卫星红外高光谱反演大气水汽含量

利用高光谱大气红外探测仪AIRS模拟及观测数据,发展基于主成分分析技术的多层前馈神经网络反演算法,进行大气中水汽柱总量(IWV)的反演计算、模拟及实测验证。首先,基于全球晴空大气廓线训练样本SeeBorV4.0,利用快速辐射传输模式CRTM进行了辐射传输模拟计算,得到全球高光谱分辨率模拟辐亮度;其次,利用主成分分析技术对模式模拟和AIRS实测高光谱数据进行降维、去噪及去相关处理,并采用多层前向神经网络算法反演大气水汽柱总量;最后,利用数值试验、AIRS实测L1B数据及其水汽产品,对反演算法进行了验证。通过与AIRS官方大气产品的统计分析,本算法反演均方根误差为0.387 g/cm²,最大偏差为0.82 g/cm²,空间分辨率保留了AIRS像素原分辨率(比AIRS官方大气产品高3倍)。     

基于OMI卫星遥感评估2015年阅兵期间华北地区SO_2和NO_2减排成效

基于卫星观测具有实时大范围的优势,利用OMI传感器观测数据得到阅兵期间(8.1~9.20)华北地区边界层SO_2柱浓度和对流层NO_2垂直柱浓度,分析2015年减排前(8.1~8.19)、周边减排(8.20~8.27)、全面减排(8.28~9.3)、减排后(9.4~9.20)的SO_2、NO_2浓度变化情况,以及相比于前3年同期分布的变化,评价了阅兵期间北京及周边7省区市联防联控减排措施的效果。研究发现:2015年华北地区SO_2、NO_2浓度均在全面减排期间达到最低值,与前三年同期相比,全面减排期间京津冀地区SO2浓度下降46%,NO_2浓度下降18%;外围地区SO_2浓度下降37%,NO_2浓度下降10%。减排措施取消后,与前三年同期相比,京津冀地区SO2浓度回升到前三年的水平,NO_2浓度增加19%,表明华北地区联动减排措施有效降低了SO_2、NO_2的浓度。卫星凭借实时、大范围的优势,可有效监测污染物的时空分布,为减排措施的制定与评估提供有力的依据。     

基于OMI卫星遥感评估2015年阅兵期间华北地区SO_2和NO_2减排成效

基于卫星观测具有实时大范围的优势,利用OMI传感器观测数据得到阅兵期间(8.1~9.20)华北地区边界层SO_2柱浓度和对流层NO_2垂直柱浓度,分析2015年减排前(8.1~8.19)、周边减排(8.20~8.27)、全面减排(8.28~9.3)、减排后(9.4~9.20)的SO_2、NO_2浓度变化情况,以及相比于前3年同期分布的变化,评价了阅兵期间北京及周边7省区市联防联控减排措施的效果。研究发现:2015年华北地区SO_2、NO_2浓度均在全面减排期间达到最低值,与前三年同期相比,全面减排期间京津冀地区SO2浓度下降46%,NO_2浓度下降18%;外围地区SO_2浓度下降37%,NO_2浓度下降10%。减排措施取消后,与前三年同期相比,京津冀地区SO2浓度回升到前三年的水平,NO_2浓度增加19%,表明华北地区联动减排措施有效降低了SO_2、NO_2的浓度。卫星凭借实时、大范围的优势,可有效监测污染物的时空分布,为减排措施的制定与评估提供有力的依据。     

基于氧气A吸收带高光谱反射信息的气溶胶廓线反演算法及模拟反演验证

为反演对流层气溶胶消光系数廓线,提出了一种新的、基于氧气A光谱吸收带高光谱反射信息的反演方法。这种方法在经典的线性约束反演算法的基础上引入了两个与气溶胶柱光学厚度相关的订正因子,通过实现目标廓线和反演廓线的光学柱厚度差异最小,进而动态选择拉格朗日系数。为验证新方法的有效性和精度,借助了CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)气溶胶廓线产品和高光谱辐射传输模拟,模拟反演海洋下垫面晴空和沙尘两种情景下气溶胶消光系数廓线,结果表明新的方法能够比较准确地获得对流层内气溶胶廓线的数值,尤其在多次散射比较强的沙尘条件下,相对误差能够控制在51%以下;在晴空时,相对误差能够控制在20%以下。如果加入订正信息,反演精度能够进一步提高。     

