基于多角度偏振信息反演海洋上空卷云云顶高度

采用偏振辐射信息反演云顶高度时,为了减小由云层及地表偏振辐射特性变化带来的反演结果不确定度,使用490 nm和865 nm通道多角度偏振信息反演卷云云顶高度.理论分析大气顶偏振特征,给出490 nm与865 nm通道偏振特性差异,说明使用此两通道偏振反射率差反演云顶高度的可行性.假设卷云为一般种类混合模型(General Habit Mixture,GHM),使用倍加累加矢量辐射传输模型计算和分析大气顶490 nm和865 nm通道偏振反射率差对卷云有效粒子半径、光学厚度和云顶压强的敏感性.分析表明,当卷云光学厚度大于3时,偏振反射率差对有效粒子半径和光学厚度的变化不敏感,对云顶压强变化敏感.根据敏感性分析结果选择适当的参数构建偏振反射率差查找表,使用查找表方法反演POLDER3数据的卷云云顶高度,并与POLDER3产品和MODIS产品进行比较.结果表明,与POLDER3的官方算法相比,使用偏振反射率差查找表方法有更宽的散射角适用范围,反演结果与MODIS产品有更好的一致性.     

高分五号卫星偏振遥感陆地上空气溶胶光学厚度

针对多角度偏振成像仪(Directional Polarimetric Camera,DPC)数据,提出了基于多角度多光谱偏振信息的气溶胶光学厚度反演方法。该方法使用Nadal-Breon半经验模型计算地表偏振反射率,以扣除地表影响;采用倍加累加法矢量辐射传输模型构建气溶胶参数查找表,通过计算最小残差,动态确定最优气溶胶模型,从而实现陆地上空气溶胶光学厚度的反演。使用DPC的L1级条带数据,反演获得了中国东部地区气溶胶光学厚度的空间分布,并与MODIS产品和AERONET地基站点数据分别进行了对比,反演结果与MODIS气溶胶产品的整体分布具有很好的一致性;同时,与AERONET地基站点观测结果具有较高的相关性,670 nm和865 nm两个波段的相关系数都在0.8以上,说明该算法模型反演陆地上空的气溶胶光学厚度准确可靠,可为DPC遥感大气气溶胶提供技术支持。     

基于DPC 的中国部分区域陆地气溶胶光学厚度反演

大气气溶胶是气候变化与遥感定量化等的重要影响因素, 研究气溶胶光学特性具有重要意义。基于高分五号 卫星搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪 (Directional polarimetric camera, DPC) 过境中国区域的数据, 开展了气溶胶 光学厚度的反演研究。基于矢量辐射传输模型 6SV 计算构建气溶胶光学特性查找表, 采用 Ross-Li 地表 BRDF 模型 和半经验 NB 模型计算地表贡献, 利用标量与偏振的多角度信息和查找表方法, 反演气溶胶光学厚度。 DPC 气溶胶光 学厚度反演结果与中国区域的 AERONET 地面站点测量结果吻合性较好, 线性拟合度较高, 相关性系数大于 0.8, 验证 了算法的可靠性, 为 DPC 有效监测气溶胶的时空分布提供技术支持。     

航空多角度偏振观测京津唐地区大气气溶胶

航空大气多角度偏振辐射计（AMPR）可以获取多角度、多波段和偏振辐射观测数据,将AMPR装载于遥感飞机对京津唐地区（工业发达、人口集中）的气溶胶进行观测,经过数据处理和反演,得到该地区的气溶胶光学厚度。反演过程中,以大气校正后的1640nm波段观测数据作为下垫面的地表偏振信息,结合查找表的方法,综合利用多角度光谱偏振辐射信息,反演得到气溶胶的光学厚度。反演结果与同步地基观测数据对比,结果表明AMPR具备观测典型区域大气气溶胶的能力。     

大气气溶胶航空多角度偏振观测实验及数据分析

鉴于多角度偏振辐射数据可以有效提升大气气溶胶参数的反演精度,设计了多角度偏振探测航空实验及数据处理流程。将我国自主研制的多角度偏振成像仪DPC搭载在航空平台上,同时在地面布设太阳辐射计CE318观测站点,设计航线串联地面观测站点,开展了航空飞行实验。对实验获得的数据进行分析处理,结果表明,多角度偏振探测航空实验可获取高精度的偏振、辐射数据;使用该数据反演大气气溶胶光学厚度,反演误差小于3%,初步验证了多角度偏振成像仪可为大气气溶胶多参数反演提供有效的数据。     

