基于遥感影像的城市植被覆盖度监测研究

城市植被生长状态及分布密度对于城市生态环境有着重要影响,本文首先以近年来新开放的Landsat 9卫星影像数据为基础,分析研究卫星构成及影像特征,然后对其进行辐射定标、大气校正等,最后利用归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)对城市植被覆盖率进行反演。结果表明:研究区植被覆盖率相对较高,平均值为60.17%,普遍为高植被覆盖度和较高植被覆盖度区域,较低和低植被覆盖度相对较少;从空间分布可得,浦口区、江宁区、溧水区植被覆盖度平均值均在60%以上,其他地区则低于60%。总体而言,研究区植被生态态势较好,植被覆盖度较高,同时利用Landsat 9卫星影像数据能够较为准确地反演城市植被覆盖度,为城市生态环境保护监管提供可靠数据支撑。

全天候逐时百米尺度地表温度重建方法

地表温度是区域和全球尺度地表过程的重要参数,通过热红外遥感可获取区域或全球尺度的地表温度的时空信息。然而,受到热红外传感器硬件特性以及热红外电磁波无法穿透云层的限制,目前无法获取兼顾高时空分辨率的地表温度。该研究提出了一种重建全天候100 m空间分辨率的逐小时地表温度的方法。方法主要包含3个步骤:①在传统温度年循环模型的基础上,重建中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)4时刻的云下地表温度;②借助于温度的日变化趋势估计地表温度的日变化曲线,获取逐小时的地表温度;③以光谱指数作为回归因子,利用极端梯度提升树对逐小时地表温度进行空间降尺度。研究结果表明,提出的重构方法可以获取时空连续的地表温度产品,提高了地表温度的空间分辨率,提供了更丰富的纹理信息。通过美国地表辐射观测网络(surface radiation budget network,SURFRAD)站点数据对逐时100 m尺度的地表温度进行验证,结果表明逐小时重建的地表温度与站点实测值的变化趋势大致相同,全天候逐小时地表温度重建方法精度较高,R^(2)为0.95,均方根误差(root mean squared error,RMSE)为3.75 K,偏差(bias)为0.75 K。

FY-4 A/GIIRS反演夏冬季有云时大气温湿度廓线的精度评估

FY-4A/GIIRS(Geostationary Interferometric Infrared Sounder)首次实现了地球静止轨道红外高光谱探测,可以连续获得高垂直分辨率的大气温度和湿度廓线信息。当GIIRS视场内有云存在时,目前Level 2业务大气温湿度垂直廓线产品只提供观测视场内云顶以上高度的温度廓线,且不反演整个视场的湿度廓线。基于GIIRS辐射观测值用U-Net卷积神经网络算法实现了全天空大气温湿度廓线反演,包括晴空和全云覆盖视场,同时利用常规无线电探空观测资料对反演精度进行了检验。结果表明:U-Net算法有云视场的温湿度廓线反演能力与晴空相当,且夏季温度反演精度优于冬季,有利于灾害性天气多发季节的监测。在云系较活跃的夏季,随着视场内云量的增加温度廓线反演精度逐渐变高,表明该算法适用于有云时大气温度廓线反演,而湿度随着云量的增加反演均方根误差RMSE增大。视场内不同云光学厚度时温度反演误差相差不大,RMSE均在2.5 K左右,平均偏差ME在1 K以内,对流层高层薄云时反演误差相对而言较小。湿度反演随着云光学厚度的增大反演误差也增大,说明对于一定程度的薄云,GIIRS能够获得不错的反演精度。虽然U-Net算法物理意义不明确,但是能够快速实现全天空大气温湿度廓线反演,尤其在有云时能够获得更高的反演精度。

基于O_(2)分子1.27μm气辉反演临近空间温度廓线的新方法

1.27μm波段O_(2)(a^(1)Δg)气辉的辐射强度高、自吸收效应弱,是反演临近空间大气温度的理想目标源。基于O_(2)分子气辉光谱理论以及“剥洋葱”算法,利用扫描成像大气吸收光谱仪(SCIAMACHY)的近红外临边观测数据,成功反演50~100 km区域的大气温度廓线。与SABER、ACE-FTS及激光雷达的观测结果对比表明,在55~85 km的切线高度范围内温度测量误差优于±10 K,而在55 km以下与85 km以上空间区域,由于受到自吸收效应、大气散射以及OH气辉的光谱污染等干扰,温度反演结果出现显著偏差。

