期刊博览

正星载大气探测激光雷达发展与展望(《遥感学报》2016年第一期)从最早的星载激光雷达空间技术实验LITE出发,回顾了已成功发射的多颗星载激光雷达发展历程。详细阐述了LITE、CALIPSO等星载激光雷达在大气遥感领域,特别是气候环境变化和数值预报模式研究上所取得的成就。主要从全球气溶胶垂直结构及其辐射强迫、全球云垂直结构和特征、气溶胶-云-降水相互作用和气溶胶数据在雾-霾和沙尘天气预报中的应用等4个方面进行展开说明,并且深入分析了未来星载激光雷达     

星载激光测风技术体制及其评估方法综述

星载激光测风雷达是探测全球风场的重要工具。目前由欧洲空间局研制的全球首颗星载激光测风卫星Aeolus已于2018年8月顺利升空部署,美国和日本也在积极论证和研制新的星载激光测风雷达技术体制,分别采用混合多普勒测风雷达HDWL（Hybrid Doppler Wind Lidar）和相干多普勒测风雷达CDWL（Coherent Doppler Wind Lidar）技术体制。本文简要介绍了Aeolus、HDWL和CDWL技术体制,并根据前人的研究成果,从数据获取率和获取量、风场探测精度以及对数值预报系统的改进作用对这3种技术体制进行了评估综述。研究结果表明以气溶胶和云滴粒子为示踪物进行的大气风场探测具有更高的探测精度,其测风精度约为0—2 m/s,其探测范围为边界层和对流层下层;以大气分子为示踪物的大气风场探测精度相对较低,其精度约为1—3 m/s,但其具有更大的探测范围。根据3种星载激光测风雷达技术体制,Aeolus和HDWL具备探测边界层和对流层的大气风场能力,CDWL只能获取边界层至对流层下层的风场数据,HDWL体制相比Aeolus和CDWL,能够获取更多的风场探测数据,且能够实现较高精度水平风场矢量探测数据。OSSE（Observing System Simulation Experiments）实验表明,将星载激光测风雷达风场探测资料同化到数值预报系统之后,预报结果得到明显的改善,在双星联合探测体制下,更大的风场探测范围相比径向风场的探测更有助于提升数值预报系统的精度,而径向风场的探测将更好地提升星下点的探测精度。HDWL体制相比Aeolus和CDWL,由于其探测范围更广,且可以实现径向风速的探测,故推测其对数值预报系统的精度的提升作用更明显。对这3种技术体制的分析评估可为发展中国的星载激光测风雷达技术体制提供参考。     

气溶胶激光雷达的国内外研究进展与展望

大气气溶胶具有显著的环境与气侯效应,而定量评估上述效应需要准确了解气溶胶物理化学光学性质的时空分布特征。过去几十年,激光雷达已被国内外学者广泛应用于气溶胶探测研究,主要依赖于其在探测范围、时空分辨率等方面具有独特的技术优势。本文主要总结激光雷达在探测气溶胶方面的国内外研究进展,首先简要介绍可用于探测气溶胶的主要激光雷达类型,然后分别根据气溶胶大小、组分、浓度、形状、光学性质等关键信息介绍相关研究进展,最后进行总结并对气溶胶激光雷达发展进行了展望。     

大气金属层探测卫星研究

75~115 km的大气层中存在Na、Fe、K、Ca等多种金属成分,通常认为这些金属成分来自宇宙尘埃和流星烧蚀的产物。大量宇宙尘埃和流星进入地球大气,会对地球气候有重要影响,大气金属层是宇宙尘埃和流星进入地球大气的示踪物。同时研究表明,大气金属层所在区域的大气对全球气候变化的响应很敏感,是全球气候变化的示踪物。大气金属层物质沉降,是夜光云凝聚核的主要来源,对临近空间飞行器具有重要影响。但目前对75~115 km的大气金属层探测和研究还很不够,为此,本文在国际上首次提出专门针对大气金属层探测的卫星概念。在大气金属层探测卫星中,提出以主动探测技术为主要探测手段的载荷配置,包括星载钠激光雷达、大气激光掩星探测仪、空间微流星体探测仪、星载F-P测风仪、金属层气辉成像仪5种先进载荷。大气金属层探测卫星将能够对大气金属层进行全面探测,并取得重大科学创新成果。     