多源遥感的中国NO_2浓度在时空上的对比

鉴于研究NO2柱浓度的长时间变化趋势时,不同卫星数据之间是否存在一致性非常重要,且不同卫星数据在不同空间尺度和季节上的对比研究较少,对比了GOME、SCIAMACHY、GOME-2和OMI反演的中国地区对流层NO2柱浓度在栅格尺度、省尺度、区域尺度和4个季节间的差异。结果表明,不同传感器的对流层NO2柱浓度在不同空间尺度和不同季节间具有良好的一致性,但是也有差别。NO2柱浓度平均值在省尺度上最大,区域尺度次之,栅格尺度上最小。SCIAMACHY反演的NO2柱浓度值低于GOME,高于GOME-2A和OMI,平均NO2柱浓度的最大差异出现在冬季,最大差异为SCIAMACHY比GOME、GOME-2A和OMI分别高-10.16%、17.51%和72.8%。GOME-2A和GOME-2B对流层NO2柱浓度均高于OMI,平均NO2柱浓度较大差异在春季和夏季,GOME-2A和GOME-2B分别比OMI高48.5%和41.55%。最后,卫星NO2柱浓度和地面NO2浓度验证结果表明,OMI数据和地面NO2浓度拟合的R2(0.72)大于GOME-2A数据与地面数据拟合的R2(0.6)。     

基于分组分裂窗算法的MTSAT-1R地表温度反演

以黑河流域上游和中游为研究区,针对MTSAT-1R卫星数据,运用MODTRAN 4.0及晴空状态下的TIGR大气廓线数据,发展了根据地表比辐射率、大气水汽含量、传感器观测角度分组模拟的分裂窗算法,进行地表温度反演。分析了传感器噪声、地表比辐射率和大气水汽含量3个参数对该算法的影响,并结合模拟数据、地面观测数据及MODIS地表温度产品,对反演结果进行分析评价。结果表明:当传感器垂直观测或大气水汽含量小于2.5g/cm2时,反演精度在1K以内;反演结果与地面观测数据对比差异较小,在阿柔站RMSE为3.7 K(日)/1.4 K(夜),在盈科站RMSE为2.4K(日)/2.0K(夜);与MODIS地表温度产品比较,空间分布呈现出一致性。总之,分组分裂窗算法能较好地用于MTSAT-1R卫星数据进行地表温度反演。     

多源遥感的中国NO2浓度在时空上的对比

鉴于研究NO2柱浓度的长时间变化趋势时,不同卫星数据之间是否存在一致性非常重要,且不同卫星数据在不同空间尺度和季节上的对比研究较少,对比了GOME、SCIAMACHY、GOME-2和OMI反演的中国地区对流层NO2柱浓度在栅格尺度、省尺度、区域尺度和4个季节间的差异。结果表明,不同传感器的对流层NO2柱浓度在不同空间尺度和不同季节间具有良好的一致性,但是也有差别。NO2柱浓度平均值在省尺度上最大,区域尺度次之,栅格尺度上最小。SCIAMACHY反演的NO2柱浓度值低于GOME,高于GOME-2A和OMI,平均NO2柱浓度的最大差异出现在冬季,最大差异为SCIAMACHY比GOME、GOME-2A和OMI分别高-10.16%、17.51%和72.8%。GOME-2A和GOME-2B对流层NO2柱浓度均高于OMI,平均NO2柱浓度较大差异在春季和夏季,GOME-2A和GOME-2B分别比OMI高48.5%和41.55%。最后,卫星NO2柱浓度和地面NO2浓度验证结果表明,OMI数据和地面NO2浓度拟合的R2（0.72）大于GOME-2A数据与地面数据拟合的R2（0.6）。     

