光学遥感大气订正方法与软件应用分析

本文首先介绍了常见的若干大气订正方法,对于海色遥感,高光谱遥感,机载图像、多角度图像,考虑其特殊性,并介绍了其大气订正的新进展;接着分析了几个当前发行的大气订正软件或者模块;最后,我们提出了大气订正中存在的问题和发展方向。     

利用NOAA卫星AVHRR资料解译哀牢山区逆温

运用ＮＯＡＡ卫星的ＡＶＨＲＲ资料，经过大气的水汽订正来反演地面温度，并对哀牢山东西坡逆温的强度和厚度进行分析。结果表明用ＮＯＡＡ资料来解译山区逆温的方法是可行的。     

基于GPT2w模型化加权平均温度反演可降水量

提出一种基于GPT2w模型化加权平均温度反演大气可降水量的方法,并分析附加系统偏差改正的模型化加权平均温度对可降水量的影响。结果表明,基于GPT2w模型化加权平均温度反演的大气可降水量的精度与基于Bevis公式计算的加权平均温度反演的大气可降水量的精度相当;对GPT2w模型化加权平均温度进行系统偏差改正后,大气可降水量的精度有一定改善,但改善率不到1%。     

CE-318太阳光度计及探空数据反演水汽含量与MODIS近红外水汽产品对比

大气水汽含量是遥感定量反演的重要参数。本文利用CE-318太阳光度计,反演了2014年6月至2016年5月南宁市的大气水汽含量,分析其季节变化特征,并将其与探空数据、MODIS近红外水汽产品数据进行相关性分析。结果表明：（1）南宁市大气水汽含量季节变化特征明显：夏季高达4~6 g/cm²,而冬季则只有2 g/cm²,与南宁地处亚热带地区有关。夏季该地区季风气候盛行,大气水汽含量高,冬季季风气候减弱,大气相对干燥。（2）CE-318太阳光度计反演的大气水汽含量（PW）与探空数据获取的水汽含量之间存在良好的线性相关,相关系数为0.877,平均绝对误差为0.42 g/cm²,平均相对误差为10.96%;而MODIS近红外波段反演的水汽精度较低,平均绝对误差为0.74 g/cm²,平均相对误差为18.74%。     

厦门市林地与建设用地对大气气溶胶空间分布的影响分析

分析大气气溶胶空间分布的影响因素有助于理解其变化机制与规律,从而为大气环境质量的调控提供科学依据。本文以厦门市为例,利用MODIS-Aqua卫星遥感影像,反演了大气气溶胶光学厚度。同时,选取Landsat8 OLI卫星数据,进行土地覆被分类。在此基础上,利用相关分析、一元线性回归模型和方差分解,对比研究了城市林地和建设用地对大气气溶胶空间分布的影响作用,得出以下结论：① 暗像元与插值法的结合适合厦门地区春季气溶胶光学厚度的反演;② 建设用地上空气溶胶光学厚度值明显高于林地;③ 林地对气溶胶空间分布的影响作用强于建设用地。本研究对缓解城市大气污染和改善城市生态环境具有重要参考价值和意义。     

GPS-LEO无线电中性大气掩星反演误差分析

简要介绍GPS-LEO掩星大气反演算法的基本原理,考虑到多种误差源对反演大气参数带来的影响,利用EGOPS仿真模拟软件,采用三维射线追踪法模拟了1 d 内426个掩星事件,并统计分析多种误差源的影响特性。通过反演温度的统计分析发现,现有的卫星钟稳定性以及卫星定轨精度可以满足反演需求;噪声误差对反演影响较大,需要采取有效措施抑制;多路径效应中,周期误差影响较小,但振幅对反演结果有一定影响,需要有效抑制。     

基于RTTOV模式的大气二氧化碳反演参数敏感性分析

大气二氧化碳是开展全球气候变化和碳循环研究的关键数据。卫星遥感技术与模式模拟相结合的反演方法已成为获取该数据的重要手段,但模式输入参数本身的误差会对大气二氧化碳反演精度产生影响,须在反演算法设计中加以关注。本文利用RTTOV10快速辐射传输模式模拟Aqua/AIRS红外探测仪17个大气二氧化碳反演通道,计算了这些通道上大气顶出射辐射对温度廓线、臭氧廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率的参数误差的不确定性,并与二氧化碳增加0.5%时造成的不确定性进行对比,分析二氧化碳对上述参数误差的敏感性。结果表明,温度廓线误差是干扰AIRS大气二氧化碳反演的主要因素,其次是臭氧廓线误差,而水汽廓线、地表温度和地表发射率的误差对二氧化碳反演的影响在除去个别通道后可忽略不计。最后,本文以通道为单位,确定了各通道上的高敏感参数、敏感参数和不敏感参数,为二氧化碳反演通道的选择和反演算法的设计提供了参考。     

