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。     

基于洋面场景的MERSI偏振辐射特性反演及其分析方法

辐射传递链路的偏振灵敏度会影响中分辨率光谱成像仪(MERSI)遥感观测数据的精度及其后续应用,故需要对其偏振灵敏度进行反演、分析及定量去除以提高辐射定标的精度。针对在轨后的MERSI,选择洋面场景这一偏振度较大的区域,通过对卫星观测数据和环境数据进行预处理,基于海洋表面三维波浪斜坡的概率密度模型和菲涅耳反射定律来描述海表辐射状态,利用6SV辐射传输模拟工具来分析大气对偏振辐射状态的影响,将其与海表辐射状态耦合可得到大气顶偏振辐射状态,实现了对MERSI偏振辐射特性的反演。实验分析了MERSI在特定波段的偏振辐射特性,发现其偏振度随着卫星天顶角的变化呈现不对称分布,反射率误差随着卫星天顶角及偏振度的变化基本比较稳定;分析了MERSI在不同观测几何、风速风向下偏振敏感性的变化规律。     

海洋遥感偏振特性分布与偏振误差补偿方法

为了提高海洋水色卫星遥感的定量参数反演精度,确定入瞳处的偏振信号对传感器响应的影响逐渐受到重视。以Aqua-MODIS为例,分析了海洋卫星传感器大视场范围内的偏振特性分布,发现无论是大气程辐射还是考虑海表贡献的入瞳光,视场内偏振特性的变化与观测几何的变化密切相关。相比海表的偏振贡献而言,大气是偏振光的主要来源。在此基础上,研究了遥感器在不同偏振灵敏度条件下对入瞳处的偏振信号的响应以及由此引起的系统误差,发现只有当偏振灵敏度不超过2%时可以满足反演离水辐射产品的需要。提出了补偿大气偏振测量误差的方案,能够较好地提高卫星数据的利用率和遥感器的辐射测量精度。     

低轨道轻质星载一体化空间光学遥感器的热设计

根据空间光学遥感器的轨道特点和任务需求,通过仿真分析对其进行了热设计。考虑近地空间环境的特殊性,选择防原子氧布作为多层隔热材料的面膜。为减小遥感器框架上安装的星上设备对遥感器温度的影响,设计了大热阻安装结构并使用了聚酰亚胺隔热垫。根据离轴三反光学遥感器及星载一体化卫星的结构特点,划分了主动加热区域,分配了加热功耗。由于遥感器对地观测频率低、工作功耗小、工作时间短,CCD焦面组件不设置散热面。根据遥感器的轨道参数和姿态,确定了3个典型工况并对其进行了仿真分析和热平衡试验。结果显示,遥感器本体温度为（18±4）℃、光学元件温度为（18±2）℃、CCD温度≤30℃,得到的仿真分析结果和试验数据验证了遥感器热设计的有效性。     

利用QuickBird数据进行热红外遥感成像模拟的研究

针对基于机载热像仪图像或随机产生仿真场景的早期热红外成像模拟系统,提出了对高分辨率QuickBird图像进行星载热红外成像模拟的方法。基于高分辨率QuickBird图像,采用ISODATA法进行非监督分类,得到土地分类专题图,通过地物光谱数据库获得场景地物温度及发射率,从而可获得地面辐亮度图像;利用大气辐射传输软件MODTRAN对其进行大气修正,结合卫星遥感器辐射定标系数,最终可得到卫星遥感器输出图像。仿真结果表明,利用QuickBird进行热红外遥感成像模拟是一种全新而有益的尝试,对伪装效果检验等具有一定的参考价值。     

