中红外波段地表发射率特性分析

陆表温度(LST)在地-气相互作用过程中扮演着重要的角色,是全球变化研究的关键参数。陆表发射率是陆表温度反演的关键输入参数之一。中红外谱区(3~5 μm)介于可见光-近红外谱区(0.38~2.5 μm)与热红外谱区(8~14 μm)之间,地物的发射率在该谱区表现出独特的光谱特性,可用于霜冻监测、矿物成分分析等研究。由于传感器在中红外谱区探测到的能量既有来自于地物自身发射的热辐射能量,又有反射的太阳辐射能量,这两部分的能量分离机理比较复杂,因此中红外谱区发射率特性分析的相关文献较少。本文针对单一均匀地表和具有混合像元的复杂地表计算了MODIS红外通道的有效发射率,发现通道有效发射率在单一均匀地表下与温度的耦合效应不强烈;但在复杂地表下,通道有效发射率与混合像元内的成分比例以及成分的地表温度具有耦合效应。在误差允许的范围内,混合像元的有效发射率可以忽略成分地表温度的影响。发射率误差对陆表温度反演精度的敏感性随着波长的变化而变化。在热红外波段,敏感性是其在中红外波段的2倍左右,说明利用中红外波段进行陆表温度反演具有一定的优势。     

基于相关性的中红外温度与发射率分离算法

温度和发射率是耦合在一起的.在精确获得大气参数的情况下,由传感器的辐射测量反演地表的温度与发射率,仍然是一个病态问题,必须采取一定的策略进行温度与发射率的分离.因此,温度与发射率的分离是红外遥感的核心问题.文章在分析无太阳直射光影响时大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间关系的基础上,提出了一个针对野外测量中红外高光谱数据的温度与发射率分离算法.该算法利用大气下行辐射和含有大气残留的地表发射率之间的相关性作为判据来优化地表温度,进而获得地表发射率.基于模拟的中红外高光谱数据,对算法的精度进行评价.结果表明,该算法能够获得较高的地表温度和发射率反演精度;具有较广的适用范围,对测量过程中大气下行辐射变化不敏感;同时算法具有一定的抗噪性.     

地表发射率的机载傅里叶变换红外光谱反演方法研究

介绍了利用机载傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪测量地球、大气辐射的实验过程,并对由光谱仪测得的辐射与地表光谱发射率、大气透过率等参数的关系进行了深入的分析,给出了理论表达式。提出了一种基于梯度搜索的优化方法,即由机载FTIR光谱仪测得的辐亮度光谱反演得到方差最小的光谱发射率最优解。反演结果表明,在中红外波段,沙地平均光谱发射率为0.70,裸土地表平均光谱发射率为0.95。     

基于高光谱热红外发射率光谱的地表岩石CaO含量定量估计

通过对西藏冈底斯山东段23种岩石固体样本的野外发射率光谱测量,分别分析了这些样本的CaO含量与热红外发射率原始光谱和一阶微分光谱的相关关系。在此基础上,建立了几种典型的回归模型,并对各种建模结果进行了比较。结果表明,利用高光谱热红外发射率光谱反演地表岩石CaO的含量是可行的;地表岩石CaO含量与热红外发射率光谱特征之间有较好的对应关系;在10.3～13μm波长范围内,岩石的发射率随CaO的含量增加而降低;相比原始发射率光谱,一阶微分光谱具有更好的预测效果。结果为遥感岩矿识别提供了一种新的思路。     

