基于C#和Matlab的HJ-1-CCD气溶胶光学厚度反演系统的开发

环境一号卫星CCD相机(HJ-1-CCD)30m的空间分辨率在大气环境监测中具有潜在优势,利用高分辨率的HJ-1-CCD数据进行大气环境监测时,首先需要反演得到较高精度的大气气溶胶光学厚度(AOD)。本文针对HJ-1-CCD数据反演AOD的全过程,采用C#和Matlab的混合编程,将两种开发语言优势互补,完成了基于HJ-1-CCD数据的大气气溶胶光学厚度反演系统的开发,使AOD反演的过程变得简单、可视化。同时,详细介绍了系统的设计思想,以及开发过程中的主要技术问题,为大气污染的卫星遥感动态监测提供良好的技术支持。

基于最小二乘优化的高精度参数估计研究

研究了捕食者-被捕食者模型在不同观测误差条件下的非线性微分方程组参数估计问题.首先利用差分方法进行离散化,得到一个超定的线性方程组,进行最小二乘拟合优化;其次,考虑观测资料有误差而时间变量无误差的情况,通过利用周期取平均的方法,从而降低了数据的误差;最后针对时间变量也会有误差情况,对每个观测时刻的数据进行归整处理来降低时间上的观测误差,最后利用最小二乘拟合得到最优的参数值.

基于卫星数据的灰霾污染遥感监测方法及系统设计

以中分辨率成像光谱仪为例,建立了卫星遥感参数和空气污染指标之间的联系,提出了基于卫星遥感的气溶胶光学厚度数据获得灰霾指数和灰霾污染时空气质量指数(AQI)等级的方法和相关的监测系统设计。结合在华北地区的监测结果,可以看出卫星遥感可以较好地反映灰霾污染程度的变化,有助于发现可能的传输通道,获得宏观的灰霾空间分布状况。在研究时段内,与地面空气质量监测站相比,88%的卫星遥感监测结果误差不大于1个AQI等级,平均的AQI等级偏差为0.7级,并分析了卫星遥感与地面监测之间差异的原因。

支持向量机的增量学习和减量学习

分别介绍了支持向量机的增量学习和减量学习的两种训练方法，即在线递归训练法和最小二乘支持向量机．递归法只能处理在线（每次只处理一个样本）增量学习或减量学习，而最小二乘法即可处理在线又可处理成批增量学习或减量学习．递归法得到的解是精确的但是以时间为代价的，最小二乘法花费的时间少，但得到的解不如递归法的精确．并通过标准模式分类库中数据集进行数值试验比较．

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)的全球月均地表反射率/发射率产品,可计算每个像元对应的权重系数向量,从而进行任意波段的光谱重建,得到全球范围内陆地5 km×5 km分辨率的月均地表反射率重建结果。同时为综合评价该光谱重建方法,从光谱数据集中提取MODIS短波红外和中红外4个波段(2.13、3.75、3.96和4.05μm)的子数据集,计算对应的权重系数向量,进行2.0~5.0μm光谱范围内的全波段的反射率光谱重建。重建结果对应的平均绝对误差优于0.01,平均相对误差优于10%,在只有MODIS卫星4个波段数据可用的低秩病态的情况下,可较好地满足光谱重建的精度要求。并且为满足重建结果可视化需求,基于网络地理信息系统(WebGIS)技术,利用Cesium框架,采用浏览器/服务器架构,搭建了二三维一体化可视化系统,将卫星底图、地形数据与光谱重建结果等集成展示,从而进行直观的多因素分析,为卫星产品的展示与验证提供支撑。

