基于HJ-1卫星数据反演长江三角洲地区气溶胶光学厚度

探索利用我国HJ-1卫星CCD数据,运用深蓝算法开展长江三角洲地区气溶胶光学厚度反演的可行性,并将结果与其他气溶胶光学厚度产品进行比较。针对HJ-1A和HJ-1B数据,反演结果分别与MODIS气溶胶光学厚度产品以及AERONET地基观测数据进行对比验证。结果表明:深蓝算法得到A星、B星的反演结果与MODIS气溶胶产品呈显著相关,但在数值上普遍高于MODIS产品;反演结果与AERONET站点数据之间的误差介于0.008~0.364之间,研究时段内站点数据缺乏,未对误差进行严格的统计分析。基于深蓝算法的HJ-1卫星数据反演结果虽然在数值上与MODIS气溶胶光学厚度产品存在系统性偏差,但在空间上能够较好地反映长江三角洲地区大气气溶胶分布状况,且具有空间分辨率高的优势。     

中国东南地区及近海海域气溶胶反演遥感研究

大气气溶胶在很多生物地球化学循环中具有重要作用,但是由于它的来源广泛并且具有很大的时空变化性,难以在全球范围内精确、实时确定气溶胶的性质、组成及时空分布,因而对大气气溶胶的研究依赖于监测手段的发展。地基试验能获取点源的大气气溶胶光学厚度(AOD)的地面测量数据,得到的气溶胶光学厚度用于卫星数据的预处理以及气溶胶光学厚度反演的精度验证。而经过地基校验后的卫星遥感数据,可以反映大范围内实时动态的气溶胶信息。利用MODIS资料和地基探测的太阳光度计资料,对中国东南地区及近海海域的大气气溶胶光学特性进行了分析,讨论了适用于中国东南地区的大气气溶胶模型;利用连续的太阳光度计数据对MODIS资料的反演结果进行校验,结果表明：改进气溶胶模型和采用连续波段太阳光度计探测数据,可以提高MODIS AOD的校验结果。     

高分六号卫星遥感估算大气细颗粒物方法研究北大核心CSCD

针对目前利用高分六号卫星开展地区高空间分辨率大气细颗粒物监测研究较少的问题,提出了基于高分六号卫星宽幅相机数据的气溶胶光学厚度及大气细颗粒物遥感反演的技术方法,并在京津冀及周边地区开展了应用实验和对比分析。首先,基于改进暗像元法反演了高分六号卫星数据的气溶胶光学厚度;然后,结合地面大气细颗粒物监测数据与多种气象辅助数据,基于随机森林算法,构建了多参量综合的大气细颗粒物估算模型,对京津冀地区的大气细颗粒物浓度进行了估算。研究表明:高分六号气溶胶光学厚度反演结果与地基站点监测结果的相关系数为0.94,反演精度较高;大气细颗粒物估算结果与地基站点监测结果的决定系数达到0.79以上,较好地反映了京津冀地区的大气细颗粒物空间分布。     

模拟配准误差对结构函数法气溶胶反演的影响

为了确定清晰图像和待反演图像间的配准误差对结构函数法气溶胶光学厚度反演结果的影响程度,该文基于辐射传输模型反演了不同配准误差条件下的气溶胶光学厚度。在已知地表反射率的基础上,利用辐射传输模型得到一定气溶胶光学厚度下的表观反射率,线性插值得到不同配准误差下的表观反射率,利用这些表观反射率和地表反射率反演气溶胶光学厚度;通过不同配准误差下的反演结果分析配准误差的影响,并通过统计反演误差小且不随配准误差改变的稳定像元地表反射率结构函数值和均值等特征得到稳定像元的地表特征。结果表明,配准误差结构函数法的反演结果显著影响,当配准误差小于0.2个像元时,反演误差小于0.2的像元占总像元的比例达63%。此外,研究发现,地表反射率结构函数值与相应计算窗口地表反射率的标准差相关性强,当标准差大于0.02时,反演结果受配准误差的影响相对较小,相对误差最大不超过40%;反之,受配准误差的影响较大。     