基于多源卫星多光谱遥感数据的过火面积估算研究

露天生物质燃烧是重要的大气污染物排放源,导致空气质量恶化并引起气候变化。卫星遥感数据能够提供大尺度、多时相的监测信息,然而燃烧火点监测和火烧迹地监测两种方式都存在着局限性。以美国东南部地区为研究区域,通过结合卫星遥感获取的高分辨率燃烧面积数据及多时相的燃烧火点数据,建立时空匹配模型估算露天生物质燃烧过火面积。通过分析植被燃烧前后的光谱变化特征,基于高分辨率的Landsat-5 TM4波段(0.84 μm)与7波段(2.22 μm)数据, 利用差分归一化燃烧比(dNBR: the differential normalized burn ratio)提取燃烧面积数据;而燃烧火点数据则通过分析燃烧植被的热红外光谱特征利用MODIS 4与11 μm波段数据提取。结果显示,该地区燃烧面积与燃烧火点数量之间相关系数达0.63,并且二者之间的比例关系随植被类型而发生变化,林地、草地、灌木、耕地和沼泽五种植被类型对应的像元燃烧面积分别为0.69,1.27,0.86,0.72和0.94 km2。通过与美国火灾中心(national interagency fire center, NIFC)地面调查数据比对,模型估算的美国东南部过火面积数据较为精确,而同期的MODIS燃烧面积产品(MCD45)及燃烧源清单产品(global fire emissions database, GFED)遗漏了该区域大量的小面积燃烧事件。因此,本研究建立的过火面积估算模型能够提供更为精确的排放源参数信息,有利于区域空气质量模式准确地模拟露天生物质燃烧排放状况。     

基于多时相MOD IS EV I和临近三年地面数据的新疆作物分类

在区域或全球尺度,250 m分辨率的MODIS EVI常被用于作物分类。而且,基于遥感数据可以快速准确的进行作物分类,并为辅助农业政策的制定,因而得到了广大研究者的关注。研究提出了直接使用多年MODIS 250 m EVI和临近年份地面调查数据进行作物分类的方法。首先,通过扩展2011,2012和2013年的野外调查数据获得全疆的典型地块,并从地块中提取M ODIS纯像元作为分类样本。接着使用免疫系统网络分类器（ABNet）提取研究取的主要作物,包括棉花、玉米、冬小麦和葡萄等。在三年的数据中,任意两年的地面数据用于训练分类器,用使用训练好的分类器对另一年的数据进行分类。例如,使用2011和2012年的数据训练分类器,并对2013年的数据进行分类。结果表明,每年的分类精度达80％以上,且Kappa系数高于0.7。今后工作中,仍需使用更多的地面数据获得更的更精细的分类结果。     

中国遥感卫星辐射校正场陆表热红外发射率光谱野外测量

中国遥感卫星辐射校正场陆表发射率光谱是利用陆表场地进行遥感器红外通道绝对辐射定标的关键因子之一。基于光谱平滑的温度与发射率分离反演迭代算法,利用高精度的BOMEM MR154傅里叶变换红外光谱仪和红外标准板,对敦煌戈壁陆表发射率光谱进行测量。获得了不同时间和地点测量的陆表发射率光谱数据,并与利用CE312通道式红外辐射计在相同区域的测量结果进行比较分析。结果表明各个通道发射率的差别均在0.012以内,具有较好的一致性。利用该发射率光谱测量结果,可以在敦煌戈壁——中国遥感卫星辐射校正陆面场,对目前国内外主流的遥感卫星热红外通道进行在轨场地绝对辐射定标。     

基于单通道算法的HJ-1B与Landsat 5 TM地表温度反演一致性研究

针对传感器参数与Landsat 5 TM较为相近的环境减灾卫星HJ-1B的热红外数据是否能达到与TM6反演地表温度同样的效果的问题,作者获取了2009年4月15日覆盖北京地区相同范围的HJ-1B影像和Landsat 5 TM影像,采用Ji m啨nez-Mu oz和Sobrino的普适性单通道算法,通过遥感数据获取反演参数,对研究区的地表温度进行反演,并对两类数据反演结果的一致性进行了分析和评价。通过对反演结果的统计分析和分级填图表明,基于普适性单通道算法的HJ-1B与TM的热红外波段反演的地表温度在数值上和空间分布趋势上一致性较高。因此,具有较高时间分辨率和较大幅宽等优势的HJ-1B IRS数据在地表温度反演方面具有更大的潜力和应用范围。     