秋冬季节珠三角典型区域气溶胶浓度垂直分布的激光雷达反演

气溶胶与全球热辐射平衡、水循环、人类健康密不可分,其观测精度直接影响天气预测、气候建模以及对人类健康影响评估的精度,激光雷达能监测气溶胶的垂直分布,对污染气溶胶的扩散趋势、污染源反演、气候预测等均有重要意义。本文基于激光在大气中的辐射传输过程,根据米散射激光雷达的工作原理,使用雷达的多个系统参数计算雷达常数,建立激光雷达气溶胶质量浓度反演模型,从地面向上在晴空条件下进行了珠三角地区典型区域的秋冬季节气溶胶垂直观测的实验,计算气溶胶质量浓度的垂直廓线,反演气溶胶的垂直分布情况。验证与分析结果表明:(1)激光雷达反演结果显示,白天的反演结果中噪声大大减少,表明反演算法能够有效减弱太阳光的影响。(2)相比于传统方法,使用雷达常数而非边界值的反演结果波动较小,更符合实际,能够有效避免高空噪声的影响。(3)高层大气在晴朗静稳天气状况下较为干净,气溶胶基本分布在低空区域,质量浓度随高度基本呈负指数分布。     

激光雷达数据在森林垂直结构参数反演中的应用综述

激光雷达能够获得高精度的森林垂直结构信息和林下地形信息,在林业研究领域具有其他遥感技术无法代替的优势。本文详细介绍了星载激光雷达系统和机载激光雷达系统工作原理基础上,阐述了两种激光雷达数据在森林单木因子估算、森林冠层高度估算、森林生物量和蓄积量估算、森林叶面积指数估算方面的应用情况,并与地面激光雷达和多源数据融合进行了展望。     

偏振激光雷达探测大气—水体光学参数廓线

激光雷达在上层水体垂直廓线的遥感中展现出巨大优势。本文研制了一套高垂直分辨率的实时探测偏振激光雷达,提出了一种基于偏振激光雷达回波信号的反演算法,采用Fernald理论和多次散射原理反演非均匀大气—水体的衰减和退偏光学产品,以高效稳定地处理偏振激光雷达实验数据。展示了一个中国内陆水体激光雷达探测实例,观测到了两次气溶胶积聚现象和一次水体浑浊现象。对实验数据的分析表明,退偏比主要由前向多次散射和后向单次散射产生的退偏两部分组成。当多次散射强度较大时,退偏比的变化主要取决于多次前向散射退偏;反之,则主要依赖于单次后向散射退偏。     

基于三维大气探测激光雷达的大气颗粒物污染探测

激光雷达是一种监测大气颗粒物分布和传输的有效遥感手段,能够克服常规地面监测站零星分布、无法实现区域覆盖监测的问题。通过布设一台垂直探测激光雷达和一台水平扫描激光雷达,实现大气颗粒物的垂直结构探测以及半径6 km内水平分布情况监测,并结合斜率法和Fernald算法实现更加精确的水平方向消光系数反演,进而实现以三维数据分析颗粒物的传输、分布和浓度变化情况;并利用地面国控站点数据同水平消光系数进行相关性对比。结果表明,利用三维大气探测激光雷达能够有效地揭示城市地区较大区域内的颗粒物分布和传输情况,具有覆盖范围大、探测效率高的优点。     