高分一号数据的气溶胶光学厚度反演和验证

针对高分辨率卫星遥感反演气溶胶光学厚度地表噪声难以分离的问题,利用国产"高分一号"(GF-1)的数据特点,提出了一种气溶胶光学厚度反演方法和处理流程。该方法分别基于暗像元和深蓝算法去除了浓密植被和城市亮目标地区的地表贡献,并应用于我国污染较为严重的京津冀、长三角、珠三角等示范区域。利用北京、杭州、香港AERONET地基观测数据,对GF-1反演得到的气溶胶光学厚度进行验证,结果表明:气溶胶高值均集中在三大区域工业排放大和人类活动密集的核心城市,年均光学厚度值在1左右。卫星和地基的相关性总体较好,三大区域的相关系数分别达到了0.71、0.55、0.54。受云识别、亮地表覆盖和气溶胶模式假设等影响,GF-1反演的气溶胶光学厚度存在一定程度的偏差。     

基于随机森林的高分辨率 PM2.5 遥感反演 ——以广东省为例

细颗粒物(PM2.5)监测是大气污染治理的重要手段,受限于地面观测点的数量,从遥感反演 PM2.5 是常规地面观测的有效补充,是当前的研究热点。通常遥感反演 PM2.5 的思路是先反演大气气溶胶光学厚度,然后基于统计关系由大气气溶胶光学厚度反演 PM2.5。该方法容易造成误差传递,从而 导致反演模型的不稳定。该文提出了一种基于随机森林算法(一种机器学习算法)的 PM2.5 遥感反演方法,直接建立中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)影像与地 面实测 PM2.5 的关系,可以避免传统反演 PM2.5 时先反演大气气溶胶光学厚度带来的误差,最终得到精度更高的 PM2.5 反演结果。该方法先用随机森林算法对 MODIS 影像和经过克里金插值后的地面监测站PM2.5 数据进行训练和测试;然后,根据测试的均方根误差从多个模型中选取最优(均方根误差最小)的模型;最后,将此模型用于整幅 MODIS 影像,得到整个区域的 PM2.5 反演结果。实验选取了广东省 四个季节多幅 MODIS 影像数据进行验证,并通过决定系数和均方根误差两个表现指标进行对比和分析,验证了所提算法的优越性。     

基于高分五号DPC数据的细模态气溶胶光学厚度反演

偏振遥感技术监测细模态气溶胶光学物理特性的优势,是监测大区域大气污染的有效手段。基于高分五号（GF-5）携带的多角度偏振成像仪（DPC）的多角度偏振观测数据开展全球陆地上空的细模态气溶胶光学厚度（AOD_f）反演研究。主要通过地表二向偏振反射（BPDF）模型估算出地表偏振反射率,结合评价函数得出了最优气溶胶模型以及AOD_f反演结果,将反演结果与AERONET地基观测数据进行了对比验证。结果显示： 地基数据与反演结果相关性系数达到0.903,平均绝对误差,平均相对误差、均方根误差分别为0.026、0.43%、0.060,反演结果总体可靠,反演方法具备可行性。     

面向气溶胶反演的高分四号影像云检测

针对在利用卫星影像进行地表信息提取、气溶胶光学厚度反演等工作中云检测不够准确的问题,提出了利用云的空间变化特性、光谱反射率特征阈值和HOT薄云检测联合的方法。通过对大量区域进行直方图统计分析,确定了适合高分四号卫星数据的阈值,进而建立了针对气溶胶反演干扰较大的碎云、云边缘、薄云的检测方法。利用该方法对多幅影像进行云检测,结果表明,该方法能够很好地检测出云像元,特别是对于碎云、云边缘和薄云有很好的识别效果,有效提升了气溶胶产品的可信程度。     

山区可见光—近红外遥感影像浓密植被暗像元自动识别方法研究

暗目标法是目前气溶胶光学厚度遥感反演中应用最为广泛的方法,浓密植被暗像元的识别是暗目标法的基础。针对可见光—近红外影像缺少中红外波段难以有效识别浓密植被暗像元的问题,引入红波段直方图阈值法识别山区可见光—近红外影像的浓密植被暗像元。该方法利用浓密森林像元在可见光波段反射率低的特点,通过搜索红波段直方图的最小峰值自动识别浓密植被暗像元。试验中选取Landsat TM影像前4个波段利用红波段直方图阈值法识别可见光—近红外影像的浓密植被暗像元,并与在中红外波段影像和可见光—近红外影像中广泛应用的两种暗像元识别方法进行对比分析,探讨红波段直方图阈值法的有效性,最后将该方法应用于环境减灾卫星(HJ-1)CCD影像的暗像元识别和气溶胶反演。实验结果表明:红波段直方图阈值法明显优于常用的可见光—近红外影像暗像元识别方法,识别精度接近传统的中红外波段影像识别方法,相似度指数小于2和小于3的暗像元分别为83.12%和93.48%。该方法为山区可见光—近红外影像浓密植被暗像元自动识别提供了一种新的适用方法,识别结果能够满足暗目标法反演气溶胶光学厚度的要求。     