一种应用于卫星中红外遥感的辐射传输简化计算方案

作为可见光-近红外和热红外的连接谱段,中红外(MIR)兼具短波辐射的反射特性和长波辐射的发射特性,对于温度探测、目标识别等应用场景有十分重要的意义。目前,MIR谱段辐射传输(RT)计算仍然面临背景参数输入多且不易获取的问题。基于此,提出了一种应用于卫星MIR遥感的RT简化计算方案。使用MODTRAN模型(MM),对MIR白天RT过程中所涉及的背景地表和大气参数定量模拟分析,得到影响RT的关键参数,据此形成一套基于MM的参数简化方案(SS)。在MODIS 6个MIR通道的中心波长处,对SS和MM计算的总辐亮度做对比验证,RMSE均小于0.004399,具有较高精度。SS仅依赖于表面温度、表面发射率、大气廓线类型、水汽和云光学厚度,不需要输入气溶胶、CO_(2)和O_(3)数据。相比MM,SS将输入参数从8类降低到5类,计算的时间效率提升了9.02%。在有限的计算资源下,本文所提的SS能够为MIR图像快速处理、大场景遥感仿真等应用领域提供支撑。

改进的模糊核C-均值算法

将核方法的思想推广到模糊C-均值算法,提出一种改进的模糊核C-均值算法,改进的模糊核C-均值算法较以前的模糊核C-均值方法有更好的鲁棒性,不但可以在有野值存在的情况下得到较好的聚类结果,而且因为放松的隶属度条件,使最终聚类结果对预先确定的聚类数目不十分敏感。改进的模糊核C-均值算法在多种数据结构条件下可以有效地进行聚类。

支持向量机在商业银行客户管理中的应用研究

文章将多项式光滑的支持向量机(PSSVM)应用到信用评估中,设计了通用的银行个人信用特征数据,研究了PSSVM在个人信用评估中的应用,实证结果表明,PSSVM具有较好的分类预测能力。

光学遥感卫星大气校正研究综述

由于高分辨率遥感应用需求增加的牵引,国内外发射了越来越多的光学遥感卫星载荷.然而,随着传感器分辨率的增加,大气对地表信息干扰的问题也越来越突出,光学遥感图像的大气校正问题,因载荷特点和应用需求的改变面临着一些新的挑战,有必要对其进行总结和分析.本文在介绍大气校正现状和原理的基础上,按照光学遥感卫星大气校正输入信息来源不同,把大气校正方法归纳为基于图像和图形处理方法、基于辐射传输计算、基于图像自身信息反演大气参数、基于大气同步校正仪的大气校正4类进行介绍.最后,结合我国高分辨率光学卫星的发展方向,对当前的大气校正应用方案和未来发展进行了讨论和展望.

环境减灾二号A/B卫星大气校正仪数据处理方法及初步在轨评估

环境减灾二号A/B卫星大气校正仪作为首个成功在轨运行的扫描型同时偏振遥感器,其技术原理和数据处理方法均有别于以往的在轨遥感器。文章在简要介绍大气校正仪原理的基础上,系统阐述了其数据预处理、大气参数反演和大气校正方法,评估和展示了部分在轨应用效果。在轨初步评估结果显示:基于大气校正仪L1级数据反演的气溶胶光学厚度(AOD)和水汽柱浓度(CWV)数据与全球气溶胶自动观测网(AERONET)数据的偏差落在期望误差(EE)范围内的比例分别为68.62%和95.39%,且与对应的中等分辨率成像光谱仪(MODIS)产品空间分布具有较好的一致性;空间同步覆盖的16 m相机多光谱数据校正前后图像清晰度和纹理特征均提升明显,地表反射率校正精度满足应用需求,初步显示了大气校正仪在气溶胶监测和大气校正等方面的应用潜力。

高分五号卫星多角度偏振成像仪细粒子气溶胶光学厚度遥感反演

细粒子气溶胶是大气污染关键成分,迫切需要发展大范围、高精度的细粒子气溶胶遥感监测技术。基于我国2018年5月发射的高分五号卫星上搭载的多角度偏振成像仪(DPC),开展了细粒子气溶胶光学厚度(AODf)遥感反演研究。介绍了偏振卫星反演AODf的主要原理和算法,基于2018年11月23日—30日的卫星数据反演获得了首幅高分辨率(3.3km)全球陆地上空AODf空间分布图,并利用太阳-天空辐射计数据进行了地面同步验证。反演结果显示:AODf空间分布与人为活动、生物质燃烧排放强度等因素相关,高值主要分布在印度、中国中东部及非洲中部等地区。与法国POLDER传感器AODf产品的长时间跨度对比显示,近年来中国地区细粒子气溶胶含量整体有所下降,并且DPC的高分辨率优势可有效支持区域污染精细管控、重点城市污染传输通道监测等环保业务的需求。