高硫-低硫化浅成低温热液矿床的短波红外矿物分布特征及找矿模型——以西藏铁格隆南(荣那矿段)、斯弄多矿床为例

本文以铁格隆南(荣那矿段)高硫化浅成低温热液矿床和斯弄多低硫化浅成低温热液矿床为研究对象,运用短波红外技术快速厘定了上述两个矿床的蚀变矿物类型及组合特征,构建了基于短波红外勘查技术的找矿模型。研究发现:铁格隆南矿床(荣那矿段)的蚀变矿物垂向分带组合为:高岭石→高岭石+(地开石+明矾石)→高岭石+明矾石+(地开石)→高岭石+地开石+明矾石。由于高硫化浅成低温热液交代黄铁绢英岩化带的斑岩型矿体,致使上部矿石中还有少量交代残余的绢云母;斯弄多低硫化浅成低温热液矿床的蚀变矿物垂向分布为:白(绢)云母+(钠云母)→白(绢)云母+钠云母+(伊利石)→白(绢)云母+钠云母+蒙脱石+伊利石→白(绢)云母+钠白云母+蒙脱石+伊利石,其中顶部白(绢)云母是后期黑云母花岗斑岩蚀变所产生,本身与成矿无关;矿体主要赋存在伊利石+蒙脱石带,随着蒙脱石被伊利石化,矿体也逐渐尖灭。

利用RTTOV7快速辐射传输模式模拟风云二号红外和水汽成像通道辐射率的研究

为使RTTOV7能模拟FY2B红外、水汽通道辐射率,综合GENLN2计算的6个卫星天顶角的600-3000 cm-1的精确大气透过率,以及这两个通道的光谱响应函数,采用多元线性回归方法计算出适当的透过率系数.利用新的透过率参数,以相同的大气廓线作输入参量,对FY2B和GMS5的模拟分析表明,RTTOV7能得到相似的模拟亮温.利用ECMWF预报廓线以及新的透过率参数模拟FY2B水汽和红外亮温与实际观测的误差对比分析表明该模式能在短时间内以较高的精度模拟该卫星通道的辐射观测.

利用红外高光谱资料CrIS反演大气温湿廓线的模拟研究

大气温湿廓线是数值预报中最基本的气象参数，高光谱红外卫星可以观测到较高垂直分辨率的大气信息，为了准确获取廓线信息，利用搭载于美国对地观测卫星Suomi NPP（national polar-orbiting partner-ship）平台上的CrIS（cross-track infrared sounder）红外高光谱观测资料，讨论了通道选取方法，采用特征向量统计法反演法得到初始大气廓线，利用非线性牛顿迭代法进一步提高反演精度。将反演结果和全球数据同化系统GDAS（global data assimilation system ）模式分析数据以及配对的无线探空值进行比较，发现反演结果与真值趋势一致，较之初始廓线有显著提高，在100～700 hPa之间，温度廓线反演精度最高，均方差小于1 K ，在300～900 hPa之间，湿度廓线反演精度最高，均方差小于20％，与所选取通道的雅各比峰值区间一致。

基于主成分累计影响系数法的高光谱大气红外探测器的通道选择试验

由于高光谱大气红外探测器(AIRS)有2378个通道,如何从众多的通道中提取主要的有用信息。针对这点,文中提出了基于主成分累计影响系数的通道选择方法。首先,进行通道的预处理。然后,考虑白天的通道组合,分别对温度和湿度雅可比矩阵进行主成分分析,得到每个通道对主成分的累计影响系数,根据累计影响系数的大小,进行通道排序。最后,考虑夜晚的通道组合,加入受太阳光影响的通道。最终得到白天和夜晚的入选通道子集。进行温度和湿度廓线反演的实验表明,该方法用于通道选择是可行的。

一种高效计算高光谱分辨率红外大气辐射传输的方法

传统的大气辐射传输计算方法受计算资源和效率的限制已无法满足星载高光谱分辨率红外大气遥感资料处理的需要,基于单色波长辐亮度计算加权组合的方法,开发了一种快速准确的高光谱分辨率红外大气辐射传输的计算模型FFRTM_IR.利用FFRTM_IR模型,针对研制中的FY-3D红外高光谱大气探测仪(HIRAS)的光谱指标,模拟计算了仪器的观测通道亮温,并用独立样本对模拟亮温进行了验证和比较,结果显示:FFRTM_IR对HIRAS所有通道的模拟亮温偏差均小于0.06 K,标准差有效控制在0.1 K以内;在同等计算精度下,FFRTM_IR的计算速度略快于目前国际上通用的快速辐射传输计算模型CRTM.利用FFRTM_IR模型,采用解析计算方法可以进一步得到温度廓线、水汽廓线、二氧化碳、臭氧廓线以及地表参数的雅克比矩阵,计算结果与扰动法计算结果一致性较好,有较高的计算精度.计算和分析结果表明,初步建立了一种高效的红外大气辐射传输计算模型,可用于星载高光谱红外大气探测仪器的观测仿真和资料处理.

