超光谱红外卫星资料同步反演不同地表类型的大气廓线、地表温度和地表发射率

大气温度、水汽、地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化,同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、地表水分蒸发与循环、能量平衡、地表成分及物理性质、气候变迁与全球环境提供重要参数指标。把大气和地面作为一个整体系统来考虑,建立一种能同步反演大气温度廓线、大气水汽廓线、地表温度和地表发射率的反演方法,利用超光谱红外卫星资料(atmospheric infrared sounder, AIRS),针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率。反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱,有效减少反演变量数,建立同步物理反演模式,然后以美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的预报结果(初始大气温度、水汽廓线以及地表参数)作为初始值,最后通过牛顿迭代得到最优化解。反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地,分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站(纬度38.98°, 经度83.64°)和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站(纬度44.2°, 经度87.9° )为反演地面验证点。反演结果表明,塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度,与实际情况相一致;根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况,可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率,在6～15 μm范围内,反演的沙漠地区(塔中站)地表发射率和雪地地区(阜康站)地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。研究表明,把大气和地面作为一个整体系统来考虑,把地表发射率加入到反演中,通过比较和分析沙漠地区(塔中)和雪地地区(阜康)的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值,改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度,特别是边界层温度和水汽改进尤为明显;同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高,这是由于地表发射率光谱在沙漠、戈壁地区变化较大,而雪地的发射率光谱变化不大。用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区(沙漠)同步反演大气廓线、地表温度和地表发射率,可以更有效的提高大气温度廓线、水汽廓线的反演精度。该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。     

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。     

基于非负矩阵分解的中红外地表特性光谱重建方法

在中红外遥感领域,高光谱地表反射率/发射率等地表特性具有极高的应用价值和应用需求,但利用卫星遥感手段难以获取吸收波段的高光谱地表反射/发射特性,且通过光谱重建获取全波段的地表特性方法仍存在很多问题。为解决中红外全波段地表特性光谱重建所面临的难题,基于约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University, JHU)地物波谱库和中分辨率成像光谱仪(MODIS)短波红外和中红外地表多光谱卫星产品,提出了一种利用非负矩阵分解(NMF)重建高光谱地表反射率的方法,对2.5～5.0μm中红外光谱范围内的地表反射/发射率进行光谱重建,重建后的光谱分辨率可达10 nm。首先基于JHU地物波谱库选取4种典型地物类型(土壤、植被、人造材料和岩石),建立地物光谱库样本信息,再利用MODIS传感器光谱响应函数,根据等效计算公式将2.0～5.0μm波段范围反射率结果重采样到10 nm光谱间隔、共301个波段,得到JHU地表反射率光谱数据集。对光谱数据集进行非负矩阵分解处理,提取4条端元向量光谱曲线,结合MODIS短波红外和中红外4个波段(2.13、 3.75、 3.96和4.05μm)的全球月均地...     

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HJ-1-CCD数据的地表反射率反演与验证

环境一号卫星OCD相机(HJ-1-CCD)30m的空间分辨率在地物识别中具有潜在优势,然而由于缺少短波红外通道,利用暗像元法反演地表反射率较为困难.基于北京与珠三角地区的地物光谱试验,获得暗像元的植被指数与红、蓝波段反射率比值,构建基于辐射传输模型的大气校正算法.为了验证算法精度,将北京地区卫星反演值与实测的草坪、水体...     

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.     

基于改进非线性劈窗算法的VIIRS中红外海面耀斑区反射率计算

传感器入瞳处接收到的中红外波段(3~5 μm)能量包含反射的太阳能量与地物自身的发射能量。通常该波段反射的太阳能量很弱,但在海面太阳耀斑区等特定情况下,被中红外通道探测到的反射太阳能量是比较可观的,且其对大气影响的敏感性较低,同时,对于搭载有在轨定标系统的卫星传感器,使用黑体定标后的中红外波段的在轨辐射性能相当稳定的。因此,考虑将中红外波段的海面耀斑区反射率作为用于反射太阳波段交叉定标的基准。基于这个想法,构建了改进的、适用于VIIRS(visible infrared imaging radiometer)中红外波段的非线性劈窗模型来计算南印度洋海面耀斑区中红外反射率。首先统计得到VIIRS M12和M13波段海面反射率的限定关系,然后使用非线性劈窗算法模拟计算海面反射率,模拟模型的不确定度为0.83%。在此基础上使用VIIRS的M12波段(中心波长为3.697 μm)太阳耀斑区数据计算选取的样本区的海面反射率。然后使用两种方法对反射率精度进行验证,精度分别为0.29%和0.23%,假设M12和M13波段海面反射率相等的反射率计算结果精度分别为2.48%和1.03%。该计算模型大大提高了精度,说明该模型用于VIIRS M12中红外波段计算海洋耀斑区反射率是有效可行的,其精度能够满足中红外波段海面反射率作为波段间定标基准的需求。     

