基于POLDER数据反演陆地上空气溶胶光学特性

针对利用POLDER数据反演陆地上空气溶胶光学特性和地表反射率进行研究.POLDER探测器能够提供可见光到红外的地气系统反射太阳光的反射率和偏振反射率的多方向数据.发展了一种基于多角度的总反射率和偏振反射率联合反演气溶胶光学参数的算法,根据倍加累加法矢量辐射传输模式构建查找表,反演过程中还考虑了测量数据的云检测处理,气体吸收校正和平流层气溶胶校正,通过865 nm波段总反射率和偏振反射率的模拟计算值和实际测量值的对比实现局部区域的气溶胶光学特性参数和地表反射率分布图的同时反演.并用CNES提供的POLDER气溶胶产品对反演结果进行了验证,该方法能够得到气溶胶光学厚度、折射指数、粒子有效半径和地表反射率较合理的反演结果.     

基于航空偏振相机的海上气溶胶光学特性反演与验证

采用基于逐次散射法的矢量辐射传输模型,通过求解矢量辐射传输方程,分析了影响海面上空气溶胶光学参数反演的主要因素。根据海洋大气气溶胶模型,通过构建多参数的反射率和偏振反射率查找表,给出了用于海上气溶胶光学参数反演的查找表迭代查找法。利用自主研制的多角度航空偏振相机在渤海湾上空航拍的偏振辐射数据,反演获得了该海域550nm波段的气溶胶光学厚度和ngstrm波长指数,其均值分别为0.441和1.15。通过与布置在京津塘周边的多个地基CE318太阳辐射计同步观测数据进行的对比校验发现,两者间具有很好的一致性,说明反演方法针对海天背景的实际问题的考虑和处理过程切实可行。     

海洋气溶胶多角度偏振辐射特性研究

海洋气溶胶是对流层气溶胶的重要组成部分,对全球的辐射收支平衡及气侯变化均有重要的影响。评价气溶胶的直接与间接辐射效应需要对气溶胶的性质进行深入的研究。多角度偏振为气溶胶光学物理性质研究提供了新的方法。在对可见光550 nm和近红外860 nm波段处海洋气溶胶的光学性质的研究基础上,采用矢量辐射传输模型模拟了TOA（top of atmosphere）反射率和偏振反射率与下垫面性质、观测方位角、气溶胶光学厚度之间的敏感性。模拟结果表明,海洋型气溶胶的多角度偏振信息可以有效地体现气溶胶的光学性质,可以利用多角度偏振遥感信息进行海洋气溶胶的反演,为利用多角度偏振遥感数据进行海洋气溶胶提供了理论基础。     

基于航空多角度偏振辐射计遥感数据评估陆地表面偏振反射模型

运用新研制的大气多角度偏振辐射计(AMPR)获得航空遥感数据并结合实验室测量数据对常用的三种地表偏振模型进行评估,分析地表偏振反射率的波段响应和角度响应特征。实验发现偏振反射率对波段变化的响应很小,该结论得到85%以上飞行数据的气溶胶反演结果支持。实验室数据中,波长变化1nm的黄棕壤和红沙土的偏振反射率改变量仅分别为2.43×10-6和1.47×10-6。在角度响应特征上,三种模型都与实验数据符合得很好,高植被覆盖率时三种模型与实际测量数据的偏差较小。分别对三种模型的航空数据进行拟合,Nadal和Bréon(NB)开发的地表偏振反射率模型与飞行数据符合得最好,拟合偏差约是其他两个模型的一半,NB模型能够更精确地描述地表偏振反射的特性。     

海洋气溶胶多光谱偏振特性研究

为提高海洋气溶胶的反演精度,定量研究了气溶胶在可见近红外波段的多光谱偏振辐射特性。首先建立了合理的海洋气溶胶及海面模型,基于逐次散射法准确模拟了光在气溶胶中及大气—海洋交界面处的矢量辐射传输过程,接着从光谱角度定量分析了典型波段处的反射率和偏振反射率,在此基础上提出了海洋气溶胶偏振辐射的光谱分布模型,并用卫星数据对模型进行验证,最后研究了气溶胶光学厚度、观测角度、海水叶绿素a浓度和海面风速对气溶胶多光谱偏振辐射的影响。研究表明,在可见近红外波段不考虑大气吸收和耀斑效应时,气溶胶偏振辐射的光谱变化符合幂函数模型;在不同波段处,海洋气溶胶的偏振辐射受海水叶绿素a浓度和海面风速的影响不同;海洋气溶胶的多光谱偏振辐射信息有效体现了气溶胶的自身特性,且与反射率相比,偏振反射率随各因素的变化存在更明显的谱段差异性。因此,可以运用气溶胶的多光谱偏振信息反演海洋气溶胶参数,多光谱探测的加入对提高气溶胶反演精度具有重要意义。     