陆地生态系统碳监测卫星远红波段叶绿素荧光反演算法设计

太阳诱导叶绿素荧光(Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence,SIF)是陆表植被在自然光照条件下进行光合作用时释放的一种光信号。SIF携带有重要的光合作用信息,通过卫星遥感的方法探测区域—全球SIF信号为大尺度植被光合作用监测打开了新世界的大门。我国预计于2020年前后发射的陆地生态系统碳卫星(陆碳卫星)将搭载超光谱分辨率载荷,有望成为全球范围内第一个针对陆表植被SIF进行专门观测的卫星传感器。数据驱动算法是陆碳卫星远红波段SIF反演的主算法,作为一种半经验算法,需结合传感器指标进行参数优化。依据陆碳卫星超光谱载荷的设计指标,基于仿真数据进行了端对端反演模拟,讨论了不同潜在反演窗口下SIF反演的精度(精密度与准确度),确定了不同反演窗口所需的主成分个数(n_v),分析了不同反演窗口内反演精度对荧光波形函数(h_F)的敏感性。结果表明:随着反演窗口的拓宽,SIF反演的精密度(鲁棒性)提升,但准确度下降,且对n_v及h_F的敏感性增强。综合考虑各因素,确定了735～758 nm作为陆碳卫星远红波段SIF反演的主窗口,同时n_v取6,h_F设置为单峰高斯函数(μ=740 nm,σ=30 nm)。基于近地表和航空遥感数据的SIF反演结果验证了所设计算法的可行性和合理性。研究结果将为陆碳卫星升空后SIF的反演及产品发布提供重要参考。     

基于资源一号02D高光谱卫星影像的青海湖悬浮物浓度反演研究

水体悬浮物浓度是描述水体光学特性的一个重要参数。卫星遥感具有大范围、快速、高频次动态监测的优势,有助于加强对青海湖水环境质量的监测,降低监测成本。而资源一号02D(ZY1-02D)卫星高光谱影像作为新的数据源,具有高空间分辨率、高光谱分辨率的优点,为湖泊的水质高精度监测提供了可能性。为了验证ZY1-02D高光谱相机在水质遥感监测应用中的适用性,以ZY1-02D高光谱影像为遥感数据源,同时辅助实测数据,构建青海湖悬浮物浓度反演模型,并进行精度验证,评价模型的准确性,最后将模型应用于青海湖悬浮物浓度反演。研究结果表明：青海湖悬浮浓度反演模型平均相对误差为21.1%,均方根误差为0.296 mg/L,精度较好,青海湖悬浮物浓度反演结果呈现湖心低岸边高的特征,与同期Sentinl-2和同期Landsat 8数据反演结果进行对比,反演结果保持一致,说明ZY1-02D高光谱影像能够作为悬浮物浓度遥感反演的数据源之一。     

FY-3近红外与热红外资料大气柱水汽总量反演对比

大气水汽含量信息对卫星图像辐射校正、大气微物理过程理解、降水预报等具有重要意义。分别利用FY-3A中分辨率成像光谱仪(MERSI)近红外和扫描辐射计(VIRR)热红外通道反演大气柱水汽总量,并将反演结果与地面探空站观测值进行比对分析,结果表明:(1)MERSI反演值与观测值的相关系数为0.763,而VIRR反演值与观测值的相关性较差,相关系数为0.169;从水汽含量的反演精度看,MERSI(RMSE=1.109g/cm~2)高于VIRR(RMSE=1.894g/cm~2);(2)MERSI三通道水汽反演精度比17、18、19通道(RMSE分别为1.133、1.424和1.827g/cm~2)高,主要原因是3个水汽通道对水汽敏感性不同,综合利用3个通道反演大气柱水汽含量可达到取长补短的效果。     

卫星遥感大气CO2的技术与方法进展综述

综合分析了国际上卫星遥感观测大气二氧化碳（CO²）含量的主要技术与方法,讨论了现有星载大气CO²探测器（传感器）的主要理论基础、反演方法,归纳了仪器的主要性能指标、观测方式和观测目标,分析了影响CO²遥感精度的主要因素。具体研究下列3类星载CO2探测器：① 技术相对成熟的、观测要素既包含CO²也包含其他微量气体的综合性星载被动探测仪器,例如大气红外垂直探测仪(AIRS)、大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)、超高光谱红外大气探测干涉仪(IASI);② 针对大气中CO²混合比或者对流层下层CO²含量进行专门观测的星载被动探测器：极轨碳观测卫星(Orbiting Carbon Observatory,OCO)和温室气体观测卫星(Greenhouse gas Observing Satellite,GOSAT)搭载的被动红外探测器;③ ASCENDS和A\|SCOPE等国际卫星计划正在研制中的星载主动激光雷达探测器。 进一步介绍了我国在高光谱仪器研制方面具备的研究基础。最后初步分析了星载CO²探测结果的验证、资料同化方法和未来的发展趋势。     