中国北部地区卫星积雪产品数据集检验

同其他卫星相比,NOAA卫星搭载的AVHRR积雪产品,具有长达10 a的长时间序列数据集,能够应用于长时间、较大区域范围的积雪覆盖变化分析。由于不同卫星使用的反演算法,波谱宽度和大气订正等不完全相同,故需对不同卫星积雪产品数据集进行一致性检验,将卫星积雪产品更好地应用于气候分析研究。本文采用一种新的评估方法,对空间分辨率为0.05^o×0.05^o的AVHRR积雪产品与IMS和MOD10A1积雪产品,分别在空间和时间变化上进行对比分析,对AVHRR积雪产品数据集进行检验,发现AVHRR与MODIS积雪产品具有较好的一致性。     

地表温度的多源遥感数据反演算法对比分析

 多源遥感数据的综合应用是提高地表温度反演精度的有效途径.MODIS数据和Landsat TM数据在我国同一地区获取的时间相差不大,可以获取近似同步的MODIS数据和TM数据.本文将基于MODIS数据反演的大气参数应用于TM影像的地表温度反演,分别对单窗口算法和普适性单通道算法进行了实验研究,应用气象站实测的地表温度数据对反演结果进行了检验,并对比分析了不同土地覆盖条件下两种算法的精度差异.结果表明:两种算法反演精度均较高,单窗口算法反演精度为0.76K,普适性单通道算法反演精度为1.23K;在不同的土地覆盖条件下,两种算法表现出明显的差异性,水体区反演结果差异最小,均值差异仅为0.02K,植被区差异最大,均值差异为0.62K.     

独立变量频率法计算P—T大气稳定度频率及其误差分析与订正

本文把确定大气稳定度的因子:太阳高度角、云量和风速看作相互独立的变量,并用韦伯分布拟合风频,通过计算三个独立变量的频率的方法计算大气稳定度频率。成都地区实例计算表明,该法与传统的P-T法统计结果十分吻合,但却具有所需资料少,计算工作量小等明显优点,通过对该法的误差进行分析,提出合理的订正方法,得出精确的订正结果。并提出更精确的三参数风频拟合设想。通过与传统P-T法比较,指出了传统P-T法风速分级与实测风速整数取值之间的矛盾,给出了切实可行的解决方法。     

A Method for Retrieving Water-leaving Radiance from Landsat TM Image in Taihu Lake, East China

The visible and infrared bands of Landsat Thematic Mapper (TM) can be used for inland water studies. A method of retrieving water-leaving radiance from TM image over Taihu Lake in Jiangsu Province of China was investigated in this article. To estimate water-leaving radiance, atmospheric correction was performed in three visible bands of 485nm, 560nm and 660nm. Rayleigh scattering was computed precisely, and the aerosol contribution was estimated by adopting the clear-water-pixels approach. The clear waters were identified by using the Landsat TM middle-infrared band (2.1μm), and the water-leaving radiance of clear water pixels in the green band was estimated by using field data. Aerosol scattering at green band was derived for six points, and interpolated to match the TM image. Assuming the atmospheric correction coefficient was 1.0, the aerosol scattering image at blue and red bands were derived. Based on a simplified atmospheric radiation transfer model, the water-leaving radiance for three visible bands was retrieved. The water-leaving radiance was normalized to make it comparable with that estimated from other remotely sensed data acquired at different times, and under different atmospheric conditions. Additionally, remotely sensed reflectance of water was computed. To evaluate the atmospheric correction method presented in this article, the correlation was analyzed between the corrected remotely sensed data and the measured water parameters based on the retrieval model. The results show that the atmospheric correction method based on the image itself is more effective for the retrieval of water parameters from Landsat TM data than 6S (Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum) code based on standard atmospheric and aerosol models.     