温度对CrIS热红外卫星资料反演臭氧廓线的影响分析

臭氧是地球大气中一种重要的痕量气体,在光化学反应和气候变化中都扮演着非常重要的角色。高光谱红外卫星可以观测到较高垂直分辨率的大气臭氧信息,但是由于热红外受大气温度影响较大,臭氧反演精度会有所下降。为此详细讨论和分析了温度对臭氧吸收光谱和权重函数的敏感性,以及对臭氧反演精度的影响。首先利用逐线积分辐射传输模型LBLRTM,分别模拟计算了六种不同标准大气模式下,1K的随机温度误差对大气透过率和辐射值的影响,发现1 K温度随机误差和臭氧浓度5%～6%的变化引起的辐射值变化量一致。接着利用CRTM辐射传输模型,针对搭载于美国对地观测卫星Suomi NPP(National Polar-orbiting Partnership)平台上的CrIS(Cross-track Infrared Sounder)红外高光谱观测数据,计算了1K的随机温度误差对大气臭氧权重函数的影响,并计算了由1K温度误差所导致的热红外高光谱资料大气臭氧廓线反演误差,结果显示CrIS对于臭氧的敏感区位于10～100 hPa之间,且1 K的温度误差和6%的臭氧浓度变化引起的权重函数变化量相当。最后以CrIS作为实验数据,在最优估计法框架下,通过特征向量统计法获取臭氧廓线的先验知识,并将大气温度廓线和大气臭氧廓线都作为未知量,进行同步迭代反演。将反演结果和配对的世界臭氧紫外数据中心WOUDC的站点数据进行比较,发现在反演中加入大气温度廓线进行同步迭代后,反演结果有显著提高,尤其在平流层与真值几乎一致,最大相对误差不超过20%,在对流层反演结果相对较差,最大相对误差不超过50%,优于欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecasting)臭氧模式数据集ERA-Interim。     

基于热红外光谱和微波反演地表温度的研究进展

地表温度(LST)是研究地表和大气之间辐射和能量交换以及区域和全球尺度地表物理过程的重要参数。卫星遥感技术在生态环境、水文、气象、地震、军事的应用研究,以及气候模式的辐射过程描述都需要获得准确的LST。光谱中的红外和微波对于探测LST发挥重要作用。文章综合分析了热红外波谱和微波遥感反演LST的研究进展,包括:利用热红外辐射温度表探测LST的方法,晴空条件下星载传感器的红外通道反演LST的单窗、分裂窗等反演方法,单通道和多通道算法,组分温度的反演方法,单通道多角度法和多通道多角度法,以及地表发射率ε特性研究等。微波可以全天候探测地表,文章分析了被动微波波段遥感反演LST的方法。并对这些方法的优缺点、适用性及应用前景进行了评述。     

基于环境减灾小卫星(HJ-1B)的地表温度单窗反演研究

地表温度是地球环境中的一个关键参数,可探测地表温度的热红外波段在光谱谱段中占有重要位置.针对近年来发射的HJ-1B星波段特点,本研究在基于影像的COST模型大气校正基础上,以宁夏为研究区,采用无需大气水汽含量参数的单窗算法反演地表温度,并采用同步的MODIS温度产品对比验证,结果表明该法具有<1 K的较高精度.同时,对...     

利用红外高光谱资料CrIS反演大气温湿廓线的模拟研究

大气温湿廓线是数值预报中最基本的气象参数,高光谱红外卫星可以观测到较高垂直分辨率的大气信息,为了准确获取廓线信息,利用搭载于美国对地观测卫星Suomi NPP(national polar-orbiting partnership)平台上的CrIS(cross-track infrared sounder)红外高光谱观测资料,讨论了通道选取方法,采用特征向量统计法反演法得到初始大气廓线,利用非线性牛顿迭代法进一步提高反演精度。将反演结果和全球数据同化系统GDAS(global data assimilation system)模式分析数据以及配对的无线探空值进行比较,发现反演结果与真值趋势一致,较之初始廓线有显著提高,在100～700 hPa之间,温度廓线反演精度最高,均方差小于1 K,在300～900 hPa之间,湿度廓线反演精度最高,均方差小于20%,与所选取通道的雅各比峰值区间一致。     