人工神经网络结合多光谱遥感数据用于立地质量评价

多光谱遥感数据蕴含着大量的地表立地信息,而传统立地质量评价体系主要使用了人工地面调查数据。为了建立一套有效的立地质量评价体系,以内蒙古赤峰市旺业甸林场为研究对象,基于研究区域的多光谱遥感数据结合地面小班调查数据,采用一种改进的反向传播人工神经网络(back Propagation artificial neural network,BPANN)模型,以落叶松为例,建立了遥感光谱因子结合立地因子与地位指数关系的神经网络模型,对研究区域的小班进行立地质量评价研究。通过训练数据集的敏感度分析剔除弱相关或不相关的因子,简化了神经网络的规模,提高了网络的训练效率,得到了最优的地位指数预测模型,模型的预测精度达到95.36%,与使用传统小班调查数据建立的神经网络模型的预测结果进行了比较,精度提高了9.83%,说明使用多光谱遥感数据+小班调查数据确定的落叶松地位指数预测模型具有最高的预测精度。多光谱遥感数据十分适用于森林立地质量评价,改进BP神经网络具有理想的预测精度,充分证实了该方法的有效性和优越性。     

基于辐射传输模型的环境一号卫星CCD相机的水体大气校正方法研究

水体大气校正问题是开展我国环境一号卫星水色遥感定量化应用的关键。针对环境卫星CCD相机的特点,以水气耦合的辐射传输模型构建大气校正参数查找表,研究以地面气象数据辅助的逐像元水体大气校正方法,实现水体离水反射率和遥感反射比的反演。以现场测量数据和MODIS数据为参考进行水体大气校正效果验证,研究发现CCD相机的反演结果在蓝、绿波段的精度较高而红、近红的反演结果系统偏大。研究结果还表明气溶胶模型是影响水体大气校正精度的重要因素。     

热红外遥感图像中云覆盖像元地表温度估算研究进展

地表温度是描述陆表过程和反映地表特征的重要参数。及时掌握区域和全球尺度上的地表温度时空分布是许多地表过程研究和热红外遥感应用的必需。热红外遥感是地表温度快捷获取的最佳手段,但仅局限于天空晴朗无云情形。云覆盖致使热红外遥感不能直接获取云覆盖像元地表温度,其反演结果为云顶温度或附加了云辐射强迫效应后的地表温度。如何精准获取热红外遥感图像中云覆盖像元地表温度信息,成为热红外遥感地表温度反演和应用亟待完善的难题。文章系统详细回顾了国内外热红外遥感图像中云覆盖像元地表温度估算方法,评述了各方法的特性,并指出今后应加强加深热红外遥感与被动微波遥感融合技术、数据同化技术、尺度效应和算法参数化中普适性假定等四方面研究。     

The impacts of temperature and emissivity estimations on radiance-based calibration for HJ-1B/IRS TIR band

The IRS radiometer on the HJ-1B satellite of HJ-1 constellation has just a wide band (IRS B08) in thermal infrared spectral region between 10 and 12 μm. The onboard radiometric calibration of IRS B08 is implemented by periodically heating the blackbody of calibration system from normal temperature status (NTS) to high temperature status (HTS) for the lack of observation to deep space. Radiance-based vicarious calibration was taken as one point in two-point calibration method to substitute NTS for the instability of NTS. The estimation impacts of temperature and emissivity were analyzed by defining band matching factor k. The results indicate that their impacts were related to channel center wavelengths of reference and target bands. As to the reference band of CE312 B02, temperature impact of ±10 K estimated error on IRS B08 TOA radiance can be ignored while six substituted emissivities demonstrated their impacts can also be ignored. However, if CE312 B03 or B04 was taken as reference bands, the impacts cannot be ignored even emissivity-specimens of fresh water, sea water and blackbody were used as actual surface. Linear combination of two reference bands surrounding target band, such as CE312 B03 and B04 to IRS B08, significantly reduced the calibration uncertainty of using single reference band from 1.8 K and 2.5 K to 0.4 K. The vicarious calibration accuracy based on CE312 B02 is 0.25 K and the vicarious calibration coefficients could be used from August 2009 to August 2010.     