利用MODIS遥感监测可吸入颗粒物PM10的研究

为了研究利用卫星遥感方法监测大范围可吸入颗粒物的空间分布,本文在利用MODIS卫星资料反演河北省晴天大气气溶胶光学厚度的基础上,将河北省11个城市地面监测站的可吸入颗粒物PM10浓度值与对应的大气气溶胶光学厚度AOD值作了相关分析,建立了大气气溶胶光学厚度AOD与PM10的关系模型,相关系数为O．5390,达到了O．001以上的显著水平。经多次应用效果检验,平均误差为17％。结果表明,利用晴天AOD与地面PM10质量浓度的关系模型可以有效地监测PM10的空间分布。     

利用MODIS遥感监测PM10的方法研究

本文为了研究利用卫星遥感方法监测大范围可吸入颗粒物的空间分布,在利用MODIS卫星资料反演河北省晴天大气气溶胶光学厚度的基础上,将河北省11个城市地面监测站的可吸入颗粒物PM10浓度值与对应的大气气溶胶光学厚度AOD值作了相关分析,建立了大气气溶胶光学厚度AOD与PM10的关系模型,相关系数为O．5590,达到了0．001以上的显著水平。经多次应用效果检验,平均误差为17％。结果表明,利用晴天AOD与地面PM10质量浓度的关系模型可以有效地监测PM10的空间分布。     

改进的浓密植被法反演Landsat-8 OLI气溶胶光学厚度

针对利用传统浓密植被法难以准确确定地表反射率的不足,分析了Landsat-8 OLI影像红蓝波段的地表反射率与归一化植被指数、散射角对短波红外波段(2.1μm)地表反射率的关系。分析表明,红、蓝波段与短波红外波段(2.1μm)地表反射率之间的比例关系随归一化植被指数和散射角的改变而不同,据此提出构建用于确定红、蓝波段地表反射率的关系模型,用于实现气溶胶光学厚度的反演。选取美国中东部云覆盖较小的地区进行气溶胶反演,使用AERONET站点数据进行反演结果的验证。结果表明,使用该模型得到反演结果与AERONET站点的实测值具有很好的一致性,拟合结果较好;大约70%的数据位于误差线内,反演结果满足精度要求。     

基于并行计算的气溶胶定量遥感反演模型实现

为了加快气溶胶光学厚度(AOD)反演计算速度,基于SYNTAM串行算法,提出了循环分块划分和聚合通信的策略,利用消息传递模型,在中国气象局的IBM Cluster 1600高性能计算机系统上,并行实现了从MODIS双星(TERRA和AQUA)卫星数据反演AOD。试验结果表明该方法大大减少了计算时间,与地面太阳光度计实测AOD数据进行对比验证,发现所有站点处的AOD反演相对误差小于22%,表明这种并行方法可以满足高精度监测空气质量要求。     

基于静止卫星GOCI数据的陆地上空气溶胶光学厚度遥感反演

以长江三角洲地区为研究区,基于2013年共72d的晴空GOCI数据,利用深蓝算法进行了研究区上空气溶胶光学厚度的遥感反演研究,并利用两个实测站点数据进行了验证。结果表明:GOCI数据可以用于陆地气溶胶的反演,两个站点均呈现较高的拟合精度,南京信息工程大学北辰楼站拟合度为0.659,AERONET太湖站拟合度为0.747,与MODIS气溶胶产品相比也表现出很好的一致性。同时,研究发现基于静止卫星GOCI数据的气溶胶产品具有监测气溶胶日内变化的能力,为气溶胶的动态扩散和气候效应研究等提供参考和借鉴。     

利用PARASOL数据反演陆地气溶胶光学厚度

研究了利用PARASOL多角度偏振数据反演我国陆地气溶胶,假设单次散射在扣除大气分子和地表的偏振辐亮度后,根据气溶胶光学性质查找表,采用最佳匹配的方法,选择最适合的气溶胶模式,得到气溶胶光学厚度。并用AERONET的北京站和香河站的地基观测数据对结果进行了验证。结果表明,多角度偏振方法反演陆地气溶胶精度稳定,受季节和地表类型的影响很小,但精度较低还需作进一步的改进。     

