基于星载偏振交火模式的气溶胶层高被动遥感成像反演信息量分析

为探究高精度偏振扫描仪（POSP）在偏振交火模式下紫外波段对气溶胶层高（ALH）的探测能力,基于最优估计理论和信息量分析方法,分析了紫外和近紫外波段模拟仿真数据对ALH的灵敏度,并进一步讨论了不同观测组合对ALH信息量和后验误差的影响。研究结果表明：拓展的紫外波段是卫星遥感ALH反演的重要信息源,进一步增加380 nm偏振探测后,ALH的信息自由度（DFS）提高了0.06～0.26,同时后验误差降低了5～30个百分点;联合近紫外410 nm探测信息后,ALH反演后验误差额外降低了7～10个百分点,尤其增加了标高H较低时ALH的反演信息量;观测信息对标高的敏感度随着卫星观测散射角的增大而逐渐降低;粗模态主导的气溶胶、裸土地表相较细模态主导的气溶胶、植被地表来说提供的ALH信息量更少。总体来说,虽然ALH信息量受到气溶胶类型影响表现出了一些差异,但是不同气溶胶类型间ALH信息量受地表类型和偏振测量等的影响通常是相似的。     

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。     

高分五号卫星多角度偏振相机最优化估计反演:角度依赖与后验误差分析

多角度偏振相机(directional polarimetric camera, DPC)随高分五号卫星已经成功发射并持续获取全球观测数据.针对DPC在陆地气溶胶反演领域的应用需求,本研究基于多参数最优化估计反演框架,引入信息量和后验误差分析工具,讨论了DPC观测信息量对角度的依赖,给出了地表和气溶胶参数的后验误差,并分析了后验误差的影响因素.研究表明:1)卫星观测信息量随观测角度个数的增加显著提升, DPC多角度观测比单角度观测的总DFS(degree of freedom for signal)平均提高了5.45; 2)气溶胶反演比地表更依赖于卫星观测几何,散射角覆盖范围越大,观测包含的气溶胶信息量越多; 3)反演参数的后验误差随观测角度个数的增加显著降低,而气溶胶模型误差对后验误差的影响并不显著.总体来说,观测误差是影响反演结果不确定性的主要因素.本研究对DPC多角度偏振观测的反演能力以及反演不确定性进行了系统的定量评估,为DPC在轨测试及反演算法开发提供参考.     

基于遥感观测的折射指数光谱特性反演大气气溶胶中沙尘组分含量

矿物沙尘是气溶胶的重要化学组分,对气候和环境都有重要影响。本文基于2010年的北京AERONET站点的气溶胶产品资料,分析了复折射指数在440～1 020nm范围内的变化特性,发现实部(n)在各个波段的取值差异不大;而虚部(k)由于受到矿物沙尘吸收的影响从440到670nm呈现出明显下降的趋势。据此,将k(440nm)与其他波段的值分开考虑,增加了一维信息量,从而能将目前基于复折射指数反演气溶胶化学组成的三组分模型(水、黑碳、硫酸铵)扩展为包含矿物沙尘的四组分模型,解决了以往在粗粒子较多时无法进行化学成分反演的难题。针对北京沙尘、灰霾、晴朗三种典型天气进行了气溶胶中沙尘组分的反演试验,获得的体积比例分别为88%,37%和48%,与基于气溶胶粒子体积谱分布计算的粗粒子比例的相对大小具有很好的一致性。     

气溶胶对天空光偏振分布的影响

研究了气溶胶对大气偏振分布的影响。基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模式,对不同气溶胶条件下的偏振分布模式进行了仿真。利用图像式测试系统,对实际大气条件的偏振模式进行了测试,分析了气溶胶质量浓度变化对偏振模式的影响。结果表明,偏振度受气溶胶质量浓度的影响较大,随着气溶胶质量浓度的升高,偏振度不断变小。当PM10的质量浓度由27μg/m~3增加到53μg/m~3再增加到103μg/m~3,PM2.5的质量浓度由9μg/m~3增加到28μg/m~3再增加到66μg/m~3时,最大偏振度值平均减小了约25%。气溶胶对偏振方位角几乎没有影响,偏振方位角的分布稳定。     