高精度非致冷长波红外热像仪的辐射标定

为使非致冷长波红外热像仪在不同温度下保持较高的测温精度,建立了考虑探测器工作温度效应的非致冷长波红外热像仪的辐射标定模型。对非致冷长波红外热像仪进行辐射标定实验,在不同黑体温度和不同亮度增益值条件下,获得了16组图像灰度与探测器工作温度之间的函数关系,建立了目标温度的数学计算模型,并对定标结果进行了实验验证。结果表明:在25～40℃,探测器的工作温度效应可做线性化处理,且与目标温度无关。通过设定合适的亮度增益值可使红外热像仪的测温误差<0.5℃,极大地提高了非致冷长波红外热像仪在不同温度环境下的测温精度。

利用FY-3A近红外资料反演水汽总量

该文介绍了利用搭载在FY-3A卫星上的中分辨率光谱成像仪(MERSI)的近红外(NIR)通道反演大气水汽总量(PWV)的方法。根据预先建立的查找表,大气水汽总量可以通过水汽通道与窗区通道的卫星测值相比反演得到。对MERSI近红外水汽通道灵敏度进行估算,结果表明:处于吸收带两翼的905 nm和980 nm通道对不同水汽量的敏感性表现比较接近,对较大水汽含量最为敏感;当水汽较弱时,强吸收的940 nm通道非常敏感。基于这3个通道对水汽含量敏感性的不同表现,采用3个通道水汽总量的加权平均值作为PWV产品的最终反演值。文中设计了水汽总量业务算法反演流程,并基于FY-3A/MERSI最新观测资料进行晴空大气水汽总量的业务处理生成试验,顺利生成MERSI单轨道水汽总量产品及日拼图中国区域产品和全球产品,同时生成多天合成产品,产品反映出MERSI具有较好的近红外水汽探测能力。将卫星反演结果与探空数据进行初步比对检验,显示卫星反演值有20%～30%系统性偏低,需要进一步改进反演查找表。

AIRS晴空大气温度廓线反演试验

2002年5月发射的Aqua是美国地球观测系统中的第2颗卫星EOS-2(Earth Observing System),它携带的大气红外探测仪AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)是目前国际上最先进的超高光谱分辨率红外大气垂直探测仪。1200的光谱分辨率和全球覆盖能力使其可以观测全球大气状态及其变化。对其超高光谱分辨率资料的处理和应用的研究既有科学意义,又有实用价值。利用AIRS实际观测资料反演大气温度,本文使用的是便于处理大数据量的统计反演方法中的特征向量法,计算回归系数使用的是AIRS观测辐射值和T213数值预报分析场。本文从通道个数、地形及地表发射率影响、增加预报因子、国外同类产品比较等4个方面进行了大气温度反演试验研究。研究结果表明:(1)在利用超高光谱分辨率仪器进行反演时,合理选择通道是非常必要的;(2)AIRS反演的大气温度在对流层顶和中上层具有较高的精度,在对流层低层,尤其是近地面反演精度不够理想;(3)增加地表温度,地表发射率和地形3个预报因子,可以提高近地面的反演精度;(4)文中反演的大气温度精度与国外同类产品精度基本一致。

通用大气辐射传输软件(CART)分子吸收和热辐射计算精度验证

为检验通用大气辐射传输软件CART分子吸收和热辐射的计算精度,利用精确的逐线积分法(LBLRTM)和广泛使用的中分辨率大气传输模式(MODTRAN4.0),就CART软件计算的晴空大气分子吸收透过率和热辐射进行对比验证。模拟了水平距离、观测天顶角和观测点高度对光电工程各观测波段内平均大气透过率和积分辐射的影响特性。结果表明:CART软件分子吸收的计算精度优于MODTRAN4.0软件,大气热辐射的计算精度和MODTRAN4.0相当。