利用GOME-2卫星数据反演对流层臭氧

基于GOME-2level 1B数据利用最优估计反演算法获得了GOME-2臭氧廓线产品,分析了GOME-2对流层臭氧反演产品的误差和信息量等特征,并对比验证了紫外光谱仪GOME-2与热红外光谱仪TES反演的对流层臭氧柱总量及其敏感性。结果表明:GOME-2对流层臭氧柱总量反演随机误差在10%以内;GOME-2相对TES的对流层臭氧柱总量偏小5%~20%;晴空下GOME-2对流层臭氧反演的敏感性随高度增加而上升,接近TES的敏感性垂直分布;在有云条件下,GOME-2和TES的云下部分信号都被屏蔽,在云顶之上GOME-2臭氧反演敏感性明显高于热红外仪器TES。     

星载高光谱红外传感器反演大气痕量气体综述

利用遥感监测全球尺度上的痕量气体分布以及动态变化,对于理解对流层大气化学以及温室气体的源与汇具有重要的意义。本文首先介绍了国内外用于痕量气体探测的高光谱红外传感器的发展,由辐射传输方程出发分析了大气痕量气体遥感反演的特点,从前向模型、先验知识和最小化代价函数方案三个方面阐述了大气痕量气体遥感反演方案,最后指出了目前利用星载高光谱红外遥感数据反演大气痕量气体存在的一些问题以及可能的解决方案。     

矿物高光谱解混进展研究综述

由于高光谱传感器低空间分辨率特征,岩石高光谱一般是矿物组分的综合反映。矿物高光谱解混对矿产勘查、矿物含量定量反演和野外地质填图等提供了可行的鉴定方法。首先介绍了2种主要的光谱混合模型;其次基于矿物混合机理特征,从模型驱动法和数据驱动法2个方面,对近年高光谱数据的端元提取和丰度求解算法进行归纳,分析各解混算法的原理和优缺点;然后从实验室实测数据、模拟数据和高光谱影像数据3个方面,对目前已开展的混合矿物高光谱解混实验进行概括,总结各算法的解混效果和适用性;最后针对各解混算法的特点和研究现状指出未来矿物高光谱解混的研究方向。     

基于吉林一号光谱星影像的农作物叶面积指数反演

吉林一号光谱星的发射提高了我国对地观测能力，并且在农业定量反演方面具有较大的潜力，为了准确、有效地反演农作物关键参数，分析吉林一号光谱星影像的反演能力具有重要意义。以内蒙古乌拉特前旗、正蓝旗、科尔沁右翼前旗的农田为研究区，基于吉林一号光谱星影像，使用优化后的PROSAIL模型和曲线匹配算法，对不同物候期内的玉米和水稻叶面积指数(LAI)进行了反演，并结合实测LAI数据进行了精度验证。结果表明：优化后的PROSAIL模型其参数范围和参数步长更适用于农作物LAI反演，在保证精度的前提下精简了查找表的容量；基于特征值的曲线匹配算法在空间分布高度一致、误差绝对值均值为0.41的情况下，计算效率平均提高了41.43%；研究区不同物候期内的玉米和水稻LAI反演精度R²为0.72～0.9,RMSE为0.32～0.49。其中，玉米开花期精度最高(R²=0.9,RMSE=0.4)，玉米成熟期精度最低(R²=0.72,RMSE=0.47)。综上所述，基于吉林一号光谱星影像反演农作物LAI具有精度高、误差小的特点，研究结果可为该数据在农作物L...     

FY3A/MERSI地表温度反演

MERSI是我国第二代极轨气象卫星上的重要传感器,可获取高空间分辨率和高时间分辨率的对地观测影像。为使Jimènez-Mu珘nozSobrino算法更适用于FY3A/MERSI传感器通道特性,更新了大气函数的估算系数,并引入观测角度因子,以获取更为精确像元间更为平滑的地表温度。用MODTRAN4模拟验证该算法精度,得引入角度因子后反演精度显著提升,所有角度下平均误差为-0.6±2.2K。用实测的敦煌戈壁地表温度和MODIS地表温度产品评价MERSI反演结果,显示MERSI地表温度的空间分布准确,结果精度也较高。与实测温度对比,平均误差为1.74K,均方根误差小于1.9K。研究区域与MODIS地表温度间差异平均为2.6307K。虽然会受云检测精度和观测亮温偏高的影响,由MERSI反演的高精度地表温度在相关科研和业务方面仍然具有极好的应用前景。     