红外临边探测发展现状

临边探测器垂直分辨率高,辐射信号的变化主要受大气参数影响,且辐射校准后几乎不受背景辐射影响,对痕量气体可探测性强,探测高度约为10—100 km,对臭氧层的大气遥感监测具有特殊意义。红外临边传感器经过40余年的发展过程,在通道数目、信噪比、可探测目标种类、冷冻技术、在轨寿命方面都有明显改进。本文以平流层O_3及其相关的痕量气体为中心,按照传感器搭载的卫星平台及卫星发射时间的先后顺序,比较了国际上已有的LRIR、LIMS、SAMS、ISAMS、CLAES、MIPAS、HIRDLS、TES共8个星载红外临边探测器的特性、探测目标、技术改进、性能提升等;介绍了红外临边探测大气成分的反演原理;总结了红外临边探测器在痕量气体,平流层云与气溶胶,重力波与极涡,非局部热力学平衡效应4个方面的应用成果。最后对红外临边探测的前景趋势提出了思考。     

机载激光雷达全波形数据与系统点云差异的定量分析

目前常用的小光斑机载LiDAR波形数据与系统点云数据的来源相关性较大,波形数据的优势难以严格定量地评价和比较。LeicaALS60机载LiDAR系统记录的全波形数据与点云数据相对独立,点云数据来自硬件系统脉冲探测方法,而波形数据是未加处理的原始回波序列。本文对原始波形数据进行分解获取发射脉冲的全部回波,与系统探测点云进行了定量对比,并选取典型林区和城区数据,得到波形在两种地物类型中垂直信息获取能力的定量表征参数。结果表明,波形数据对不同地物类型均能丰富垂直结构信息和提高点云垂直分辨率,且这种提高在林区表现优于城区人工建筑和裸地;激光对树木冠层的穿透能力更明显地表现在回波波形信息中,相较于传统点云激光雷达,全波形LiDAR在森林垂直参数获取方面潜力更大。     

全极化微波辐射计对环境参数敏感性分析

为衡量全极化微波辐射计各通道对不同环境参数的探测能力,在构建全极化微波辐射传输正演模型的基础上,采用敏感性分析的方法,在固定背景场条件下,对全极化微波辐射计不同频率、各极化通道亮温对海面风速、海面风向、海面温度、大气水汽含量和云中液态水含量等重要环境参数的敏感度进行了分析和量化计算,对正演模型仿真亮温、星载全极化微波辐射计Wind Sat实测亮温相对于真实背景场参数、NCEP分析场资料和TAO/TRITON浮标实测海面风场数据的敏感性进行了分析。分析结果验证了全极化微波辐射计对海面风场的观测能力,衡量了上述重要环境参数对星载全极化微波辐射计各通道的单独影响程度,为中国自主研制全极化微波辐射计时通道指标设计、环境参数反演通道选取及算法提供支持。     

合肥地区平流层气溶胶地基激光雷达与SAGE卫星探测比较

为了解中国上空SAGE反演的平流层气溶胶数据质量,将合肥地区地基激光雷达观测10年(1996年—2005年)的气溶胶数据与SAGE资料进行比较。通过较为系统全面的比较分析,得到如下结果:(1)10—30 km内SAGE与Li DAR分析的气溶胶变化趋势较为一致,出现峰值和低值的位置也较为接近;(2)SAGE结果普遍比Li DAR测量的偏小,对应的平流层气溶胶AOD差异显著,定量表现为:激光雷达获取的平流层气溶胶AOD基本约为0.004,SAGE反演的平流层气溶胶AOD基本约为0.002,只有前者的一半;(3)两者分析的20—35 km气溶胶季节分布差异较小,再次表明平流层气溶胶比较稳定。     

森林地上生物量遥感反演方法综述

森林地上生物量反演对理解和监测生态系统及评估人类生产生活的影响有着重要作用,日益发展的遥感技术使全球及大区域的生物量估算成为可能。近年来,不同的遥感技术和反演方法被广泛用于估算森林生物量。本文首先总结了现有的全球及区域生物量产品及其不确定性,然后综述了3类方法在森林地上生物量遥感反演中的应用,即基于单源数据的参数化方法、基于多源数据的非参数化方法和基于机理模型的反演方法,阐述了各类反演方法的特点、优势及局限性。最后从机理模型研究、多源遥感数据协同、生物量季节变化研究和遥感数据源不断丰富4个方面对今后的生物量遥感反演研究进行了展望。     