基于辐射传输优化模型的二类水体大气校正

遥感影像的大气校正是水色参数反演的前提。以太湖为研究区,采用6S大气辐射传输模型以及近红外波段离水反射率模型相结合的方法。通过神经网络模拟大气辐射传输过程,并利用中分辨率成像光谱仪(MERIS)754、779、865、885nm 4个近红外波段进行光谱优化,求算550nm处气溶胶光学厚度等变量。通过外推,实现可见光波段的大气校正。将2007年11月11日、20日、21日,2008年11月20日MERIS Level 1p影像以及野外实测水体遥感反射率数据集用于精度验证,结果表明,该方法能够较好地反演水体遥感反射率光谱,校正后的13个波段的平均相对误差大多分布在20%~40%之间。与6S以及Beam 4.9软件自带的大气校正方法相比,具有较高的校正精度和较强的稳定性,在太湖有较好的适用性。     

大气气溶胶偏振遥感研究进展

POLDER-1是国际上第一个可以获取偏振光观测的星载对地探测器, 随着POLDER/PARASOL等偏振仪器的应用, 偏振遥感在国际上已成为一个快速发展的研究领域, 并在大气气溶胶监测等方面发挥了重要的作用, 取得了一系列研究成果。从POLDER/PARASOL,APS(aerosol polarimetry sensor)和航空偏振相机、地基偏振观测平台三个方面综述了大气气溶胶偏振遥感近20年(1993-2013)的研究进展, 重点介绍: (1)POLDER/PARASOL陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; POLDER/PARASOL气溶胶光学厚度(AOD)产品精度验证、应用以及与MODIS等卫星AOD产品的对比分析。(2)MICROPOL,RSP和APS陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; 国产多角度航空偏振相机(directional polarimetric camera, DPC)的气溶胶参数反演算法。(3)CE318-2和CE318-DP的气溶胶地基偏振反演算法。其中卫星、航空和地面气溶胶参数反演的结果包括总的AOD、细粒子AOD、粗粒子AOD、粒子谱分布、粒子形状、复折射指数、单次散射反射率、散射相函数、偏振相函数以及云顶AOD。在以上研究基础上, 提出了大气气溶胶偏振遥感研究存在的问题及展望, 为大气气溶胶偏振遥感研究提供有价值的参考。     

多角度偏振遥感相机DPC在轨偏振定标

为了做好卫星数据应用的技术储备,多角度偏振遥感相机DPC航空预研版已经研制成功并完成了航空飞行实验. DPC相机用于获取地气系统反射的偏振、多角度的太阳辐射信息,其地气物理参数反演依赖于定标的精度. 偏振相机的辐射定标包括强度和偏振两个方面. 本文研究偏振遥感相机的偏振参数的在轨定标原理与方法. 基于偏振遥感相机的设计原理,以相机的偏振辐射模型为基础,探索偏振定标的原理和方法. 使用DPC航空遥感实验数据,初步实现了在轨偏振定标并对定标结果进行了分析. 为将来我国自主星载偏振遥感数据处理和在轨偏振定标提供 关键词： 偏振定标 遥感 在轨定标 DPC     

基于多角度偏振载荷数据的中国典型地物偏振特性研究

相对于传统的光学遥感, 多角度偏振遥感不仅可以获取辐射强度信息, 而且可以获取偏振强度信息. 基于多角度偏振卫星载荷观测的中国典型地物的偏振反射率数据, 获取了地表偏振双向反射模型——Nadal模型的中国区域模型参数值. 在此基础上, 基于修正的Nadal模型研究了中国区域森林、草地、沙漠三种典型地物的多角度偏振特性. 研究表明: 1)各地物的偏振反射率均随着散射角的增大而减小, 随着太阳天顶角和卫星观测天顶角的增大而增大; 2)森林、草地和沙漠三种典型地表偏振反射率存在明显差别, 森林的偏振反射率最低, 草地的偏振反射率次之, 沙漠的偏振反射率大约为森林的两倍; 3)不同地物之间的偏振反射率差值均随着卫星观测天顶角和太阳天顶角的增大而增大. 研究结果可为基于多角度偏振遥感数据探测地表偏振特性和反演气溶胶参数提供先验知识.     