基于Landsat数据的地表温度反演差异及参数分析

只有基于准确的地表温度反演算法计算出的产品数据,才能正确推广使用。研究基于Landsat-8、Landsat-9和气象站数据,对比了5种常用地表温度反演算法的结果,并对不同算法的反演结果和参数灵敏度进行了测试。结果表明：基于地表比辐射率参数计算的辐射传输方程和单通道算法反演结果与地面实测数据吻合较好。基于大气水汽参数计算的单窗算法和劈窗算法的反演结果均高于实测温度。基于平均温度参数计算的单窗算法反演精度误差较大。此外,比较了两种遥感数据在不同地物上反演温度的一致性。研究结果可为地表温度反演和产品选择提供参考。     

近红外氧气A带大气透过率的计算

氧气A带具有单一的吸收气体成分和独特的谱线结构,大气中分布相对均匀,在大气辐射研究中具有广阔的应用前景.大气透过率是大气辐射传输计算的核心,为了快速计算大气透过率,提出带平均透过率的数学模型.将近红外氧气A吸收带作为研究对象,以普朗克黑体辐射为基础,分析了氧气A带在762 nm附近波段的光谱吸收理论,介绍了带平均透过率数学模型的原理及方法.为了验证模型的可行性和精确度,结合实验数据,与HITRAN2004数据库逐线积分法计算的透过率进行对比,精度达到2.2％,降低了计算时间.     

氧气A吸收带偏最小二乘基线拟合方法

为了研究被测目标在氧气A带的自发射光谱与透射率的关系,根据透射率的计算方法,提出了采用偏最小二乘回归法对氧气A带的光谱进行基线拟合,搭建了实验系统,验证了该方法拟合基线的准确度。首先,以黑体辐射理论为依据,给出氧气A带平均透射率计算方法,以实际被测目标光谱为研究对象,以带外数据为依据,利用偏最小二乘法拟合被测目标在氧气A带的基线。为提高拟合精度,剔除了测量奇异点,并利用基线拟合不确定度来评价偏最小二乘回归法拟合基线的准确度。为了验证该方法的准确性,以卤素灯为光源,在0~130m范围内,获得不同距离处的光谱曲线,以及相同距离不同分辨率下的光谱曲线,将各种曲线分别进行基线拟合,分析各自的标准偏差。结果表明,同一距离处不同分辨率下的平均标准偏差为0.23%,随着分辨率的降低,基线拟合不确定度变小,信噪比增大;基线拟合不确定度还与测试设备的分辨率有关,分辨率越高,带外信息基线拟合不确定度越大,反之,带外基线拟合不确定度越小。     

大气模式对气溶胶光学参量反演及分类的影响研究

气溶胶对全球生态系统、物质循环具有重要影响,研究气溶胶光学参量等基础数据反演的准确性意义重大。利用来自欧洲气溶胶研究激光雷达网的4个观测站点(波坦察、莱比锡、里尔、埃武拉)在两次集中观测任务中的数据,对使用不同大气模式的温度、压强数据在反演气溶胶光学参量(消光和后向散射系数)及气溶胶分类中所产生的影响进行研究。结果表明：选用不同的大气模式对气溶胶光学参量进行反演会导致计算结果出现偏差,其中对于Raman法获取气溶胶消光系数的影响较大,在355 nm和532 nm处的最大偏差均可达到～20%。大气气溶胶浓度也会对不同模式的气溶胶光学参量反演结果产生影响,并且随观测波长的不同而有所差异。此外,不同大气模式会使气溶胶激光雷达比以及?ngstr?m指数等与气溶胶类型相关的参量反演结果产生偏差,并最终影响气溶胶的分类。文中研究结果对于揭示大气模式的选取在反演气溶胶光学参量中的重要性以及对于气溶胶分类乃至大气科学的相关研究都具有重要的参考价值。     

空间差分吸收激光雷达探测地表大气压力的波长选择

根据美国标准大气模型进行了蒙特卡诺模拟,仿真研究了大气温度的不确定性对大气压力探测带来的随机误差和系统偏差,发现在氧气的A带中选择764.765 nm和765.094 nm为探测波长online,选择位于两者之间的764.948 nm为参考波长offline,是获得较小探测误差的一种方案;优化的探测波长既不在A带的吸收线上,亦不在某两吸收线之间的凹槽中间,而是位于A带吸收线p13和p14线的侧翼,这一结果对于建立积分路径差分吸收激光雷达探测地表大气压力的遥感仪器,起到参考作用.     