对流层高度大气温度、湿度和气溶胶的拉曼激光雷达系统EI北大核心CSCD

为了实现大气温度、水汽(相对湿度)和气溶胶的实时同步探测研究,成功研制了一台日常观测的多参数探测拉曼激光雷达,采用高性能二向色镜和窄带干涉滤光片组成高光谱分辨率高效率拉曼分光系统,实现独立5通道大气回波信号的高精细分光和高效率提取,并研发了多参数同步反演算法,获得了大气水汽密度、温度和气溶胶消光系数廓线,结合水汽密度和温度得到了同时刻大气相对湿度的垂直变化特性。利用该系统在晴天和有云条件下对西安局地进行初步实验观测,获得温湿度及气溶胶廓线以及云层内水汽与逆温层的高度关系。实验结果表明,在探测时间15 min和激光能量150 m J的条件下,系统在晴天条件可实现高度16 km以下大气温度和湿度的同步探测,在有云条件下系统可实现大气底层和云层顶逆温层的精确探测,并可获得高层云层内和水汽层内大气水汽密度和相对湿度的同步增长趋势。实验数据与当地探空数据的多次随机比对在大气温度、湿度廓线上取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达实现对流层高度大气多参数同步探测的有效性和系统的可靠性。使用该系统可有效开展区域性大气的观测研究,为大气气候变化以及雾霾生消过程的研究提供可靠的实时探测数据。     

对流层高度大气温度、湿度和气溶胶的拉曼激光雷达系统

为了实现大气温度、水汽(相对湿度)和气溶胶的实时同步探测研究,成功研制了一台日常观测的多参数探测拉曼激光雷达,采用高性能二向色镜和窄带干涉滤光片组成高光谱分辨率高效率拉曼分光系统,实现独立5通道大气回波信号的高精细分光和高效率提取,并研发了多参数同步反演算法,获得了大气水汽密度、温度和气溶胶消光系数廓线,结合水汽密度和温度得到了同时刻大气相对湿度的垂直变化特性。利用该系统在晴天和有云条件下对西安局地进行初步实验观测,获得温湿度及气溶胶廓线以及云层内水汽与逆温层的高度关系。实验结果表明,在探测时间15 min和激光能量150 m J的条件下,系统在晴天条件可实现高度16 km以下大气温度和湿度的同步探测,在有云条件下系统可实现大气底层和云层顶逆温层的精确探测,并可获得高层云层内和水汽层内大气水汽密度和相对湿度的同步增长趋势。实验数据与当地探空数据的多次随机比对在大气温度、湿度廓线上取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达实现对流层高度大气多参数同步探测的有效性和系统的可靠性。使用该系统可有效开展区域性大气的观测研究,为大气气候变化以及雾霾生消过程的研究提供可靠的实时探测数据。     

多光谱遥感影像煤火监测新方法

煤火在世界各地均有不同程度的发生,严重威胁生态环境,煤火燃烧释放大量的有毒有害气体,造成大气污染,同时煤火燃烧形成地下空洞,导致地表塌陷,直接威胁着矿区人员的生命安全。遥感技术的迅猛发展使大尺度反演与监测煤火温度变为可能。单窗算法是一个简单可行且精度较高的煤火温度反演方法,该方法需要两个大气参数进行温度反演,即大气水分含量和地表比辐射率。由于该算法需要卫星影像获取瞬间时的大气水分含量,而卫星过境瞬间的大气水分含量受多种因素影响难以获得;单窗算法对不同类型的地物均采用统一的地表比辐射率,这会导致反演温度不精确,误差较大。针对上述存在的问题,采用基于地面湿度参量建立起的大气可降水量与地面水汽压间的经验关系,计算大气水分含量,同时,采用NDVI阈值法计算不同地物类型的地表比辐射率,对单窗算法中的两个参数进行精确估计,从而改进提高该算法的精度及可操作性。将改进的算法应用于内蒙古乌达矿区,反演从1988年到2015年间研究区的煤火温度,提取每年研究区的温度异常区域,对比分析煤火区域分布、面积变化情况。本文提出的改进算法能够快速、高效的反演煤火温度,对掌握煤火异常区域变化情况提供技术支持,具有可操作性及现实意义。     