敦煌辐射校正场反射辐射偏振特性研究

卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量(例如地表反射率、地表辐亮度等)对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性, 场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式, 测量了敦煌场490 nm和670 nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明, 敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关, 490 nm波段偏振度明显大于670 nm波段。490 nm和670 nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内, 前向散射区偏振度大于后向散射区, 并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100 m区域的场地反射辐射局部均匀性, 均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。     

基于6S模型的遥感影像逐像元大气纠正算法

大气纠正的目的是从遥感影像中去除大气影响,并反演获取地物真实反射率。介绍了一种逐像元对遥感影像进行大气纠正的算法,该算法基于6S(Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum)大气辐射传输模型计算建立的查找表(look-up table),并利用地面暗目标(dark object)进行陆地气溶胶光学厚度的自动反演,由于气溶胶的分布具有空间连续性,在获取地面暗目标气溶胶光学厚度值后,通过空间插值的方法计算影像中非暗目标像元的气溶胶光学厚度值,经过查找表二次插值计算,逐像元进行大气纠正并获取像元地表反射率值。以Landsat5遥感影像为例,介绍了算法流程,展示了大气纠正的结果。结果显示,利用查找表逐像元大气纠正的算法,能够在一定程度上去除云雾对影像的影响,更加精确的对遥感影像进行大气纠正并获取地物的真实反射率。     

利用MODIS卫星资料反演北京地区气溶胶光学厚度

大气气溶胶是影响城市环境空气质量的重要因素,同时对人类健康具有重要影响。传统的气溶胶遥感反演方法多适用于海洋及植被等地表反射率较低的区域,对于城市等高亮地表区域,地表反射率较高且难以确定,气溶胶反演面临巨大挑战。针对该问题,提出一种新的地表反射率的确定方法,将下垫面划分为暗地表和亮地表两种类型,分别使用可见光与短波红外的线性关系和利用长时间序列MODIS表现反射率数据使用最小值合成技术构建先验数据集的方法,确定其地表反射率,然后基于辐射传输方程理论利用查找表方法,进行气溶胶光学厚度反演。选择下垫面复杂、空气污染问题严重的北京市作为研究区,应用MODIS数据进行气溶胶反演实验,最后使用北京站、香河站、北京CAMS站和北京RADI站4个AERONET气溶胶地基观测数据和MODIS气溶胶产品对反演结果进行对比验证。结果表明该算法气溶胶反演结果与地基观测数据具有较高的一致性（R2=0.902）,能以较高精度实现城市等高反射率地区的气溶胶反演,反演精度与空间连续性上较MOD04有显著提高。     

近红外通道辐射测量误差对水体大气校正的影响

一类水体的标准大气校正算法利用两个近红外通道(748和869 nm)的辐射比值选择气溶胶模型,然后外推估算各波长的气溶胶贡献,实现离水反射率的反演。两个近红外通道的辐射探测值的不确定性会直接影响反演精度。从数学形式上研究近红外通道测量误差在大气校正中的传递机制,通过敏感性试验分析不同光学厚度和气溶胶模型条件下离水反射率的反演误差分布。结果表明,两个近红外通道的测量误差组合情况对反演结果精度影响程度不同,同号时误差较小,异号时误差较大;气溶胶模型中的细粒子组分越多,反演的误差越大;光学厚度越大,反演误差也越大。     

基于星载激光雷达数据的海面风速探测

使用新版(Version 3.01)星载激光雷达CALIPSO Level 1剖面数据和Level 2的大气气溶胶光学厚度(AOD)数据反演全球海面风速。将AOD数据用于大气双程透射率的校正。对CALIPSO所采集的2007年1月、4月、7月和10月532nm波长无云激光测量数据进行应用计算,采用532nm退偏比经验修正海面白帽及水下次表层水体散射的影响,同时选用准同步的AMSR-E海面风速测量值为真值进行对比。对应2007年的4个月,由CALIPSO星载激光雷达532nm单脉冲测量数据反演海面风速的标准偏差分别为1.24、1.24、1.24、1.20m/s,由5km滚动平均数据反演海面风速的标准偏差分别为0.98、1.02、0.98、0.94m/s。结果表明,采用的数据反演方法可行且数据利用率得到提高。     

一种改进的遥感影像地形校正物理模型

遥感影像地形校正是提高光谱反射率反演精度的一个重要的预处理步骤。目前已经出现了多种遥感影像地形校正模型,这些模型各有优缺点。针对现有地形校正模型存在的问题和不足,在Shepherd地形校正模型的基础上,利用更高精度的天空散射辐射计算方法对其加以改进。将改进的地形校正模型和6S大气辐射传输模型相结合以2006年7月12日北京北部山区的Landsat 5 TM影像为数据源进行了地表光谱反射率反演试验。从三个方面对遥感影像地形校正效果进行了检验,结果表明该改进模型能够取得较好的地形校正效果,校正效果优于Shepherd和C校正模型。该改进模型是一种物理模型,可以应用于各种光学遥感影像。     

Iterative atmospheric correction scheme and the polarization color of alpine snow