被动差分光学吸收光谱法监测污染源排放总量研究

研究了一种测量污染源污染气体(如SO2、NO2)排放总量的光学遥测方法,即采用被动差分光学吸收光谱(DOAS)系统在移动平台(如汽车)上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分光学吸收光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取柱密度,在结合测量时段的气象(风场)信息后获得污染气体的排放通量,最终得到排放总量。着重描述了获得烟羽垂直柱密度的差分光学吸收光谱方法以及污染气体排放通量的计算方法,并利用车载被动差分光学吸收光谱系统对某一热电厂SO2排放进行了外场测量,实验结果与在线设备的对比表明:这种基于被动差分光学吸收光谱光学遥测方法能够用于污染源排放总量的快速测量。     

基于光谱响应差异的HJ-1B热红外通道星上定标系数验证

HJ-1B卫星热红外通道自发射以来共进行了7次星上黑体定标,然而针对星上定标系数的验证工作开展较少。通过半高宽法、矩方法和查找表法计算得到2009年9月14日星上定标系数。以具有较高定标精度的MODIS为参考源,基于MODIS第31,32通道和HJ-1B热红外通道的光谱响应特性,改进对应热红外通道的光谱匹配算法,建立两传感器表观辐亮度的匹配关系,进而通过Planck公式计算出HJ-1B热红外通道的等效水表亮温,通过与HJ-1B热红外通道基于星上定标系数得到的反演水表亮温进行比较,实现对星上定标系数的验证。以光谱响应差异计算的等效亮温值为285.97 K,半高宽法、矩方法和查找表法星上定标系数反演亮温值分别为288.77,274.52和285.97 K。结果显示,半高宽法、矩方法和查找表法星上定标系数反演亮温与光谱响应差异计算的等效亮温偏差分别为2.8,-11.46和0.02 K。结果表明,HJ-1B热红外通道星上定标方法中以查找表法星上定标系数计算结果精度较高。同时证明了基于光谱响应差异的HJ-1B热红外通道星上定标系数验证方法有效可行。     

不同积雪深度与面积对积雪覆盖遥感反演的影响

针对利用多源遥感数据进行积雪覆盖监测的需要,在分析不同深度与面积的积雪实测光谱基础上,探讨了在利用NDSI方法进行积雪覆盖遥感监测时,不同积雪深度对其的影响,并以HJ-1B卫星以及MODIS卫星为例,研究了不同积雪面积对遥感积雪反演的影响。结果表明,积雪深度几乎对遥感积雪覆盖监测的结果没有影响,而在积雪面积方面,受所使用的遥感影像空间分辨率的制约,对遥感积雪监测的结果有一定影响。     

Absorption and Transmission Power Coefficients for Millimeter Waves in a Weakly Ionised Vegetation Fire

A vegetation fire plume is a weakly ionised gaseous medium. Electrons in the plume are mainly due to thermal ionisation of incumbent alkali impurities. The medium is highly collisional with free electron - neutral particle been the dominant particle interaction mechanism. Signal strength of an incident millimetre wave (MM-Wave) may be significantly attenuated in the plume depending on the extent of ionisation. A numerical experiment was set to investigate signal power loss of a MM-Wave incident on a simulated weakly ionised fire plume with flame maximum (seat) temperature ranging from 1000–1150 K. The simulated fire plume had alkali impurities (potassium) content of 1.0% per unit volume. MM-Wave frequency range investigated in the experiment is from 30–60 GHz. The simulation has application in the prediction of MM-Wave propagation in a crown forest fire and may also be applied in remote sensing studies of forest fire environments. Simulated attenuation per unit path length for the MM-Wave frequencies ranged from 0.06–24.00 dBm⁻¹. Phase change per unit path length was simulated to range from 2.97–306.17°m⁻¹ while transmission power coefficients ranged from maximum of 0.9996 for a fire plume at 1000 K to a minimum value of 0.8265 for a plume at a temperature of 1150 K over a plume depth of 1.20 m. Absorption power coefficient ranged from a minimum value of 0.0004 to maximum value of 0.1585 at a seat temperature of 1150 K over the plume depth.     

一个L波段海表盐度遥感反演的新经验模式

海表盐度是描述海洋的一个重要参量，海表盐度的微波探测是海洋遥感研究的重要内容.利用黄海实测盐度数据和海表亮温资料，建立了一个适用于黄海近岸的盐度反演模式.在没有海浪破碎情况下，利用L波段的亮温资料反演海洋表层盐度.本模式充分考虑了海面粗糙度的影响，从海水亮温和海水的介电常数反演的表层盐度和实测的表层海水盐度基本一致，其平均绝对误差为0.288psu，与同类模式相比具有较高的精度. 关键词： 盐度 亮温 辐射率 介电常数