基于多角度多光谱Stokes参数Q和U测量反演气溶胶偏振相函数

偏振相函数是气溶胶重要的光学参数之一,它对气溶胶复折射指数、粒子尺度和形状都十分敏感。多角度多光谱偏振遥感可以有效获取气溶胶偏振相函数信息。新一代CIMEL太阳-天空偏振辐射计CE318-DP作为高精度地基气溶胶偏振遥感仪器已被引入全球气溶胶自动观测网AERONET(AErosol RObotic NETwork),并作为扩展多波长偏振测量的太阳-天空辐射计观测网SONET(Sun/sky-radiometer Observation NETwork)的主要仪器,已在不同类型气溶胶观测站点积累了多年的偏振数据。但目前偏振反演仅能利用线偏振度或偏振辐亮度。与线偏振度和偏振辐亮度相比,Stokes参数Q和U不仅包含天空光线偏振强度信息还包含偏振方向信息。利用CE318-DP多光谱多角度测量的天空光Stokes参数Q和U反演气溶胶偏振相函数的方法。针对CE318-DP标准主平面偏振观测模式PPP(Polarized Principal Plane)下Stokes参数U对气溶胶特性变化不敏感、信息难以利用的不足,测试了新的平纬圈偏振扫描模式ALMP(ALMucantar Polarization)获取Stokes参数Q和U,并成功应用于偏振相函数的反演。系统分析了340～1 640 nm多光谱通道上典型生物质燃烧型气溶胶和水溶性气溶胶的-P₁₂/P₁₁反演结果并测试了反演方法在晴朗和灰霾不同大气条件下的适用性。无论在主平面还是平纬圈观测几何下,反演结果在可见光和近红外通道上均与真实值具有较好的一致性。进一步讨论了模型中基于气溶胶参数初始值和大气气溶胶参数真实值计算的“大气单次散射/大气散射”的比值近似相等的假设条件在短波通道不能很好地满足是造成紫外波段反演结果偏差较大的原因之一。后续有待进一步提高反演模型在短波通道的适用性,为利用不同光谱通道上-P₁₂/P₁₁的变化特征改进气溶胶微物理参数反演奠定了基础。     

遥感遥测中偏振信息的研究进展

偏振是光的固有特性之一。地球表面和大气中的任何目标物在与光相互作用的过程中,由于目标物的表面结构、内部结构以及光入射的角度不同,都会产生其自身性质决定的特征偏振。而偏振遥感探测就是以目标物辐射能量的偏振特征作为探测信息,可以在复杂的背景中提取目标的七维信息并很好地分辨目标物上低反射区域和目标轮廓,解决了传统遥感所不能解决的大气探测和伪装识别方面的问题,具有良好的应用前景。文章介绍了偏振遥感遥测的机理,详细阐述了偏振探测的理论模拟、偏振遥感探测仪以及偏振遥感探测技术在大气探测、地球资源探测、海洋表面与水下探测、生物医学、天文探测、军事等领域应用的国内外研究概况、水平和发展趋势,归纳了目前存在的问题,并指出目前国内外偏振探测技术的研究方向,以期为后续的同类研究提供参考。     

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。     

湿度影响下的气溶胶粒子的偏振特性

气溶胶散射特性对大气辐射和气候研究具有重要意义。为研究气溶胶在不同相对湿度下的散射特性,根据Mie散射理论建立了湿度偏振模型,在0.55μm的可见光下,分析比较了3种气溶胶的单粒子和粒子群在不同相对湿度下的偏振特性。结果表明,相对湿度变化对气溶胶偏振度有规律性的影响,尤其在120°～150°的后向散射角区域,3种粒子偏振度都随相对湿度的增大而增大,说明了部分后向散射角上散射光偏振度能有效反映气溶胶粒子随相对湿度变化的信息。     

气溶胶散射特性及其影响下大气偏振模式变化分析

气溶胶光学特性及其分布位置直接决定了偏振模式的外观形态及变化。文章以偏振光在气溶胶粒子中发生的米氏多次散射理论为基础,采用蒙特卡罗过程仿真、选取气溶胶特征参数半查找表的科学研究方法,对比分析337nm、514nm、1536nm三个波长分别在同温层、大陆层、近地层气溶胶出射时的大气偏振模式变化幅度和规律。模式仿真结果显示紫外波段在近地层气溶胶作用下消失,蓝绿波段相对稳定、尺度分布宽泛,红外波段的穿透性明显强于其他两个波段、起偏剧烈;统计分析构建模式中每个点的偏振度发现每个波段都有各自的稳定区间,模式中偏振度衰减或起偏均趋向于这个区间值。这为已知大气背景模式下,选取合适波段探测目标偏振扰动提供了一定的参考依据。     