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。     

自然状态下水泥路面温度与其发射率耦合关系研究（英文）

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。     

利用FTIR和MODIS数据估算塔克拉玛干沙漠宽波段地表比辐射率

分析并提供了一个利用MODIS窄波段数据,估算地表宽波段(8～14 μm)比辐射率的最优估算方程,并根据该方程获得了塔克拉玛干沙漠地区地表比辐射率特征分布情况。首先,沿塔克拉玛干沙漠的两条南北穿越公路,使用傅里叶变换热红外光谱仪(FTIR),选取20个观测点,获取实测的地表宽波段比辐射率。其次,利用MODIS温度产品MOD11A1和MOD11C1热红外区域第29,31和32波段和MOD09A1近红外区域第7波段数据,建立待定系数的地表宽波段比辐射率多元线性回归估算方程。通过FTIR的观测值和MODIS数据确定该估算方程的系数,并进行误差分析。研究发现,使用FTIR观测值,由MODIS第29,31和32波段数据的线性回归方程,可以产生高精度的地表宽波段比辐射率。加入MODIS第7波段后,新的线性回归估算方程的精度更高,均方根误差RMSE为0.004 5,平均偏差Bias为0.000 1。与文献中的其他六种估算方程横向对比,RMSE和Bias分别比其他六种估算方程低1和2个数量级。最后,利用该估算方程获得了研究区的地表比辐射率分布图,结果显示,沙漠中心区域的值为0.880～0.910,平均值为0.906;有稀疏植被区域的值为0.910～0.940;靠近沙漠边缘的绿洲的值为0.950～0.980。     

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。     

目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响

介绍了红外热像仪测温原理,分析了影响红外热像仪测温精度的因素,计算了不同表面发射率下红外热像仪的测温误差曲线。理论分析表明,目标表面发射率越高,红外热像仪测温精度越高。实验改变表面发射率的设置,计算了不同表面发射率对应的总辐射亮度,得到TP8型长波红外热像仪能够精确测温时,目标表面发射率必须大于0.5的结果。最后,对表面发射率分别为0.96、0.93和0.3的3种材料进行实际测温,结果表明,材料表面发射率较高时,红外热像仪具有较好的测温精度。     

目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响

介绍了红外热像仪测温原理,分析了影响红外热像仪测温精度的因素,计算了不同表面发射率下红外热像仪的测温误差曲线。理论分析表明,目标表面发射率越高,红外热像仪测温精度越高。实验改变表面发射率的设置,计算了不同表面发射率对应的总辐射亮度,得到TP8型长波红外热像仪能够精确测温时,目标表面发射率必须大于0.5的结果。最后,对表面发射率分别为0.96、0.93和0.3的3种材料进行实际测温,结果表明,材料表面发射率较高时,红外热像仪具有较好的测温精度。     

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...     

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。     

观测角度对岩石热红外光谱解混影响的实验研究

岩石定量遥感是矿产资源探测与地质环境监测的主要手段,光谱解混是岩矿定量遥感的重要方法。在实际应用中,由于卫星对地观测受地形起伏的影响,观测具有一定的角度,导致所测发射率光谱产生变异。但在目前的研究中,解混所采用的矿物端元光谱,是在实验室垂直试样表面观测得到的,忽略了观测角度对发射率光谱的影响,降低了光谱解混精度。因此,有必要将观测角度作为影响岩石光谱解混的因素,研究其对光谱解混精度的影响。首先,将常见的石英、正长石和斜长石矿物表面制作成一般粗糙度,并设计0°~77°共9个观测角度实测发射率光谱,分析观测角度对矿物热红外光谱特征的影响。其次,利用观测角度13°~77°的矿物端元,构建相应角度虚拟岩石光谱,并用0°的矿物端元光谱解混9个观测角度的岩石光谱,分析观测角度对岩石热红外光谱解混的影响。结果表明：(1)在0°~20°范围,观测角度对光谱影响较弱,从30°开始,影响显著。基本规律是：随着角度的增加,光谱吸收深度增加,但各波段处的情况不尽相同。CF特征在观测角度大于50°之后向短波方向移动明显;RF特征处的吸收谷在观测角度大于20°之后显著加深,且谷底位置向短波方向移动;TF特征在观测角度大于40°之后发射率显著降低。表明观测角度的变化,会引起光谱特征的明显变化。(2)在0°~20°范围内,观测角度对光谱解混影响不明显,解混误差小于5%;当观测角度大于20°时,观测角度对光谱解混有显著影响,30°~77°解混误差均大于5%,平均解混误差达到17.2%,解混精度较低。这表明,在基于光谱解混方法进行岩石矿物组分定量反演时,需要考虑观测角度的影响,这对于提高反演精度、准确确定岩石类型具有重要意义。