中国典型气溶胶模型光学特性分析及在大气校正中的应用

针对中国区域内卫星影像大气校正中气溶胶模型的适用性问题,基于Lorenz-MIE理论,结合多角度偏振相机(DPC)的3个观测通道,分析了中国典型气溶胶模型的光学特性,并将其出现频率较高(>5%)的模型组合用于可见短波红外高光谱相机(AHSI)观测仿真数据的大气校正中。通过对比校正结果,得到如下结论:在大气较为清洁的情况下,适合应用城市污染型与夏季粉煤灰型的模型组合或二次污染型与夏季粉煤灰型的模型组合,对中国区域内卫星影像进行大气校正;在气溶胶光学厚度较大(或能见度较低)时,华北、华南和西北区域内卫星影像大气校正中二次污染型与夏季粉煤灰型的模型组合更为适用,华东区域则是城市污染型与夏季粉煤灰型的模型组合更适合。

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.

卫星遥感中不同偏振量对气溶胶反演的影响分析

偏振探测是提高气溶胶卫星遥感能力的重要途径。作为目前全球重要的偏振数据源,我国高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪(DPC)能够测量不同的偏振量,包括Stokes矢量偏振分量、偏振辐亮度(L_(p))和线偏振度(DOLP)。各偏振量所包含的有效信息和测量误差不同,进而影响气溶胶参数的反演精度。针对此,在最优估计反演框架下,利用信号自由度(DFS)和后验误差定量化分析了各偏振量对气溶胶参数反演的影响,为后续DPC气溶胶算法开发提供参考。研究结果表明:Stokes矢量包含的信息量最高,其次是线偏振度和偏振辐亮度,相应的气溶胶总DFS分别为7.5,6.1和5.2;采用不包含偏振方向信息的L_(p)反演时,复折射指数虚部和粒子谱有效方差的信息量比采用Stokes矢量和DOLP反演时显著下降,表明这两个参数对偏振方向和测量误差敏感,增加偏振方向信息和降低测量误差能够有效提高这两个参数的可反演性;偏振方向的探测对提高气溶胶遥感能力有重要价值,采用L_(p)和DOLP反演时,气溶胶各参数的后验误差比采用Stokes矢量反演分别增加67.6%和65.5%,其中细模态体积柱浓度和粒子谱有效半径受到的影响最大;在全部气溶胶参数中,复折射指数实部后验误差最小,虚部的反演不确定性最大。总体来说,细模态气溶胶的三个参数(体积柱浓度、复折射指数实部和粒子谱分布有效半径)在三种偏振量反演情况下平均DFS均大于0.85,能够较好的通过DPC观测反演得到,而粗模态气溶胶反演与气溶胶类型有关,参数反演不确定性较大。

基于卫星多角度观测的气溶胶遥感反演算法研究进展

对国际上双角度、多角度及偏振卫星气溶胶遥感反演算法的最新研究进展进行了综述。双角度遥感作为多角度遥感的一种典型情况,算法的核心思想同样适用于两个传感器在几乎同时对同一地区进行观测的情况。以双角度观测的沿轨扫描辐射计(ATSR)系列传感器为例,总结了ADV (ATSR dual view)、SU (Swansea University)和ORAC(Oxford-RAL aerosol and cloud)最优估计等典型的气溶胶反演算法原理及最新研究进展。在此基础上,以当前国际上采用多角度观测的星载和机载传感器为例,介绍并总结了星载多角度标量反演算法、星载和机载多角度偏振反演方法的最新研究进展。通过系统发掘双角度和多角度传感器在气溶胶卫星及机载遥感研究中的优势和潜力,为我国多角度及偏振遥感反演算法的设计和发展提供了有效参考和关键支撑。