基于珠海一号高光谱卫星的巢湖叶绿素a浓度反演

叶绿素a是重要的水质参数,可以衡量水体的富营养化程度。遥感技术可以实时、快速、大范围地获取水体中叶绿素a的浓度与分布,对于水生态环境的评价及治理具有重要意义。内陆水体的光谱特征复杂,宽波段的多光谱遥感难以精确获取水体的光谱信息。国产珠海一号高光谱卫星因其光谱分辨率高,波段多等优势在内陆湖泊的遥感监测中具有广阔的应用前景。基于珠海一号高光谱数据,充分发挥其高光谱分辨率的优势,对巢湖的叶绿素a浓度进行反演,从影像中提取实测点处的遥感反射率曲线,筛选具有显著光谱特征的波段,并以OIF指数衡量不同波段组合获取水体组分信息的能力,以此构建与实测叶绿素a浓度相关性较高的波段组合。结果表明珠海一号OHS-2A星影像的14,16和19波段所构建的三波段模型[R_rs(700 nm)-1-R_rs(670 nm)-1]×R_rs(746 nm)在巢湖的叶绿素a浓度反演中取得了较高的精度,相对误差和均方根误差分别为19.97%和10.85 mg·m-3。由模型反演巢湖2019年5月10日的叶绿素a浓度空间分布图可知,叶绿素a浓度自东向西呈上升趋势,全湖南部和东北部的叶绿素a浓度较低,西巢湖的北部叶绿素a浓度最高。西巢湖的整体叶绿素a浓度是全湖最高的,尤其是其北部水域,水质情况较差,已经出现了一定面积的水华,其主要原因在于该地区紧邻合肥市,人类活动强烈,污水废水排放量大。珠海一号高光谱卫星对于内陆湖泊的水质反演具有一定的优势,但也存在着数据处理困难,波段利用率低,反演模型普适性差等局限,今后仍需借助珠海一号高光谱数据开展更多的湖泊遥感研究,不断提出高光谱遥感影像处理的新方法,提高反演模型的精度与普适性,充分挖掘数据源的潜力,使其更好地服务于水质的遥感监测工作。     

激光遥感偏振成像系统光学元件调整及误差分析

改进了利用双旋转波片方法进行偏振成像的实验装置,提出了通过一次测量获得目标偏振度和强度编码图像的方法.运用光强法对激光遥感偏振成像装置的光学元件进行调整,通过斯托克斯和穆勒矩阵在偏振光学元件中的应用,给出了相应光学元件的调整原理、方法及过程.分析了激光器中心波长变动、偏振片的角度误差和波片的相位延迟及角度误差对整个系统的影响.结果表明,由偏振片角度和波片角度误差造成的出射光斯托克斯误差较小,不超过0.001,可以忽略;由波片相位延迟不精确造成的误差在0.02左右,所以应采用延迟精度较高的波片;激光器中心波长变化的影响最大,不能忽略,必须加滤光片使接收光的中心波长控制在808nm;镀有铝膜望远镜对接收到的散射光偏振度影响较小,适于激光遥感偏振成像系统的应用.     

基于纯转动拉曼谱线激光雷达的大气温度反演分析

由于气溶胶的影响,传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限,为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测,由观测数据反演了温度廓线。在基于N₂和O₂的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中,分析了平滑窗口、定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。结果显示随着平滑窗口的增大,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加,为有效去除信号中随机误差的影响,同时保留温度廓线的垂直结构,平滑窗口应选择600~1 200 m比较好。定标范围不同,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同,相对变化约为0.07 K。当定标常数a,b都增大或都减小时,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大,当一个增大另一个减小时,平均偏差相互抵消;a,b的变化不是等几率的,在符号上总是相反的;平均偏差对a的变化不敏感,对b的变化也不敏感,对a与b的整体变化敏感,约91.7%平均偏差落入-3~3 K之间。该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、定标范围的选择提供了理论依据,对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。     

星载成像高光谱的湿地景观光谱特征分析

光谱特征是地物的固有属性,分析地物光谱不仅有助于提高地物识别精度,也是定量遥感研究的基础.然而受限于尺度效应,近地空间采集的光谱与遥感像元尺度的光谱往往差异较大.因此,在遥感像元尺度上揭示湿地典型景观地类的光谱特征,将有助于大尺度湿地遥感分类和植被参数反演精度的提高.以华北平原典型的草型湖泊湿地南阳湖为对象,基于EO-...     