卫星影像大气校正中气溶胶模型的影响分析-以天津地区为例

基于大气校正中常用的大气辐射传输模拟软件6S模型,探讨了不同气溶胶模型对卫星影像大气校正的影响及其适用性问题。选取我国环境小卫星星座HJ\|1的CCD传感器数据,以天津地区大气污染和较清洁条件下的卫星影像为例,基于6S进行大气校正,定量估算了气溶胶模型选取对大气校正精度的影响。与此同时,通过地面太阳-天空辐射计实测,获得研究区域整层大气气溶胶参数进行大气校正,并与基于气溶胶模型的校正结果进行对比,得到以下结论:①6S气溶胶模型中,大陆型与海洋型的校正结果比较接近,而城市型气溶胶模型由于含有较高的煤烟成分比例,其校正结果与前两种相差较大;②天津地区在大气污染情况下,适合应用大陆型气溶胶模型进行大气校正,而在大气较清洁的情况下可选择海洋型气溶胶模型。
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利用MODIS资料反演杭州市500米分辨率气溶胶光学厚度

反演城市/区域范围内高空间分辨率的气溶胶光学厚度时,如果气溶胶类型选取的不合理造成的反演误差会很大,甚至超过地表反射率确定误差导致的反演误差。针对这一问题,本文提出了一种结合MODIS L1B资料和AERONET(Aerosol Robotic Network)的气溶胶光学厚度产品,基于6S大气辐射传输模型的计算,确定杭州市在2008年12月16日的气溶胶类型的方法。利用得到的气溶胶类型,结合改进的暗像元法,反演了杭州市500m空间分辨率的气溶胶光学厚度。将气溶胶光学厚度反演结果与采用标准气溶胶类型时的反演结果进行比较,结果表明,本文确定的气溶胶类型更符合杭州市当天的情况,应用到气溶胶光学厚度反演中,精度也最好,相对误差的绝对值在20%以内。     

双通道算法与MODIS算法反演中国近海气溶胶光学特性的对比研究

利用双通道和IMAPP气溶胶反演算法处理TERRA/MODIS L1B数据得出中国近海气溶胶的光学厚度,与AERONET太阳光度计的反演结果作对比分析,验证了反演方法的可行性。同时,对各海域的反演结果及表征粒子谱宽度的Angstrom指数(α)的变化情况进行了分析,结果表明：在东海和日本以南等广阔海域,两种反演算法的结果同AERONET太阳光度计的观测结果基本一致,相关性较好;在渤海和黄海近海岸一带两者气溶胶光学厚度的反演值均偏高,其原因主要是由这些海域的二类水体的影响导致的。探讨分析了这些海域的水域特征及光学特性,为研究发展适合中国近海气溶胶特性的反演算法提供了依据。     

利用GF-4 PMS数据反演城市地区气溶胶光学厚度

高分四号是我国发射的第一颗地球同步轨道卫星,具有较高的空间分辨率及快速重复成像能力,在城市大气环境的高动态监测方面拥有较大的应用潜力。针对城市地区地表反射率高、地表类型复杂,传统的单一算法较难实现大气气溶胶光学厚度有效反演等问题,以北京市为研究区,使用了一种暗目标法和地表反射率数据库相结合的方法,分别对2017年5月25日和10月5日两个时相的气溶胶光学厚度进行了估算。结果表明,该方法能够有效实现城市暗目标区和亮目标区的气溶胶反演,且与MODIS标准陆地气溶胶产品及AERONET站点地面观测数值较为一致,相关系数超过了0.9。     

徐州市气溶胶光学厚度时空分布遥感监测与分析

针对大气污染事件的多发性和大气环境质量分布的时空复杂性,联合地基与卫星观测数据,对2013年7月~2015年5月期间淮海经济区的中心城市徐州市的气溶胶光学厚度的时空变化特性进行分析。分析结果表明:1)2014年徐州市气溶胶光学厚度存在季节差异,月均值波动性显著,不同天气条件下气溶胶光学厚度日变化差异显著,体现在晴好天气稳定保持在低值范围,秸秆焚烧日随时间积累上升,雾霾发生时则整日呈高值。2)徐州市气溶胶光学厚度存在空间分布差异:西北部区域以及靠近市中心区域出现气溶胶光学厚度相对高值的月份较多,东南部区域则相对较低;且气溶胶光学厚度的空间分布存在较大范围的区域性特征。