非致冷红外焦平面阵列的辐射定标模型

为了将非致冷红外焦平面阵列应用于不同环境的辐射定量测量,设计了一种基于标准辐射源的定标试验方法,并在理论分析的基础上,根据定标试验数据,提出了一种考虑探测器工作温度效应的非致冷红外焦平面阵列辐射定标模型。试验数据分析表明,非致冷红外焦平面阵列响应动态范围大、线性度好,探测器工作温度效应可作线性化处理,辐射定标模型反演标准偏差为0.72 w/(m2.sr)。

利用AIRS观测资料进行红外高光谱大气探测能力试验的研究

利用EOS Aqua卫星平台上搭载的光栅式高光谱分辨率大气红外探测仪器AIRS(Atmospheric InfraredSounder)的实际观测资料,采用经验正交函数展开法(特征向量法)进行了大气温度、湿度廓线的反演误差敏感性试验研究。试验内容包括光谱覆盖、通道覆盖、通道宽度等。通过这些试验,研究在中国现有的经济、技术条件下要达到在对流层1km气层温度、湿度分别小于1K和20%的反演精度和垂直分辨率所应该具备的光谱通道特征,为发展中国自己的红外高光谱分辨率探测技术提供科学依据。试验计算结果表明,基于中国现有的经济和技术基础,发展具有100个左右的光谱通道,通道宽度为2—4个波数的干涉式红外大气探测仪器(比中国目前FY-3初期的滤光片式红外分光计的光谱波段宽度减小3—4倍),可明显改善大气参数反演精度,基本满足现阶段使用要求。

近红外波段气溶胶粒子形状和性质对散射特性的影响

为了研究近红外波段气溶胶粒子的形状和性质对散射特性的影响,将气溶胶粒子视为非球形粒子,并用T矩阵理论对0.94μm波段的气溶胶粒子进行了一系列计算分析。计算结果表明:进行单个气溶胶粒子的散射计算时其形状因子是不可忽视的元素,单个气溶胶粒子的散射相函数随着粒子形状的不同在前向和后向有明显变化;进行气溶胶粒子前向体散射计算时非球形粒子近似成球形粒子带来的误差较小,后向误差仍较大;气溶胶粒子性质的不同,即折射指数和数密度的不同对散射特性影响较大。

非球形气溶胶对近红外偏振辐射传输的影响及等效球形误差分析

为定量评估非球形气溶胶对偏振辐射传输的影响,基于T矩阵模型及自主开发的矢量辐射传输模式MACAR_VSPART,讨论了漫射光辐亮度及偏振辐亮度对粒子形状的敏感性,分析了气溶胶球形假设造成的漫射光模拟偏差.结果表明,不同方向漫射光的辐亮度及偏振辐亮度对形状的敏感性不一致,且其形状敏感强度的空间分布呈现特定的特征,该特征可为气溶胶遥感过程中有效观测数据的选取提供依据.等效球形假设可造成较大的漫射光模拟偏差,其中偏振辐亮度尤为显著;天顶上行漫射光对粒子形状的敏感性远强于地面下行漫射光.

阈值与纹理相结合的云识别方法

为了利用大气向下红外辐射进行云的地基红外遥感,分析了晴空辐射阈值的确定方法以及有云天空和晴空的LBP谱,进一步提出了阈值与纹理相结合的云识别方法。辐射阈值法可以逐像元地进行云识别,但一旦阈值确定不准,会导致云识别误差较大;有云与晴空的LBP谱有明显差异,可以利用晴空相似度阈值进行云识别,但由于计算LBP谱需要在较大区域进行,使得纹理法无法实现像元级的云识别。利用纹理法区域有云无云识别结果可以调整晴空辐射阈值,进而提高阈值法云识别准确性。初步分析表明,该方法是可行的。

人工神经网络算法在红外高光谱资料反演大气温度廓线中的应用

基于红外高光谱大气探测器AIRS实况观测资料,尝试用人工神经网络算法来实现晴空时大气的温度垂直廓线反演,重点将该算法与目前已经发展比较成熟的特征向量统计反演算法进行比较。结果表明,两种算法在计算时间效率和反演精度上相当。鉴于人工神经网络算法的统计物理本质,误差反向传播BP神经网络可以求解非线性问题,在优化训练样本和继续调试网络种类和网络参数的基础上,有望能进一步提高反演精度。

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-1CCD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-1CCD数据没有短波红外波段（2.12μm）,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（0.43~0.52μm）和红色（0.63~0.69μm）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-1CCD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。