正;(4)采用深蓝算法,从第一波段(蓝光)反演得到气溶胶信息;(5)计算每个像元的大气校正参数,进而获取地表反射率,完成大气校正。在此基础上,利用IDL语言建立相应的大气校正模块,以过境华北地区的3景WFV数据为例进行大气校正实验。结果表明,模型能够快速完成大气校正,并能较好的去除大气分子与气溶胶影响,较好地还原植被、裸土等典型地表类型的光谱反射曲线,校正后的NDVI更好地反映了各地物的特征。     

基于高分一号宽幅多光谱影像的鄱阳湖湿地分类研究

典型湿地类型分类对于湿地生态环境保护和生态环境建设具有重要意义。本研究以高分一号宽幅多光谱影像数据作为数据源,以鄱阳湖典型湿地作为研究对象,进行典型湿地类型分类。研究采用主成分分析、归一化植被指数、比值植被指数和归一化差异水体指数等方法对不同湿地类型进行光谱特征分析,结果表明:高分一号宽幅多光谱影像反演的归一化植被指数和归一化水体指数能够较好地区分水体、泥滩、挺水植物和湿生植物等常见湿地类型。通过归一化植被指数将湿地类型分为植被和非植被,归一化差异水体指数将植被类型进一步分为挺水植物和湿生植物,将非植被分为水体和泥滩。构建决策树对典型湿地类型进行自动分类,经过精度评价和分析验证,该方法针对高分一号宽幅数据进行典型湿地分类总体精度能够达到82.28%,Kappa系数0.7346,优于常规的监督分类和非监督分类。     

面向对象的高分一号铁尾矿遥感信息提取与分析

针对高分一号遥感数据铁尾矿信息提取精度较低的问题,文中分析了铁尾矿高分遥感图像光谱、纹理及空间特征,构建了铁尾矿遥感光谱特征强化的数学模型RTI和IOT,建立了面向对象的铁尾矿高分遥感信息提取的技术流程。并以唐山典型矿山地区为研究对象,进行了铁尾矿遥感信息的提取实验和精度分析,验证了RTI和IOT强化数学模型在面向对象决策分类规则中的有效性,为铁尾矿资源的目标提取和自动监测提供了一种新的处理方法。     

GF-4增强型地表反射率库支持法的气溶胶光学厚度反演

针对GF-4等国产卫星气溶胶光学厚度反演算法存在的地表反射率估计困难、云像元污染等问题,本文发展了一种增强型地表反射率库支持的气溶胶光学厚度反演方法,改进了云筛选与地表反射率确定方案,在考虑GF-4逐像元成像角度的情况下,使用6SV模型与MOD09-CMA数据对季度尺度上的GF-4 PMS传感器数据进行大气校正,提出了百分比最小值均值法建立地表反射率库,并据此建立了NDVI与红蓝反射率关系模型,根据地表反射率的分布特点,当NDVI小于0.2的时候使用地表反射率库估计地表反射率,而当NDVI大于0.2时,则使用NDVI来估计地表反射率。使用MOD04气溶胶模式时空分布确定气溶胶参数。在京津冀地区开展气溶胶光学厚度反演实验,使用Aeronet站点数据与MOD04产品对反演结果进行了对比验证,与Aeronet相关系数R为0.964,均方根误差RMSE为0.13,满足±(0.05+0.2τ)的点多于78.9%,相关系数与均方根误差优于MODIS暗目标法产品,满足期望误差线的数量优于MODIS暗目标与深蓝算法产品。     

太湖地区HJ-1卫星CCD数据反演气溶胶及大气校正

针对HJ-1卫星CCD数据,利用改进的暗像元法反演气溶胶光学厚度(AOD),再利用反演的AOD对其进行大气校正。将反演的气溶胶与地基太阳光度计数据进行对比验证,发现当反演的AOD值大于0.2时,反演值与地基观测值的相关系数为0.964,符合MODIS业务化反演AOD的精度要求。再将反演得到的气溶胶带入6S辐射传输模型中,对HJ-1卫星CCD数据进行大气校正实验。结果表明,该方法能有效提高HJ-1卫星CCD数据大气校正的精度,更好地复原地物的真实光谱信息。     

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。     

基于多分辨率分析的GF-5和GF-1遥感影像空—谱融合

针对空间分辨率比率较大尺度差异下的高分五号(GF-5)与高分一号(GF-1)卫星影像的空—谱融合问题,提出多传感器影像融合策略:一方面,通过现有空—谱融合方法的分步融合得到融合影像;另一方面,在分步融合理论基础上,推导得出一体化融合基础框架,并进一步提出基于多分辨率分析的多传感器一体化融合方法,缓解现有方法因空间分辨率比率过大导致影像空、谱互补信息难以有效集成的问题。其中,提出的一体化融合方法基于调制传递函数MTF (Modulation Transfer Function)滤波对多传感器影像空间(高频)和光谱(低频)分量进行分解提取,并充分考虑多传感器高空间分辨率影像与高光谱分辨率影像之间的关系,以及高光谱分辨率影像波段间关系,设计合理的融合权重,最终可得到具有最高空间分辨率和最高光谱分辨率的融合影像。通过GF-1全色影像、GF-1多光谱影像、GF-5高光谱影像数据对提出方法进行实验验证,结果表明:本文方法可有效集成多传感器影像间的空、谱互补信息,得到较优融合结果。     

高分一号遥感影像地质灾害信息提取方法研究

山区地质灾害发生频繁,受灾范围大,危害严重。提取地质灾害信息、估算受灾情况,对救灾工作极为重要。传统的遥感人工解译方法速度慢、效率低;计算机自动解译速度快但解译精度受影像质量影响大,大范围地区很难建立起普适性的解译模型。本文利用洮南市西部高分一号遥感数据,结合DEM生成三维影像,建立解译标志,解译基础地质信息,分析地质灾害成因;根据研究区泥石流地质灾害的主要影像特征,提取影像的分类属性,基于面向对象的分类方法,建立信息提取模型,快速提取出地质灾害敏感区域;再进行人机交互,精确提取出地质灾害的类型和范围,通过野外验证,该方法十分可靠,为大范围地质灾害信息快速提取和灾后救援提供科学依据。     

基于GF-1影像的珍宝岛自然保护区土地覆盖变化分析

作为我国北方地区最具原始性和代表性的湿地,珍宝岛自然保护区于2008年被批准为国家级自然保护区。为研究珍宝岛自然保护区内土地覆盖和覆盖类型的变化情况,采用国产GF-1卫星数据,将遥感技术方法与野外调查法相结合,得到2014年和2016年的珍宝岛土地覆盖分类,并统计了各类地物的面积。通过对比两期数据,分析得到了土地覆盖类型的变化情况以及土地覆盖类型面积的转移情况。