细粒子气溶胶光学厚度和谱分布偏振的反演

 细粒子气溶胶物理和光学参数定量卫星遥感反演一直是环境和气候领域研究人员关注的重要课题。气溶胶参数卫星业务遥感产品主要是反演气溶胶光学厚度,它体现大气中气溶胶总含量的信息,而获取气溶胶谱分布函数有助于进一步了解气溶胶物理特性,并提高气溶胶其他参数的遥感探测精度。目前,陆地气溶胶卫星反演面临两个关键问题:一是气溶胶模式;二是地表反射贡献的去除,偏振遥感在这两方面有其独有的优势。本文以多角度偏振方法,采用RT3辐射传输模型建立矢量查找表,利用法国PARASOL探测器一级数据反演了京津唐地区的细粒子气溶胶光学厚度和谱分布参数,并使用AERONET地基观测数据对反演结果进行验证,结果表明:偏振方法能较高精度地实现细粒子气溶胶光学厚度反演,而谱分布的反演还需进一步改进。     

水体表面温度反演研究综述

水体表面温度是研究全球或区域气候变化、数值天气预报的重要参数,是控制水体与大气热量、水分交换的重要变量,对理解水体生物物理过程具有重要意义。卫星观测水表温度具有传统手段不可比拟的技术优势,同时也存在精度和质量上的限制和挑战。本文总结了观测水表温度常用的红外、微波传感器及其分辨率特征,并比较分析了各类传感器的优势、劣势和分辨率适用的时空尺度;在区别不同手段观测的水表温度基础上,分别概述了红外遥感和微波遥感反演水表温度的理论基础,以及常用的算法模型;基于水表温度反演的原理和过程,系统分析了云、水汽、气溶胶、比辐射率等不确定性因素,对反演精度的影响及解决方法,并对精度验证方法做了简单介绍;最后,对水体表面温度反演的发展趋势进行了展望,并指出多源数据的同化融合、优势互补是提升水温反演精度的重要途径。     

Assessment of total suspended sediment concentrations in Poyang Lake using HJ-1A/1B CCD imagery

We explored the potential of the environment and disaster monitoring and forecasting small satellite constellations (HJ-1A/1B satellites) charge-coupled device (CCD) imagery (spatial resolution of 30 m, revisit time of 2 days) in the monitoring of total suspended sediment (TSS) concentrations in dynamic water bodies using Poyang Lake, the largest freshwater lake in China, as an example. Field surveys conducted during October 17-26, 2009 showed a wide range of TSS concentration (3-524 mg/L). Atmospheric correction was implemented using the Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes (FLAASH) module in ENVI with the aid of aerosol information retrieved from concurrent Terra/Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) surveys, which worked well at the CCD bands with relatively high reflectance. A practical exponential retrieval algorithm was created between satellite remote sensing reflectance and in-situ measured TSS concentration. The retrieved results for the whole water area matched the in-situ data well at most stations. The retrieval errors may be related to the problem of scale matching and mixed pixel. In three selected subregions of Poyang Lake, the distribution trend of retrieved TSS was consistent with that of the field investigation. It was shown that HJ-1A/1B CCD imagery can be used to estimate TSS concentrations in Poyang Lake over synoptic scales after applying an appropriate atmospheric correction method and retrieval algorithm.     

CBERS-1CCD相机飞行绝对辐射标定试验地面同步测量与场地辐射特性分析

中国对地观测遥感卫星辐射校正场(即敦煌场)位于中国敦煌市西戈壁沙漠的西北角。整个敦煌场地面比较均匀、平坦,面积为30×40km²;测试区(标定区)面积为400×400m²,位于场区的中心位置。2000年8月底至9月初,中国资源卫星应用中心联合安徽光机所在敦煌场地进行了一次CBERS-1CCD传感器飞行绝对辐射标定试验。地表反射率和大气光学特性地面同步测量结果显示:敦煌场地的地面均匀性好,各个通道反射率的变化系数(即相对变化百分比)均小于3%。在可见光、近红外光谱范围内,地面光谱反射率随波长增加逐步增大,例如,在485nm波长处的地面反射率值约为0.18,在830nm波长处的反射率值约为0.26。大气光学特性测量结果显示:0.55μm波长处的大气总光学厚度(≈0.34)和气溶胶光学厚度(≈0.26)相对较小,大气水汽含量也较小。     

Topographic correction-based retrieval of leaf area index in mountain areas

Leaf Area Index(LAI)is a key parameter in vegetation analysis and management,especially for mountain areas.The accurate retrieval of LAI based on remote sensing data is very necessary.In a study at the Dayekou forest center in Heihe watershed of Gansu Province,we determined the LAI based on topographic corrections of a SPOT-5.The large variation in the mountain terrain required preprocessing of the SPOT-5 image,except when orthorectification, radiation calibration and atmospheric correction were used.These required acquisition of surface reflectance and several vegetation indexes and linkage to field measured LAI values.Statistical regression models were used to link LAI and vegetation indexes.The quadratic polynomial model between LAI and SAVI (L=0.35)was determined as the optimal model considering the R and R2 value.A second group of LAI data were reserved to validate the retrieval result.The model was applied to create a distribution map of LAI in the area.Comparison with an uncorrected SPOT-5 image showed that topographic correction is necessary for determination of LAI in mountain areas.     