国产卫星多角度偏振传感器的光谱特征云检测方法研究

在卫星遥感研究中, 云检测是基础环节, 其结果影响大气、地表各种参数的定量遥感, 同时也影响云微物理特 性的反演。本研究针对多角度偏振卫星载荷(高分五号DPC 传感器), 建立了一种改进的光谱特征云检测算法。该算 法综合利用云像元和非云像元在可见光反射率光谱、氧A 波段吸收、蓝光偏振反射率以及偏振虹等特性上的差异, 分别提出了陆地、海洋上空的云检测方案, 并进一步建立了多角度云检测融合策略以标记云、晴空和未定像元。在 陆地检测中, 通过增加表观压强检测和偏振虹检测分别改进了高层薄云和低层薄云的识别; 在海洋检测中, 利用表观 压强与云层的退偏特性改进了耀光区云像元的识别。全球云检测结果示例显示该算法整体检测效果较好, 同时典型 区域的检测结果与MODIS 云产品也具有较好的一致性。该研究可为高分五号02 星上的多角度偏振传感器云检测提 供方法基础。     

EMI 云量反演及与TROPOMI 的对比研究

云参数是痕量气体反演过程中重要的输入参数, 对其准确反演具有重要意义。基于 2019 年 3 月大气痕量气 体差分吸收光谱仪 EMI 的观测数据, 利用 O4 在 477 nm 处的吸收特性进行有效云量的反演。为验证 EMI 云量反演的 准确性, 将 EMI 与 TROPOMI 的反演结果进行对比分析, 并对 2019 年 3 月 2 日、 6 日、 9 日和 10 日 EMI 和 TROPOMI 整天的云量进行了相关性分析, 相关性 R 分别为 0.752、 0.712、 0.764 和 0.762, 表明二者具有良好的相关性。进一步 选取了沙漠、海洋、陆地三个不同区域的云量分析了不同下垫面情况云量的分布特征, 发现在这三个区域, EMI 和 TROPOMI 的云量都具有较好的一致性, 并且海洋上空云量较低, 陆地上空云量较高, 而沙漠上空云量变化频繁。     

Cloud Properties Derived From GOME/ERS-2 Backscatter Data for Trace Gas Retrieval

We focus on the retrieval of cloud properties appropriate for trace gas retrieval from sun-normalized ultraviolet/visible backscatter spectra obtained from the Global Ozone Monitoring Experiment (GOME) onboard the European Space Agency's European Remote Sensing 2 Satellite (ERS-2). Retrieved quantities are the fractional cloud coverage of the GOME footprint, the cloud-top albedo, and the cloud-top height. A data fusion technique is applied to calculate the fractional cloud cover of GOME footprints from GOME's polarization measurement devices. Furthermore, cloud-top albedo and cloud-top height are retrieved simultaneously from GOME measurements around the oxygen A-band by a neural network approach. We compare our results with corresponding results from the Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) radiometer onboard the first European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT) METEOSAT Second Generation 1 geostationary spacecraft. Our analysis revealed that GOME-derived basic cloud properties are of remarkably high quality. GOME slightly underestimates the cloud coverage of footprints, which was expected since GOME is mainly sensitive to optically thick water clouds. GOME measurements are limited to the ultraviolet and visible part of the solar spectrum, which hampers the detection of optically thin clouds. For both the cloud-top height and the cloud-top albedo, we found a small bias relative to SEVIRI results. The overall uncertainty of retrieved total ozone columns with respect to cloud parameters is about 1%-2%. Our approach is applied to the operational processing of GOME/ERS-2 and will be applied to GOME-2/METOP (launched in 2006) in the framework of EUMETSAT's Satellite Application Facility on Ozone and Atmospheric Chemistry Monitoring (O3M-SAF).     