基于OMI数据的天水地区对流层HCHO垂直柱浓度变化研究

近年来,随着大气环境问题研究的深入,大气甲醛(HCHO)作为光化学烟雾的前体物以及致癌物已经引起了人们的关注。通过区域监测,了解其时空分布及其在大气中的动态变化,对城市空气质量的安全预警具有重要意义。研究利用AURE卫星上搭载的OMI(Ozone Monitoring Instrument)新一代大气探测传感器,解译了天水地区2005~2014年对流层痕量气体HCHO垂直柱浓度的反演数据,并经VISON、GIS等软件联合对该产品处理,探究了天水地区的HCHO的空间分布、时间变化特征及其影响因素。结果表明:研究区内对流层HCHO垂直柱浓度在2005~2012年呈现持续增长趋势,由2005年的5.06×10~(15) molec/cm~2增长至2012年的22.25×10~(15)molec/cm~2,2012~2014年表现出显著下降趋势,由2012年最高值下降至2014年的9.74×10~(15) molec/cm~2;冬、夏两季HCHO垂直柱浓度明显高于春、秋两季,其中夏季最高,冬季次之;研究区东部与陕西相邻地区及甘谷县、武山县部分地区呈现明显高值,而天水中部区域HCHO垂直柱浓度较低,而2014年表现为研究区内HCHO浓度值普遍较高。研究表明,遥感监测对于大尺度长时间大区域大气环境监测提供了新的视角。     

基于Hyperion影像的高光谱水汽含量反演的算法比较研究

基于高光谱遥感图像数据的大气参数反演和一体化辐射校正具有重要研究意义和应用价值。首先,通过6S模型辐射传输计算分析了EO-1/Hyperion遥感影像在940和1 130nm附近水汽吸收区域的光谱吸收特点。其次,采用两通道比值法和三通道比值法,比较了不同波段组合的大气含水量高光谱遥感反演精度并进行了敏感性分析,模拟实验结果表明采用三波段比值算法的相关系数和均方根误差均优于对应的两波段算法。最后,利用张掖地区2008年3景EO-1Hyperion高光谱遥感影像,反演了大气含水量,并与地基CE-318太阳分光光度计测量数据进行对比验证,结果表明:1 124nm水汽吸收通道反演精度优于940nm,两通道和三通道比值法的均方根误差分别为0.369和0.128g/cm2,三通道比值方法优于两通道比值方法,与地面观测结果一致。     

中国区域CO_2多年时空变化的卫星遥感分析

为了更充分地了解CO_2地面源和汇的分布特征,利用中国区域地面观测数据和AIRS反演的2003年1月~2012年12月CO_2三级产品分析了中国地区对流层CO_2浓度在不同季节的时空分布及多年变化特征。结果表明:1AIRS反演的CO_2产品与地面观测数据具有较好的一致性,相关系数0.85以上,月平均值偏差在3ppmv以内。CO_2随时间均呈增长趋势,两者呈现一致的季节波动性,卫星反演结果略有滞后。GOSAT反演CO_2比AIRS偏低,两者的相关性较低;2CO_2浓度呈现北高西南低的分布规律,多年月平均增长率为0.177。北方地区的CO_2增长率大于南方,东部的CO_2增长率大于西部;3CO_2浓度整体在春季呈现增长趋势,秋季呈现减小趋势。春季CO_2浓度较高主要出现在东北地区、内蒙古和新疆,多年平均浓度达到389ppmv以上,相应地这些地区在春季和夏季CO_2浓度年增加量达到2ppmv以上。秋季CO_2浓度在内蒙古和西南地区减小趋势明显。     

机载高光谱数据提取冬小麦冠层叶绿素含量的模型分析及验证

遥感提取叶绿素含量的方法是精准农业的重要研究方向之一,但是如何用冠层光谱数据有效地提取叶绿素含量仍然是一个难点。本文用光谱指数TCARI和OSAVI的组合建立提取冬小麦冠层叶绿素含量的关系式,并使用实验田获取的冬小麦冠层光谱以及与之同步的机载高光谱传感器OMIS数据进行了验证。通过误差分析讨论了该方法用于遥感高光谱数据时需要注意的问题,表明大气校正的精度,传感器的信噪比以及波段中心的漂移是模型反演精度的主要制约因素。