一种基于FY3D/MERSI2的AOD遥感反演方法

针对目前国产卫星对气溶胶遥感监测应用较少的情况,本研究综合暗象元和SARA算法优势,基于FY-3D MERSI2数据构建了一套气溶胶光学厚度(Aerial Optical Depth, AOD)快速遥感反演方法。首先,引入了传统暗象元算法中的地表反射率经验关系,然后利用AERONET长时间序列的地基观测数据,构建了红波段和蓝波段气溶胶光学厚度、不对称因子和单次散射率之间的关系,最后利用MOD04和AERONET的AOD产品对研究反演结果进行了验证和评估分析。结果发现：① 本研究反演的AOD不仅保持了与MODIS的气溶胶产品空间分布的一致性,而且合理地呈现了AOD的高值分布,改进了MOD04气溶胶产品在云和亮目标方面反演缺失问题;② 利用AERONET地基观测结果对本研究获取的MERSI2的AOD反演结果进行了对比分析,发现二者具有较高的线性相关性,蓝波段AOD线性相关系数超过0.85;③ 利用MERSI2数据完整地捕捉到了2018年3月9—14日京津冀及周边区域的一次重污染过程中气溶胶时空分布变化情况,这也说明了FY3D卫星具备良好的气溶胶遥感监测能力,为我国灰霾监测和预警提供参考依据。本研究对大力发展国产卫星在大气环境遥感的应用有重要参考意义。     

Evaluation of the retrieval of total suspended matter concentration in Taihu Lake,China from CBERS-02B CCD

Remote sensing techniques is used to quantify the total suspended matter concentration (C _TSM). In this study, we used remotely sensed data to retrieve the C _TSM for the Taihu Lake, China, and developed an atmospheric correction algorithm especially for CBERS-02B CCD data. We simulated the remote sensing reflectance (R _rs) of CCD bands using in-situ observations made in a cruise over the Taihu Lake in autumn 2004, from which a retrieval model is established with simulated R _rs(830) and measured C _TSM. In addition, we applied the atmospheric correction algorithm and retrieval model to process the CCD data over the lake in 2008 and to retrieve the C _TSM. The RMS relative error between the C _TSM retrieved from MODIS and from the CCD images is about 42.9%, indicating that algorithms described in this paper can be used for the application of CCD data in monitoring the C _TSM distribution in the Taihu Lake.     

利用Sentinel-3A OLCI可见光通道反演台湾岛气溶胶光学厚度

OLCI（Ocean Land Colour Instrument）作为MERIS（Medium Resolution Imaging Spectrometer）的后继升级版传感器,在气溶胶反演中存在潜在优势,但是目前利用OLCI数据进行气溶胶监测的研究较少。因此,本文针对OLCI多通道反射特征开发了OLCI云检测算法,并对传统查找表构建方法进行改进,根据观测几何特征提出动态查找表法,并通过光谱卷积方式等效转换MODIS和OLCI红蓝通道地表反射率并获取OLCI红蓝通道地表反射率固定关系,进而实现台湾岛550 nm处的AOD反演。与550 nm处AERONET level 2.0 AOD验证结果首先表明不同季节、不同站点的精度表现存在一定差异,其次相对于同期MOD04_3K AOD产品,本文反演结果与全球气溶胶自动观测网（AERONET）站点实测值之间表现出更显著 的相关性（R²=0.8199）,均方根误差（RMSE）从0.175下降到0.113,相对平均误差（RME）从33.6%下降到26.7%,且67.5%的OLCI AOD落在预测误差（EE）区间内,明显大于MOD04_3K AOD落在预测误差区间的百分比（55.7%）。此外,误差分析表明,当实际AOD值较低时,红蓝通道地表反射率之间关系的误判会导致较为明显的AOD反演相对误差。