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。     

多光谱影像的陕西大西沟矿区土壤重金属含量反演

传统的以“点采样+实验室分析”为主的土壤重金属含量分析技术成本高、效率低下,而基于多光谱遥感的土壤重金属高精度定量反演中存在重金属含量影响因子的优化这一难题,以陕西大西沟矿区这类山区地形条件下的金属矿区为例,利用Landsat8/OLI多光谱卫星影像、DEM数据以及外业土壤采样分析数据,开展了矿区土壤重金属含量指示因子分析及定量反演研究。首先,考虑研究区地形地貌特点,设计了沿研究区地形特征线及其两侧坡面均匀分布的样点分布方案,采集了45个样本。并对45个样本的混合样中的8种重金属含量进行了兴趣度分析,根据含量超标程度及矿的类型选取了铜、铅、砷3种元素作为分析对象。其次,根据研究区土地利用现状及地形特点,提出了以Landsat8/OLI影像B2至B7波段光谱反射率、粘土矿物比（CMR）、改进归一化水体指数（MNDWI）、差异植被指数（DVI）等八种光谱指数、以及反映研究区地形坡度和坡向三类因子作为反映土壤重金属含量空间分布特征的侯选因子。进而,对上述三类侯选因子与样本中3种金属含量进行了最小二乘相关性分析。根据分析结果,引入了基于估算误差最小准则的金属含量估算模型--基于规则的M5模型树的分段线性估算模型。以上述三大类共17个指示因子作为模型的输入,利用80%的土壤样本分析数据作为模型的训练数据,经过M5模型树的构建、平滑和树枝修剪过程,建立了3种金属的反演模型实现了研究区中土壤中3种金属含量的估算。同时,基于均方根误差（RMSE）最小准则确定了以光谱因子为主的最利于反演的最佳指示因子集。最后,用随机选取的20%的检验样本对模型进行了反演精度分析,验证了该模型对铜、铅、砷3种金属含量的反演精度比普通的线性模型分别提高了27.3%,24.6%,20.9%,同时,铜、铅元素的可信度也有所提高。利用上述模型的反演结果实现了3种金属含量的空间分布制图,并将反演结果与1990年公布的国家土壤元素背景值进行了对比。此外,分析了研究区铜、铅、砷3种金属的空间分布规律,并利用野外调查结果进行了验证。     

An Operational Characterization for Optimal Observation of Potential Properties in Quantum Theory and Signal Analysis

Quantum logic introduced a paradigm shift in the axiomatization of quantum theory by looking directly at the structural relations between the closed subspaces of the Hilbert space of a system. The one dimensional closed subspaces correspond to testable properties of the system, forging an operational link between theory and experiment. Thus a property is called actual, if the corresponding test yields “yes” with certainty. We argue a truly operational definition should include a quantitative criterion that tells us when we ought to be satisfied that the test yields “yes” with certainty. This question becomes particularly pressing when we inquire how the usual definition can be extended to cover potential, rather than actual properties. We present a statistically operational candidate for such an extension and show that its representation automatically captures some essential Hilbert space structure. If it is the nature of observation that is responsible for the Hilbert space structure, then we should be able to give examples of theories with scope outside the domain of quantum theory, that employ its basic structure, and that describe the optimal extraction of information. We argue signal analysis is such an example. This work was supported by the Flemish Fund for Scientific Research (FWO) project G.0362.03N.     

半干旱草原不同生态恢复阶段优势植物的高光谱特征分析

为了将高光谱遥感技术应用到生态恢复监测,采用ASD Fields HH便携式野外光谱仪测量半干旱草原区内蒙古和林格尔县不同生态恢复阶段优势植物物种的高光谱数据,通过ViewSpecPro软件对原始光谱数据进行降维和去噪等处理,进行原始反射率、一阶微分分析,采用排序软件Canoco 4.5进行去趋势典范对应分析。结果表明,生态恢复早期的优势植物物种为狗尾草、小叶锦鸡儿,生态恢复5年的优势植物物种为猪毛菜、小叶锦鸡儿,生态恢复后期的优势植物物种为樟子松、猪毛菜,与实测结果一致。DCCA分析结果表明,生态恢复早期植被的冠层光谱值,特征波段主要为短波光,且各物种光谱值差异较大;生态恢复5年主要受1 000～1 050 nm波段反射率影响,生态恢复后期主要受1 040～1 075 nm波段的近红外反射率影响。采用DCCA方法能够直观反映不同生态恢复阶段优势物种的光谱特征。