中国地区氧化亚氮浓度时空变化特征分析

氧化亚氮是一种重要的温室气体和臭氧损耗物。利用热红外反演大气温湿廓线,由于大气氧化亚氮含量较少且变化幅度不大,一般都当作常量处理。但是在反演氧化亚氮时,由于大气温湿廓线和地表温度等参数相对氧化亚氮变化较大,可能很小的扰动就会覆盖掉氧化亚氮的吸收信号。因此有必要在上千个通道中,选取信噪比最高的通道,反演分析氧化亚氮浓度的时空变化特征,进而掌握我国氧化亚氮浓度的变化规律,为研究我国氧化亚氮排放对气候变化的贡献,制定合理的氧化亚氮减排政策等,提供可靠数据支撑。采取一种优化后的最优敏感廓线通道选取法,利用AIRS数据,基于最优估计法反演氧化亚氮浓度,与TCOON观测网中加拿大站点进行比对,结果显示卫星遥感与地面观测结果一致性较好,相关系数r为0.73,该算法可以推广到IASI和CrIS等热红外高光谱数据,使对氧化亚氮的观测数据增加到20多年,这种长时间序列的产品是对目前地面观测的有效补充。在氧化亚氮反演验证的基础上分析了我国氧化亚氮的年均值变化和月均值变化情况,以及它的空间分布特征。时空变化结果显示,我国氧化亚氮浓度在低纬度地区浓度相对较高,每年在华南地区的夏季达到峰值,月度间变化幅度较大,相比于月度变化,年度之间的变化幅度相对较小。监测结果同时显示,印度、巴基斯坦等国在紧邻我国地区,夏季氧化亚氮浓度较高,因此我国氧化亚氮浓度的时空变化特征除本地排放贡献外,也有一定的外部区域传输影响。     

HJ-1B热红外遥感数据陆表温度反演误差分析

误差问题制约着遥感数据和模型的应用。结合HJ-1B热红外波段(IRS4)遥感数据,基于热红外辐射传输(radiant transfer,RT)模型,对陆表温度(land surface temperature,LST)反演误差源做精确理论分析,并就减小误差提出建议。首先利用MODTRAN 4修正IRS4 LST反演RT模型,通过建立偏微分方程,研究误差产生规律和各参量误差对模型总误差的贡献。分析发现,LST反演误差与随地表温度和比辐射率的升高而降低,随大气总水汽含量升高而升高;LST主要误差源为等效噪声温差、水汽估算误差和比辐射率误差,典型情况下将分别造成0.6,0.6和0.5 K的LST误差。总体而言,利用IRS4反演LST的误差在1 K左右,除非用地面探测手段将水汽误差和比辐射误差分别降低到5%和0.5%,否则IRS4数据无法满足精度高于1 K的LST应用。     

基于气象卫星云图的红外吸收带火山特征分析

飞行目标在2.7和4.3 μm谱段附近具有较强的红外辐射，因此这两个波段是探测飞行目标的最佳波段, 但是由于这两个波段并非大气窗口，不被大多数遥感器包含。对这两个谱段的典型地物特性开展研究具有重要的价值，但由于缺乏必要的数据获取能力，经常面临数据缺乏的问题。世界范围内频频有各种程度的火山爆发，火山爆发时温度较高的火山口，是否对于天基红外探测系统典型目标探测有影响，其影响程度如何一直缺乏相关的分析和研究。基于大气辐射传输理论，利用多元统计分析得到波段转换模型，使用气象卫星已有波段获得红外吸收谱段数据。将火点像元视为明火和背景的混合像元，采用目标与背景分离的方式描述高温目标像元的热辐射。对高温目标辐射量，在气溶胶模式固定的情况下，选取观测天顶角、大气可降水量、大气廓线为自变量影响因子。对于背景辐射亮度关系，选取观测天顶角、大气可降水量、大气廓线、背景温度为自变量影响因子, 利用多元统计，建立相关模型。利用对地面热状态非常敏感的风云三号可见光红外扫描辐射计第3通道数据的统计特征探测火山口，获取高温目标在特定波段的表观多维特征并定量分析。火山的多维特征分析，主要从时间和空间两个维度展开。时间维度是对同一火山在不同时间的数据进行分析，空间维度上，主要统计火山口的辐射亮度和亮度温度的空间分布特征。一般气象卫星分辨率较低，单纯利用像元个数表示火山面积, 明显夸大了火山的实际面积，所以基于亚像元特性对火山进行分析，将混合像元火点视为明火和背景的组合，运用线性光谱混合模型，通过混合像元的辐射率精确计算火山高温点的面积和温度，提高定量分析精度。分析结果表明： 通过仿真手段结合多元统计分析方法建立高温目标的波段转换模型是一种可行的预研手段。在2.7~2.95 μm谱段，火山口在弱背景环境下可能会对高温目标造成干扰，而在4.2~4.45 μm谱段，火山口能量远高于一般地表类型，是不可忽视的干扰。     