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。     

一种修正的星载散射计反演海面风场的场方式反演算法

由于卫星散射计探视雷达回波的各向异性的双调和性质,同时由于散向散射物理模型函数的非线性及信号中存在噪声,使得常规点方式风场反演哕向有多至４个解的多解存在。给出了一种改进的场方式钣演方法,利用该人卫星散射计测量的后向散射强度的数据中唯一反演出大尺度海洋风场。通过数值模拟和实际算例计算表明反演过程在风向、风速上都与真解是吻合的。从结果可以看到,所采用的改进的场方式反演方法对模拟数据或真实散射计探测海面     

CO2倍增下遥感-光合作物产量响应模型的研究与应用

由于卫星散射计探视雷达回波的各向异性的双调和性质,同时由于散射物理模型函数的非线性及信号中存在噪声,使得常规点方式风场反演中风向有多至4 个解的多解存在。给出了一种改进的场方式反演方法,利用该方法从卫星散射计测量的后向散射强度的数据中唯一反演出大尺度海洋风场。通过数值模拟和实际算例计算表明反演结果在风向、风速上都与真解是吻合的。从结果可以看到,所采用的改进的场方式反演方法对模拟数据或真实散射计探测海面风场的反演是成功的。     

星载红外高光谱传感器温度廓线反演综述

全球变暖是当前国际社会的热点话题,温度廓线是大气热力状态的重要参数,准确高效地获取其时空分布信息是天气预报和气候变化研究的前提.与传统的地面观测方式相比,卫星探测数据具有高空间、时间分辨率的优势,为气象观测提供了数据支持.本文分别针对星载红外高光谱传感器3种常见观测模式(天底、掩星及临边观测模式)下的国外7个传感器代表...     

基于MODIS数据的上海市气溶胶厚度研究

基于6S传输模型,本文利用中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据并结合较新的NASA的V5．2气溶胶业务反演算法,以上海市MODIS数据为研究数据源,结合晴朗天气（晴朗且无云或云稀薄）与AERONET发布的探测日（即发布AOD探测值日期）选取8组MODISLIB数据集,对其进行气溶胶厚度反演。同时将反演结果与AERONET架设在太湖区域点（31N,120E）的太阳光度观测的光学厚度进行验证。结果表明：V5．2反演算法结果与观测值呈现相同的变化趋势,反演值与观测值误差不大,在气溶胶光学厚度反演中具有较好的应用。     

激光雷达森林参数反演研究进展

激光雷达通过发射激光能量和接收返回信号的方式,来获取高精度的森林空间结构和林下地形信息。全波形激光雷达通过记录返回信号的全部能量,得到亚米级植被垂直剖面;离散回波激光雷达记录的单个或多个回波,表示来自不同冠层的回波信号。星载激光雷达一般采用全波形或光子计数激光剖面系统,仅能获取卫星轨道下方的单波束或多波束数据,用于区域/全球范围的森林垂直结构及变化观测。机载激光雷达多采用离散回波或全波形激光扫描系统,能够获取飞行轨迹下方特定视场范围内的扫描数据,用于林分/区域范围的森林结构观测。地基激光雷达多采用离散回波激光扫描系统,获取以测站为中心的球形空间内扫描数据,用于单木/样地范围的森林结构观测。激光雷达单木因子估测方法可分为CHM单木法、NPC单木法和体元单木法3类。CHM单木法通过局部最大值识别树冠顶点,采用区域生长或图像分割算法识别树冠边界或树冠主方向,NPC单木法一般通过空间聚类或形态学算法识别单木,体元单木法在3维体元空间采用区域生长或空间聚类算法识别树冠。根据激光雷达冠层高度分布可以估测林分因子,冠层高度分布特征来自于离散点云或全波形。多时相激光雷达可用于森林生长量、生物量变化等监测,以及森林采伐、灾害等引起的结构变化监测。随着激光雷达技术的发展,它将在森林调查、生态环境建模等生产与科学研究领域中得到更为广泛的应用。