基于改进DPC和特征分区的点云去噪算法

针对三维激光扫描仪获取到的点云数据存在的多尺度混合噪声将严重影响后续的三维模型重建的问题,提出了一种基于改进的密度峰值聚类算法(DPC)和特征分区的点云去噪算法。首先通过改进的DPC算法去除远离点云主体的大尺度噪声;然后利用主成元分析法(PCA)和曲面变分获取点云法矢及曲率信息,同时采用邻域传播法调整法矢方向并根据曲率对点云进行划分,对特征区域点云与平坦区域点云分别采取自适应双边滤波和正交整体最小二乘平面拟合的方法进行光顺去噪。实验结果表明:在包含混合噪声的bunny与block模型下,利用该算法去噪后点云数据最大误差分别为0235mm和0157mm,平均误差分别为0029mm和0009mm,均能取得较好的去噪效果,且降低了去噪参数设置的复杂性。     

三线阵云立体探测技术

根据三线阵立体测绘原理,给出了探测云顶高的三线阵卫星影像模拟方法.提出了改进的SIFT匹配算法,并利用该算法结合前方交会法,获得云顶高度信息.通过实验验证了三线阵卫星影像模拟的正确性,探索了一种获取夜间低照度条件下云顶高参数的新途径.最后,针对测高误差来源,详细分析了三线阵立体探测云顶高的测高误差,并针对云移动给出了一种误差纠正方法.     

The determination of cloud altitudes using GOME reflectance spectra: multilayered cloud systems

This paper is devoted to the application of the Semi-Analytical Cloud Retrieval Algorithm (SACURA) to the cloud-top height determination using data from the Global Ozone Measurement Experiment (GOME) instrument onboard Earth Remote Sensing satellite (ERS-2). In particular, measurements of the top-of-atmosphere reflectance in the oxygen absorption A-band are used. The technique is based on the asymptotic radiative transfer theory as applied to studies of the oxygen absorption bands in reflected light. Our approach is valid for optically thick clouds with cloud optical thickness larger than approximately 5. The accuracy of the algorithm is checked against independent retrieval techniques for completely cloudy pixels. In particular, the close coincidence with data obtained from the Along Track Scanning Radiometer (ATSR-2) onboard ERS-2 is found. Some results of retrievals using these different instruments disagree (up to 2 km). This is explained by the strong horizontal inhomogeneity of clouds under investigation, which is not accounted by the SACURA or, possibly, by well-known problems of infrared techniques as applied to low-level clouds. The effective cloud geometrical thickness l is also retrieved. This parameter is defined as the geometrical thickness of a vertically homogeneous cloud, which allows for the minimization of differences between observed and calculated top-of-atmosphere reflectance spectra. For inhomogeneous clouds, the value of l differs from a real cloud geometrical thickness, but it gives us an indication of the possible existence of the multilayered cloud system in the field of view of the optical instrument.     

太赫兹云雷达的外场试验结果及反演算法

利用太赫兹云雷达的外场观测数据,分析了观测时间段内的雷达回波特征;基于最优估计理论,研究太赫兹云雷达的液态云微物理参数反演算法,反演得到液态云的微物理参数,包括有效粒子半径、液态水含量、粒子数浓度和分布宽度参数。外场观测数据用例属于低云,云层结构较稳定,云类为层云或层积云,云底和云顶回波较弱。反演结果与相关文献中的云微物理参数统计值基本相符,在回波强度较大的区域有效粒子半径较大,液态水含量较高,云中粒子数浓度呈现随高度增加逐渐减小的趋势。     

云顶高度的天基光学遥感及反演方法综述

确定大气中的云参数对于大气物理及气候研究具有重要意义。这些参数一般难以由测量直接得出,而 必须基于相关的可测物理量进行反演后才可得出。通过分析云的天基观测方式,发现云的大气路径长度、云顶气温 或气压以及云组成的微观特性可用来进行云高遥感与反演。文献调研表明,实际中使用的方法可以分为成像几何关系和通道辐射特 性两大类：前者依赖于成像过程中得到精密控制的光源、目标和遥感器的空间方位信息;后者利用定量化的遥感能够准确地获 得地物目标的辐射量值信息,如果再结合多光谱或高光谱手段,便能够得出详细丰富的云团信息。同时分别介绍了八种实用化方法。