基于GOSAT卫星数据的大气甲烷反演误差分析及校正

大气甲烷(CH₄)高精度反演受到多种因素的影响,其中地表特征和大气状态的不确定性是重要的影响因素,如地表反射率、温度、湿度和压力廓线。地表反射率受到诸多因素的影响,难以获得精确的数据,会给反演结果带来较大误差。温度、湿度和压力廓线的不确定性亦是反演误差的重要来源,由此产生的系统误差难以避免,单独利用CH₄吸收带进行反演难以消除此种误差。针对各种参数不确定性的影响,本文提出比值光谱法和CO₂吸收带校正法进行校正。比值光谱法通过将绝对辐亮度谱转化为比值光谱,抑制地表反射率在反演过程中的作用。CO₂吸收带校正法利用CO₂ 1.61 μm吸收带,将CH₄柱含量转化为CH₄体积混合比,校正温度、湿度和压力廓线不确定性引起的系统误差。通过将两种校正方法结合,可同时抑制地表反射率和温度、湿度、压力廓线不确定性产生的影响,减小反演误差。利用温室气体观测卫星(GOSAT)的观测数据进行大气CH₄反演,采用比值光谱法和CO₂吸收带校正上述误差,结果显示校正后的CH₄体积混合比与GOSAT-Level2产品相当接近,反演精度可达-0.24%,反演结果较为稳健可靠。研究表明,比值光谱法和CO₂吸收带校正法可有效校正地表特征和大气状态参数不确定性引起的误差,提高大气CH₄反演精度。     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求，研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计，实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量，为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段；2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置，结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离，为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子；3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994，稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标，有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响，定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm），为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。     

自然状态下水泥路面温度与其发射率耦合关系研究

地表发射率是地表温度遥感反演中不可缺少的参数之一。常规获取地表发射率的遥感方法中,存在温度和发射率病态反演的问题;而实验室实测方法在恒定的自然条件下测定,对于遥感实用有一定的局限性。为解决上述问题,本研究利用温度和发射率相互耦合的关系,剔除温度效应的影响,提高发射率的精度,进而提高遥感反演地表温度的精度。对于不同地表物质而言,发射率和温度耦合关系又不同,本研究针对典型的城市人造地表类型之一——水泥路面,基于合理的自然状态下水泥路面发射率和温度观测实验,筛选理想大气环境下实测数据;利用最优发射率与温度分离算法取代光谱仪自带算法,提取精度较高发射率数据;分析时序水泥路面温度和发射率数据的耦合关系,建立耦合模型,并进行验证。研究结果表明：水泥路面的发射率二阶导数与温度相关性最高,相关系数为-0.925 1。以发射率二阶导数为自变量的逐步回归模型为最佳关系模型,判定系数R2达到0.886,验证结果的均方根误差RMSE为0.292 1。水泥路面温度与其发射率耦合关系模型的建立为提高遥感反演地表温度的精度提供了一种途径。