紫外多角度偏振探测气溶胶层高的信息量分析初步研究

为探究多角度偏振在紫外波段对气溶胶层高(ALH)的探测能力,在不同的观测几何、气溶胶和地表类型等条件下系统评估了多角度偏振在紫外波段的ALH反演信息量。基于最优估计理论和信息量分析方法,分析了紫外波段365 nm和388 nm两个通道模拟仿真数据对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:(1)多角度偏振观测可有效提高ALH反演的信息量。(2)多角度卫星观测信息量随观测角度个数的增加显著提升,当反演中使用的角度数增加到5个时,ALH的信号自由度(DFS)提升了0.4以上。(3)添加388 nm波段偏振观测或365 nm波段强度观测这两种方案均能提升ALH的DFS。但相对而言,偏振观测方案受气溶胶模型误差影响更小,能更好地提升ALH反演的信息量,尤其是改善了低气溶胶光学厚度(AOD)条件下的ALH反演。

美国地球系统观测台(ESO)计划介绍

作为美国宇航局(NASA)推动下一代地球科学的手段,地球系统观测台(ESO)将收集一系列地球不同层面的数据,用于深入研究地球系统各组成部分及其相互关系,从而获得对地球系统整体、三维的理解。文章对NASA逐步开展的地球系统观测台计划进行概括,分析了NASA规划ESO项目的科学目标、实施策略和工作重点,详细介绍了ESO首期任务中NASA与印度空间研究组织(ISRO)合作开发的NASA-ISRO合成孔径雷达系统(NISAR)的组成、部署、测量方式、数据产品和测量误差来源,并在此基础上介绍了NISAR航天器和子系统以及NISAR主要的应用领域,提出了对ESO计划的思考及从中得到的启示,以期对中国未来地球观测计划提供有价值的借鉴和参考。

基于高时空分辨率卫星数据的气溶胶光学厚度反演系统

卫星遥感技术是研究大气气溶胶时空变化规律的重要手段之一.高分四号卫星(GF-4)作为新一代静止卫星,不仅具备更多的可见-近红外波段,而且具有超高时空分辨率的特点,可以执行对固定区域连续观测或凝视扫描覆盖观测,为气溶胶光学厚度定量反演提供了有利条件。基于GF-4静止卫星超高时空分辨率卫星数据,在深入了解卫星观测模式及传感器波段对气溶胶反演敏感性基础上,基于地气时变差异核心思路,开发了针对GF-4超高时空分辨率数据气溶胶光学厚度反演算法;设计并实现了具备业务化反演气溶胶光学厚度能力的软件系统,软件系统具备多线程、全自动运行能力,满足卫星数据处理业务化需求。利用该系统对GF-4数据进行了处理和分析,通过地基仪器实测的气溶胶光学厚度进行了验证,取得了初步结果。结果表明,该系统具有良好的可靠性和稳定性,可以服务于大气颗粒物时空变化遥感监测。

北京区域2013严重灰霾污染的主被动遥感监测

结合2013年1月北京区域严重灰霾污染,介绍了太阳-天空辐射计、激光雷达、多波段CCD相机等遥感监测手段,分析了地-空基、主-被动等遥感方法获得的灰霾气溶胶特性遥感结果,讨论了不同遥感监测手段的特点及联合使用,结果表明:主动遥感手段在严重污染、夜间等情况下具有观测优势,而被动遥感信息含量大,具有获得气溶胶复杂特性参数的能力;地面遥感点、垂直分布线监测数据与卫星遥感的面观测数据相结合,可以初步实现灰霾的主被动遥感立体监测。

利用环境一号卫星监测北京地区雾霾

1引言目前雾霾监测的主要手段是利用PM2．5在线测量，获得观测点处的空气污染状况，然而对于面区域以及大气环境中雾霾产生、发展和消散过程的3维立体监测能力有限，卫星遥感能够有效弥补其关键环节，提供面覆盖的观测能力。卫星遥感通常能够获得整层大气颗粒物（气溶胶）的参数，例如气溶胶光学厚度（AOD）表征大气柱中气溶胶颗粒物整体消光能力。卫星遥感能够实现在不破坏大气颗粒物自然状态的情况下，快速、自动获得大范围内气溶胶颗粒物空间区域分布。