Characterization of the Earth's surface is crucial to remote sensing, both to map geomorphological features and because subtracting this signal is essential during retrievals of the atmospheric constituents located between the surface and the sensor. Current operational algorithms model the surface total reflectance through a weighted linear combination of a few geometry-dependent kernels, each devised to describe a particular scattering mechanism. The information content of these measurements is overwhelmed by that of instruments with polarization capabilities: proposed models in this case are based on the Fresnel reflectance of an isotropic distribution of facets. Because of its remarkable lack of spectral contrast, the polarized reflectance of land surfaces in the shortwave infrared spectral region, where atmospheric scattering is minimal, can be used to model the surface also at shorter wavelengths, where aerosol retrievals are attempted based on well-established scattering theories.In radiative transfer simulations, straightforward separation of the surface and atmospheric contributions is not possible without approximations because of the coupling introduced by multiple reflections. Within a general inversion framework, the problem can be eliminated by linearizing the radiative transfer calculation, and making the Jacobian (i.e., the derivative expressing the sensitivity of the reflectance with respect to model parameters) available at output. We present a general methodology based on a Gauss–Newton iterative search, which automates this procedure and eliminates de facto the need of an ad hoc atmospheric correction.In this case study we analyze the color variations in the polarized reflectance measured by the NASA Goddard Institute of Space Studies Research Scanning Polarimeter during a survey of late-season snowfields in the High Sierra. This insofar unique dataset presents challenges linked to the rugged topography associated with the alpine environment and a likely high water content due to melting. The analysis benefits from ancillary information provided by the NASA Langley High Spectral Resolution Lidar deployed on the same aircraft.The results obtained from the iterative scheme are contrasted against the surface polarized reflectance obtained ignoring multiple reflections, via the simplistic subtraction of the atmospheric scattering contribution. Finally, the retrieved reflectance is modeled after the scattering properties of a dense collection of ice crystals at the surface. Confirming that the polarized reflectance of snow is spectrally flat would allow to extend the techniques already in use for polarimetric retrievals of aerosol properties over land to the large portion of snow-covered pixels plaguing orbital and suborbital observations.     

基于清洁水体像元法的环境-1A卫星CCD水体图像大气校正

环境卫星(HJ-1A/B)的CCD图像数据在内陆水环境遥感监测中具有很大的潜力,但它的大气校正的精度是影响其定量化应用的重要因素.文章以上海淀山湖地区HJ-1A卫星搭载的CCD1多光谱数据为应用实例,首先实现了瑞利散射的精确计算,在气溶胶散射的计算中,由于内陆湖泊Ⅱ类水体的光学特性,致使环境星CCD数据的近红外波段的离...     

耦合京津冀气溶胶模式的HJ-1卫星CCD数据大气校正

针对目前HJ-1 CCD大气校正没有考虑中国地区气溶胶模式的问题,提出一种耦合中国地区局部气溶胶模式的大气校正方法。以京津冀地区作为研究区域,该方法对地基北京城区和香河站点反演的气溶胶模式参数进行聚类,得到京津冀地区具有代表性的四类气溶胶模式,并根据四类气溶胶模式来建立查找表进行气溶胶光学厚度的反演。HJ-1 CCD数据没有短波红外波段(2.12 μm),无法采用MODIS的气溶胶算法中获得地表反射率的方法来计算蓝红波段的反射率,本文在气溶胶光学厚度的反演中采用HJ-1卫星的蓝色(0.43~0.52 μm)和红色(0.63~0.69 μm)波段的反射率比值作为误差方程的依据,不需要输入地表目标的反射率。基于反演后的光学厚度对HJ-1 CCD数据进行大气校正,并与ASD光谱辐射计测量数据以及MODIS地表产品数据(MOD09)进行对比。结果表明,该方法得到的大气校正结果与ASD测量结果接近,并与MOD09有较强的相关性,红色波段的平均相关系数达到了0.8以上,受气溶胶影响最大的蓝色波段平均的相关系数也达到了0.75左右。     

Determination of the concentration of aerosol particles in a vertical atmospheric column from satellite measurements of the spectral optical depth

We propose a method for fast retrieval of the inhalable particle concentration (PM_2.5 and PM₁₀) in a vertical atmospheric column from satellite measurements of the aerosol optical depth (AOD) without using a priori assumptions concerning the refractive index and the aerosol particle size distribution function. The method is based on a polynomial regression between PM_2.5, PM₁₀, and AOD at the wavelengths 466 nm and 644 nm, established from AERONET data. We have studied the sensitivity of the method to errors in the optical measurements and have estimated the errors in retrieval of PM_2.5 and PM₁₀ for different atmospheric situations. We carry out parametrization of the regressions on the value of the integrated air moisture content.